淺談高熱地區(qū)混凝土配合比設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制

楊 姣

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030000

混凝土作為建筑材料，在建筑行業(yè)中用途最廣、用量最大。隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，“質(zhì)量至上”日益受到地方政府和社會(huì)各界的普遍關(guān)注。建設(shè)工程檢驗(yàn)檢測是工程質(zhì)量管理的重要組成部分，更是工程質(zhì)量監(jiān)督、質(zhì)量控制、成本控制的重要技術(shù)手段。在常規(guī)檢驗(yàn)檢測中，混凝土原材料選用、配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場配合比控制占有舉足輕重的地位，尤其是泵送混凝土中大坍落度配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性對(duì)工程質(zhì)量起著決定性作用。

1 工程概況

工程位于非洲西部安哥拉，西鄰大西洋，屬于熱帶草原氣候，雨季氣候炎熱，氣溫高達(dá)50℃，而且濕度較大。安哥拉羅安達(dá)2×5000t/ d 熟料水泥生產(chǎn)線項(xiàng)目(簡稱水泥項(xiàng)目)一、二期占地面積約70 余萬m2，現(xiàn)澆混凝土量達(dá)223000 多m3，其中生料庫、熟料庫等諸多工號(hào)運(yùn)用滑模技術(shù)進(jìn)行施工，需要用大坍落度泵送混凝土。當(dāng)?shù)匚镔Y貧乏，現(xiàn)場沒有外加劑或摻合料可供使用。

2 原材料選用

選擇好的原材料是保證工程質(zhì)量的首要條件。原材料要根據(jù)質(zhì)量、運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)成本等進(jìn)行選擇，質(zhì)量合格、就地取材、便利易得為最佳。本次配比試驗(yàn)以二期水泥項(xiàng)目施工選用原材為實(shí)例。

2.1 水泥

二期水泥項(xiàng)目的水泥以一期生產(chǎn)線生產(chǎn)的中基P·O 42.5 為備選。現(xiàn)場復(fù)核水泥的強(qiáng)度、安定性、初終凝時(shí)間等指標(biāo)，檢驗(yàn)合格方可使用。未經(jīng)檢驗(yàn)的水泥不允許用于工程，質(zhì)量達(dá)不到要求的材料及時(shí)清退場外。

經(jīng)試驗(yàn)檢測，安哥拉中基P·O 42.5 水泥參數(shù)如下：初凝時(shí)間為156min；終凝時(shí)間為226min；沸煮法測定安定性無彎曲無裂紋，檢驗(yàn)合格；7d 強(qiáng)度為26.6MPa，28d 強(qiáng)度為46.8MPa。

依據(jù)GB175- 2007 標(biāo)準(zhǔn)，該批水泥所檢項(xiàng)目符合P·O 42.5 要求。同時(shí)，符合JGJ55- 2011 關(guān)于泵送混凝土水泥宜選硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥的規(guī)定。因此，本工程選用中基P·O 42.5 水泥。

2.2 砂

泵送混凝土宜采用中砂，其通過公稱直徑為315μm 篩孔的顆粒含量不宜少于15%，含水率應(yīng)小于0.5%。經(jīng)試驗(yàn)檢測：安哥拉寬扎河砂場所產(chǎn)砂的細(xì)度模數(shù)2.8、含泥量1.2%、泥塊含量0.6%。

依據(jù)GB/ T14684—2001 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)屬II 指標(biāo)技術(shù)要求，同時(shí)符合JGJ55- 2011 關(guān)于泵送混凝土宜采用中砂的相關(guān)規(guī)定。因此，本工程選用安哥拉寬扎河砂作為現(xiàn)場施工建筑用砂。

2.3 碎石

配制泵送混凝土粗骨料宜選用連續(xù)級(jí)配的碎石或卵石，以提高混凝土的和易性和可泵性。同時(shí)，要考慮輸送管徑的大小，粗骨料的最大公稱粒徑與輸送管徑之比應(yīng)小于0.33。根據(jù)結(jié)構(gòu)最小斷面尺寸和泵管尺寸，選擇合適的骨料粒徑，經(jīng)試驗(yàn)檢測：

安哥拉當(dāng)?shù)氐乃槭蟛糠质秋L(fēng)化巖石經(jīng)機(jī)械粉碎而成，經(jīng)過仔細(xì)挑選，仁熱B 場的機(jī)械碎石含泥量0.5%，泥塊含量0.2%，壓碎指標(biāo)為9%，針片狀顆粒含量2%。依據(jù)GB/ T14685- 2001 標(biāo)準(zhǔn)，該批碎石檢驗(yàn)符合5～31.5 mm 連續(xù)粒級(jí)顆粒級(jí)配，符合II 類指標(biāo)技術(shù)要求，同時(shí)符合JGJ55- 2011 關(guān)于泵送混凝土粗骨料宜選用連續(xù)級(jí)配的相關(guān)規(guī)定。因此，本工程選用仁熱B場的碎石作為現(xiàn)場施工建筑用碎石。

2.4 混凝土拌合用水

混凝土拌合用水的選擇對(duì)混凝土性能有很大影響。要求所選的拌合用水所含物質(zhì)不得影響混凝土的和易性及凝結(jié)時(shí)間，不得降低混凝土的耐久性，同時(shí)不得有損混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。經(jīng)現(xiàn)場檢測：

在安哥拉寬扎河中心部位取水，目測清澈，無色無味，安設(shè)簡易過濾池進(jìn)行格柵過濾后，適宜攪拌混凝土。因此，本工程選用安哥拉寬扎河水作為混凝土拌合用水。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 混凝土配制強(qiáng)度的確定

混凝土配制強(qiáng)度（fcu，0）的計(jì)算式見式（1）。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和同類混凝土統(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算得本次配制C30 泵送混凝土試配強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差（б）為2.8MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算值不小于3.0 MPa 時(shí)，應(yīng)取3.0MPa，則б=3.0 MPa，fcu，0≥30+1.645×3.0=34.9 MPa。

3.2 水膠比的確定

水膠比影響混凝土流變性能、水泥漿凝聚性能，以及混凝土硬化后的密實(shí)程度，因此在組成材料給定的情況下，水膠比是決定混凝土強(qiáng)度、和易性、耐久性及其他一系列物理力學(xué)性能的主要參數(shù)，其過大或過小都會(huì)使強(qiáng)度等性能受到影響。水膠比過大會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，過小則容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)＜C60 級(jí)時(shí)，混凝土水膠比（W/ B）按式（2）計(jì)算。

式中：αa、αb——回歸系數(shù)；

fb——膠凝材料28d 膠砂抗壓強(qiáng)度實(shí)測值，MPa。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)粗骨料為碎石，則選用回歸系數(shù)αa=0.53，αb=0.20。P·O 42.5 膠凝材料28d 膠砂抗壓強(qiáng)度實(shí)測值（fb）取46.8 MPa。

則C30 混凝土水膠比計(jì)算見式（3）：

3.3 每立方米混凝土用水量的確定

本次為配制流動(dòng)性混凝土，根據(jù)施工現(xiàn)場條件，無外加劑或摻合料時(shí)，施工泵送要求坍落度為220±20mm。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)查表得出坍落度90mm 的用水量為205 kg，則坍落度為（220±2）mm 的用水量：mwo=205+（220- 90）/ 20×5=238kg。

3.4 每立方米混凝土的膠凝材料用量和水泥用量計(jì)算

每立方米混凝土的膠凝材料用量（mbo）的計(jì)算見式（4）。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，泵送混凝土膠凝材料用量不宜小于300kg/ m3。經(jīng)過多次試拌調(diào)整發(fā)現(xiàn)，每立方米混凝土的膠凝材料用量為384kg 時(shí)，滿足拌合物性能，且較為經(jīng)濟(jì)合理，所以本次試驗(yàn)?zāi)z凝材料用量取384kg。

因安哥拉建筑材料匱乏，沒有礦物質(zhì)摻合料可用，因此本次試驗(yàn)每立方米混凝土的水泥用量（mco）與膠凝材料用量相對(duì)，取384kg。

3.5 砂率的調(diào)整及確定

砂率（βs）根據(jù)骨料的技術(shù)指標(biāo)、混凝土拌合物性能，以及設(shè)計(jì)施工要求，可參考既有歷史資料來確定。水泥項(xiàng)目為中化二建在安哥拉的第一個(gè)項(xiàng)目，經(jīng)查閱沒有找到相關(guān)歷史資料。當(dāng)無歷史資料可參考時(shí)，坍落度大于60mm 混凝土的砂率可通過試驗(yàn)確定，在坍落度為10～60mm 混凝土砂率宜取36%的基礎(chǔ)上，按坍落度每增加20mm 砂率增大1%的幅度予以調(diào)整。

本次試驗(yàn)水膠比為0.62；粗骨料為碎石，最大粒徑為31.5mm；混凝土坍落度為220±20mm，則其砂率計(jì)算見式（5）。

3.6 粗骨料和細(xì)骨料用量的確定

采用質(zhì)量法計(jì)算混凝土配合比，計(jì)算公式見式（6）和式（7）。

式中：mcp——每立方米混凝土拌合物的假定重量，kg。

經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，參考一期水泥項(xiàng)目工程施工經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)mcp取2430kg。

根據(jù)以上公式得出有關(guān)粗骨料用量（mgo）和細(xì)骨料用量（mso）的計(jì)算方程，見式（8）和式（9）。

根據(jù)式（8）和式（9），得到mgo=1012kg，mso=796kg。

綜上，得出設(shè)計(jì)配合比數(shù)據(jù)值：W/ B=0.62；βs=44%；mco=384kg；mwo=238kg；mgo=1012kg；mso=796kg。

3.7 混凝土配合比的試配、調(diào)整與確定

混凝土配合比設(shè)計(jì)采用的細(xì)骨料含水率要求小于0.5%，粗骨料含水率要求小于0.2%。因此，在混凝土試配前要將砂、碎石進(jìn)行烘干晾曬以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.7.1 混凝土配合比的試拌

混凝土試配采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌方法與施工采用的方法相同。因粗骨料最大公稱粒徑為31.5mm，則混凝土試配的最小攪拌數(shù)量為20L，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的不小于攪拌機(jī)公稱容量的1/ 4 且不大于攪拌機(jī)公稱容量。

經(jīng)試拌，計(jì)算出的設(shè)計(jì)配合比數(shù)據(jù)能夠達(dá)到拌合物的性能，實(shí)測坍落度為220mm，從而提出C30 泵送混凝土的試拌配合比數(shù)據(jù)為：W/ B=0.62；βs=44%；mco=384kg；mwo=238kg；mgo=1012kg；mso=796kg。

3.7.2 混凝土配合比試配與強(qiáng)度試驗(yàn)

試配采用3 個(gè)不同的配合比進(jìn)行試拌，一個(gè)為試拌配合比，另外兩個(gè)在試拌配比的水膠比基礎(chǔ)上增、減0.05 為配合比；用水量不變，砂率增、減1%，則得出表1 所示數(shù)據(jù)。

表1 混凝土配合比試配與強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)使用150mm×150mm×150mm 的試模，每種配合比制作一組（3 塊）28d 標(biāo)養(yǎng)試件，其材料用量計(jì)算見式（10）和式（11）。

則3 個(gè)不同的配合比單組試模用量數(shù)據(jù)見表2。

制作混凝土強(qiáng)度試件時(shí)，在試驗(yàn)過程中要檢驗(yàn)混凝土拌合物的坍落度或維勃稠度、保水性、粘聚性，以及拌合物的表觀密度，以此結(jié)果來判定相應(yīng)配合比的混凝土拌合物的性能。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，調(diào)整制作每種配合比混凝土強(qiáng)度試件材料用量，若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不同水灰比的混凝土拌合物坍落度與要求值的差值超過標(biāo)準(zhǔn)允許偏差，就需要通過增、減拌合用水量進(jìn)行調(diào)整。

表2 三個(gè)不同的配合比單組試模用量

拌合完畢，將制作好的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，至28d后進(jìn)行試壓，試壓結(jié)果見表3。

表3 試件28d 后的試壓結(jié)果

3.7.3 配合比的調(diào)整與確定

依據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出混凝土強(qiáng)度與其相應(yīng)的膠水比（B/ W）的線性關(guān)系見圖1，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 混凝土強(qiáng)度與其相應(yīng)的膠水比

圖1 混凝土強(qiáng)度與其相應(yīng)膠水比的線性關(guān)系圖

由圖1 可見，配制C30 的混凝土強(qiáng)度(fce=34.9MPa)相對(duì)應(yīng)的B/ W 為1.61，即水膠比為0.62，從而可得出每平方米混凝土的材料用量（表5）。

表5 每平方米混凝土的材料用量

經(jīng)校正，強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)測得的混凝土表觀密度實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定校正公式計(jì)算出來的計(jì)算值之差的絕對(duì)值＜2%計(jì)算值，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從而確定以上配合比為設(shè)計(jì)配合比。

4 現(xiàn)場施工配合比質(zhì)量控制

施工現(xiàn)場屬熱帶草原氣候，雨季和旱季降水量差異非常大，氣溫高，濕度大，一天當(dāng)中早上和中午的砂、碎石含水率有很大差距。因此，在不同時(shí)段混凝土拌制時(shí)要對(duì)混凝土用水量進(jìn)行微調(diào)，使其達(dá)到最佳用水量，以滿足質(zhì)量控制。此外，現(xiàn)場施工配合比質(zhì)量控制還需對(duì)砂的含石量進(jìn)行測定。

4.1 施工配合比的調(diào)整確定

4.1.1 測定現(xiàn)場含水率

通過試驗(yàn)得出的配合比是以干燥的原材料為基準(zhǔn)的，而施工現(xiàn)場存放的砂、石材料達(dá)不到完全干燥的狀態(tài)，均含有一定的水分。所以需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際含水量對(duì)設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行修正，將試驗(yàn)室配合比換算為施工配合比。

根據(jù)長期對(duì)安哥拉現(xiàn)場砂、碎石的含水率測定得出，碎石含水率約為0.3%，砂含水率約為4.4%，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行調(diào)整，詳見表6。

表6 施工現(xiàn)場配合比調(diào)整數(shù)據(jù)

4.1.2 測定砂含石量

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場施工用砂進(jìn)行檢驗(yàn)，砂中9.5mm 以上顆粒含量為0，即含石量為0，因此對(duì)含石量可以不做考慮。

4.2 施工過程質(zhì)量控制

4.2.1 嚴(yán)格控制混凝土施工用水量

混凝土配合比在實(shí)際施工中可以根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行微調(diào)，但不代表可以隨意調(diào)整。在實(shí)際施工中，泵送混凝土的操作人員為避免堵泵，方便施工，往往會(huì)追求較大的坍落度，不管強(qiáng)度能否達(dá)到要求，擅自增加拌合物用水量。再加上混凝土運(yùn)輸車清理余料所用的水在罐中的剩余，以及現(xiàn)場施工質(zhì)檢員監(jiān)督管理不到位、未能嚴(yán)格控制水膠比等原因，均會(huì)引起混凝土用水量的偏離，使混凝土實(shí)際用水量大于理論配比用水量，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。在水泥項(xiàng)目施工時(shí)，為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，試驗(yàn)人員需要經(jīng)常到現(xiàn)場監(jiān)督，嚴(yán)格控制混凝土施工時(shí)的用水量，確?；炷僚浜媳鹊臏?zhǔn)確實(shí)施，保證混凝土強(qiáng)度和后期質(zhì)量跟蹤的真實(shí)性。

表7 混凝土配合比質(zhì)量跟蹤檢測數(shù)據(jù)

同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)場雨季高溫時(shí)每天12 點(diǎn)左右經(jīng)常會(huì)有強(qiáng)降雨，避開降雨時(shí)段進(jìn)行澆筑，以確保工程質(zhì)量。

4.2.2 嚴(yán)格執(zhí)行混凝土澆筑的溫控措施

針對(duì)雨季的高溫，施工宜在早晨和傍晚溫度相對(duì)低的時(shí)段進(jìn)行，并且盡量縮短混凝土運(yùn)送時(shí)間，裝車前對(duì)混凝土運(yùn)輸車罐體進(jìn)行澆水降溫，運(yùn)輸時(shí)避免高速攪拌，以減緩運(yùn)輸過程中骨料摩擦產(chǎn)生的熱量。采取以保溫保濕養(yǎng)護(hù)為主體，抗放兼施為主導(dǎo)的大體積混凝土溫控措施。施工前，參考澆筑當(dāng)天的氣溫，對(duì)施工階段大體積混凝澆筑體的溫度、溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力進(jìn)行試算，確定施工階段大體積混凝土澆筑的升溫峰值、里表溫差及降溫速率的控制指標(biāo)，采取拌合水中加冰屑以降低拌合水溫度，骨料用水沖洗降溫，以及避免暴曬等降低溫控技術(shù)措施，切實(shí)保證施工質(zhì)量。

4.2.3 嚴(yán)格執(zhí)行混凝土澆筑后期養(yǎng)護(hù)

混凝土配合比在施工中是否發(fā)揮作用和效果，不僅與混凝土施工中嚴(yán)格按照配合比參數(shù)執(zhí)行有關(guān)，更與后期養(yǎng)護(hù)有直接關(guān)系。對(duì)于大體積混凝土施工，應(yīng)持續(xù)保溫保濕養(yǎng)護(hù)≥14d，保持混凝土表面濕潤。只有嚴(yán)格執(zhí)行混凝土澆筑后期養(yǎng)護(hù)才能確保工程質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)的意義。

4.3 施工配合比質(zhì)量跟蹤檢測

水泥項(xiàng)目施工現(xiàn)場使用HZS- 90 攪拌站，采用SICOMA 雙臥軸攪拌機(jī)，自動(dòng)化微機(jī)操控，確保攪拌均勻，計(jì)量精確。采用混凝土罐車集中運(yùn)輸，澆筑時(shí)采用汽車泵或地泵。

經(jīng)檢測，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30 混凝土28d 實(shí)際試壓強(qiáng)度值均達(dá)到35MPa 以上，滿足施工要求，符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，詳見表7。

后期經(jīng)過對(duì)水泥項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，證明各項(xiàng)指標(biāo)滿足二期施工要求。項(xiàng)目順利建成并投產(chǎn)，以其優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量榮獲中國“化學(xué)工業(yè)境外優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)”。

5 結(jié)束語

高熱環(huán)境混凝土配合比設(shè)計(jì)除應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度等級(jí)、和易性、耐久性、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性和混凝土施工工藝特性等要求外，還應(yīng)符合合理使用材料、減少水泥用量、降低混凝土絕熱升溫值等要求。影響混凝土配合比設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度的因素有很多，因而要考慮的因素也較多。試配工作不是通過簡單的數(shù)字計(jì)算就可得出，它需要在檢驗(yàn)檢測過程中不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)、后期跟蹤、監(jiān)測反饋，才能更快、更準(zhǔn)確地完成混凝土配合比設(shè)計(jì)。同時(shí)，需要嚴(yán)格現(xiàn)場施工時(shí)配合比的質(zhì)量監(jiān)控，做到精細(xì)化管理，從而真正實(shí)現(xiàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)的精確和經(jīng)濟(jì)。