曹 霖

上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司 上海 200086

近年來(lái)，隨著工程建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)代工程形成了大跨度、超高層、重載荷及能適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的建筑模式，這就對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能和耐久性提出了更高的要求，也為高強(qiáng)混凝土提供了發(fā)展契機(jī)。C80高性能混凝土在確保建筑工程施工質(zhì)量的同時(shí)，能大幅度提升施工效率，此外，還能大幅度增加建筑工程的有效空間并降低工程成本。目前，國(guó)內(nèi)也多有C80～C100混凝土的研究報(bào)道和零星的工程應(yīng)用[1-5]，但針對(duì)C80高性能混凝土泵送性能和C80大體積混凝土溫升的研究較少。

1 工程概況

徐家匯中心虹橋路地塊項(xiàng)目位于上海市徐匯區(qū)核心地帶，作為大型城市高端綜合體，項(xiàng)目建成后將成為新的城市地標(biāo)。工程建筑總面積為772 643 m2，包括T1、T2塔樓、酒店與裙房。T1塔樓總高370 m，采用“勁性鋼骨混凝土框架柱＋鋼框架梁＋混凝土核心筒＋腰桁架”的結(jié)構(gòu)形式；T2塔樓總高220 m，采用“勁性鋼骨混凝土框架柱＋鋼筋混凝土梁＋混凝土核心筒”的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)造柱采用C80泵送混凝土澆筑。

2 試驗(yàn)原材料及測(cè)試方法

2.1 原材料

水泥采用海螺PII 52.5硅酸鹽水泥，粉煤灰選用優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)C類(lèi)灰，礦粉為S95級(jí)礦粉，硅灰為埃肯公司生產(chǎn)的硅灰，其SiO2含量為90%。外加劑選用復(fù)合麥斯特聚羧酸高性能減水劑（ACE8308）。石子選用符合JGJ 52—2006相關(guān)要求的粒徑5～20 mm精品整形石。黃砂選用符合JGJ 52—2006相關(guān)要求的級(jí)配良好、細(xì)度模數(shù)為2.7～3.0的天然中砂，含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.5%。

本研究采用的配合比如表1所示。其中S2配合比在S1配合比的基礎(chǔ)上調(diào)整了硅灰摻量、粗細(xì)骨料的比例和外加劑摻量，以求獲得良好的工作性能。

表1 C80混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 工作性能與力學(xué)性能測(cè)試

混凝土的工作性能參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)定擴(kuò)展度、倒錐時(shí)間和T500三項(xiàng)指標(biāo)?；炷恋牧W(xué)性能參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2.2.2 流變性能測(cè)試

混凝土流變性能采用丹麥ICAR混凝土流變儀進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中采集到的扭矩T和轉(zhuǎn)速N數(shù)據(jù)需要分別轉(zhuǎn)換成剪切應(yīng)力τ與剪切速度γ，繪制流變曲線，然后通過(guò)數(shù)據(jù)擬合建立經(jīng)驗(yàn)流變模型，從而自動(dòng)計(jì)算賓漢姆流變參數(shù)，即屈服應(yīng)力和塑性黏度。

2.2.3 混凝土測(cè)溫與水化熱模擬

混凝土測(cè)溫系統(tǒng)采用“混凝土溫度遠(yuǎn)程測(cè)控儀”，該系統(tǒng)采用全數(shù)字式方式對(duì)大體積混凝土水化熱過(guò)程中的溫度變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握混凝土的溫差波動(dòng)情況?；炷翜囟葴y(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 混凝土測(cè)溫點(diǎn)布置

目前，大體積混凝土熱工計(jì)算一般是按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工規(guī)范》中一維差分法進(jìn)行，但本工程澆筑的大體積C80混凝土柱最大尺寸為2.3 m×2.3 m× 5.0 m，有2個(gè)維度長(zhǎng)度僅2.3 m，均無(wú)法近似看作絕熱狀態(tài)。本文采用workbench有限元軟件進(jìn)行混凝土水化熱模擬?？紤]混凝土水化溫度對(duì)水化速度的影響，對(duì)混凝土水化放熱曲線進(jìn)行修正。根據(jù)其結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，取其1/8部分進(jìn)行仿真模擬研究，其三維模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 1/8混凝土柱建模與網(wǎng)格劃分（混凝土柱底部為厚1 m的混凝土層）

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 C80混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

從C80混凝土工作性（表2）來(lái)看，配合比S1所配制的C80混凝土黏度較高、包裹性較差，表面石子裸露，有輕微的離析現(xiàn)象，其工作性能也不能滿足工程要求。S1在經(jīng)過(guò)3 h的靜置后，混凝土坍落度損失嚴(yán)重，故未對(duì)擴(kuò)展度和倒錐時(shí)間進(jìn)行測(cè)試?？紤]后期的高泵送要求，應(yīng)適當(dāng)降低外加劑摻量；此外，在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)減少硅灰的用量可以降低混凝土的黏度，有利于保證混凝土的流動(dòng)性指標(biāo)。

表2 C80混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度

在此基礎(chǔ)上，配合比S2通過(guò)砂率的提高、外加劑摻量的降低和硅灰摻量的降低，使混凝土的包裹性更好，從擴(kuò)展度和倒錐時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)看，C80混凝土的黏度得到了有效的改善。

3.2 混凝土流變性能測(cè)試

針對(duì)配合比S2，為研究C80混凝土的可泵性，本文對(duì)比研究了靜置與攪拌車(chē)拌和狀態(tài)下C80混凝土的經(jīng)時(shí)工作性能和流變性能，結(jié)果如表3所示。

表3 靜置與攪拌車(chē)拌和狀態(tài)下C80混凝土的經(jīng)時(shí)工作性能和流變性能

從擴(kuò)展度的數(shù)值變化來(lái)看，經(jīng)過(guò)2 h和3 h之后，攪拌車(chē)攪拌狀態(tài)下的C80混凝土工作性損失并不明顯。而靜置狀態(tài)下的C80混凝土經(jīng)過(guò)3 h之后，工作性損失較為明顯。從倒錐時(shí)間和T500時(shí)間來(lái)看，2 h后的流動(dòng)性反而比初始狀態(tài)更佳，這主要與外加劑的緩釋作用有關(guān)，可以有效地減輕混凝土的經(jīng)時(shí)損失。

對(duì)于屈服應(yīng)力和塑性黏度2個(gè)流變參數(shù)而言，2 h攪拌車(chē)拌和后的混凝土仍保持初始的流變性質(zhì)，而經(jīng)過(guò)2 h靜置或3 h拌和后，塑性黏度開(kāi)始增大，說(shuō)明流動(dòng)性開(kāi)始變差。針對(duì)攪拌車(chē)攪拌下的C80混凝土，其3 h塑性黏度為66.3 Pa·s，結(jié)合C80混凝土柱現(xiàn)場(chǎng)泵送施工（如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)泵送壓力為28 MPa），可見(jiàn)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比S2能夠滿足高強(qiáng)混凝土的泵送施工需求。

圖3 C80混凝土柱泵送施工

3.3 C80大體積混凝土柱水化熱模擬與測(cè)溫

3.3.1 膠凝材料放熱曲線的建立

膠凝材料的放熱曲線是進(jìn)行混凝土水化熱分析的前提條件，目前膠凝材料放熱擬合公式有很多種，本文選取雙曲線型進(jìn)行擬合計(jì)算。對(duì)S2配合比所用膠凝材料進(jìn)行水化熱測(cè)定，結(jié)果如表4所示。

表4 水化熱測(cè)試結(jié)果

通過(guò)雙曲線擬合得到膠凝材料的放熱曲線，并對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得膠凝材料的生熱率為：

水泥水化溫度能顯著影響水泥水化速度。由于水化熱的作用，澆筑前期大體積混凝土溫度會(huì)迅速升高，促進(jìn)水泥水化，從而加快混凝土水化放熱。因此，需要考慮大體積溫升對(duì)生熱率的影響。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響一般滿足Arrhenus方程：

式中：k——化學(xué)反應(yīng)速度；

T——絕對(duì)溫度；

E——化學(xué)活化能；

R——?dú)怏w常數(shù)。

根據(jù)Arrhenus方程可知，當(dāng)溫度分別為T(mén)1，T2，混凝土的水化速度分別為k1，k2時(shí)，則有以下公式：

同時(shí)，生熱率為時(shí)間相關(guān)函數(shù)，水化速度增大相當(dāng)于時(shí)間加速：

由式（1）、式（3）、式（4）可得：

令T1為293 K，T2在實(shí)際柱中各處均不相同，混凝土外層有膠合板包裹，散熱較慢，選用20 ℃時(shí)放熱曲線的絕熱溫度作為混凝土水化溫度，即：

式中：W——每方混凝土膠凝材料用量；

C——混凝土比熱容；

ρ ——混凝土密度；

t ——時(shí)間。

3.3.2 混凝土水化熱模擬

采用workbench有限元軟件對(duì)混凝土進(jìn)行模擬計(jì)算，混凝土內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示?；炷吝_(dá)到最高溫度時(shí)的溫度場(chǎng)如圖5所示。

圖4 混凝土內(nèi)部最高溫度 隨時(shí)間變化曲線

圖5 混凝土達(dá)到最高溫度 時(shí)的溫度場(chǎng)

從圖4可以看出，混凝土內(nèi)部溫度先升高后降低，最高溫度在34 h左右達(dá)到最大，最高溫度為89 ℃。

3.3.3 混凝土水化熱實(shí)測(cè)對(duì)比

通過(guò)對(duì)預(yù)埋測(cè)溫元件的監(jiān)測(cè)，可以得到混凝土的升曲線，如圖6所示。

圖6 C80混凝土溫升監(jiān)測(cè)

將各個(gè)位置垂直線上的最高溫度及最高溫度出現(xiàn)時(shí)間的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表5可以看出，該模擬可以較為準(zhǔn)確地反映C80大體積混凝土柱內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)，為后續(xù)施工提供一定參考價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)降低硅灰摻量、調(diào)整砂率、降低外加劑摻量，能夠配制出工作性能與力學(xué)性能良好的C80高性能混凝土。

2）攪拌狀態(tài)下的C80混凝土3 h擴(kuò)展度與倒錐時(shí)間經(jīng)時(shí)損失較小，塑性黏度為66.3 Pa·s，能夠順利進(jìn)行泵送施工，為長(zhǎng)距離的高強(qiáng)混凝土泵送澆筑提供了一定的參考價(jià)值。

3）基于workbench有限元軟件對(duì)C80大體積混凝土溫升模擬與現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，證明本試驗(yàn)所提出的計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確地模擬出大體積混凝土內(nèi)部溫度的發(fā)展。