详解:高性能混凝土配合比设计优化软件系统基于青岛地铁工程的混凝土收缩试验研究赵光泉1，刘方克1，李克先1，邢建军1，肖卫杰1，朱光涛1，李秋义2

（1.青岛市地铁一号线有限公司，山东 青岛266000；2.青岛理工大学，山东青岛266033）

摘要：试验分别研究了胶凝材料体系及用量、胶水比等相关因素对混凝土收缩性能的影响，以实现青岛地铁用混凝土中矿物掺合料的最大化利用。采用折线图的形式，依次列出各影响因素与混凝土收缩之间的线性关系，并分析了混凝土胶凝材料体系及用量、胶水比等因素对混凝土收缩性能的影响规律。结果表明，随混凝土胶凝材料用量的增加、胶水比的增大、矿物掺合料比例的降低及水泥强度等级的增大，混凝土的收缩率均出现不同程度的增长。且结合前期数据，使用P.I 42.5水泥，矿物掺合料掺量40%时和使用P.I 52.5水泥，矿物掺合料掺量50%时，其收缩性能和强度性能均较为接近，能较好的满足青岛地铁用混凝土的要求，胶凝材料的用量也较少。

关键字：混凝土，收缩，胶水比，胶凝材料，地铁工程

0 引言

工程上，现浇混凝土的早期开裂已成为常见问题。近年来，各种高性能混凝土的工程推广应用极大地推动了混凝土技术的发展，但是混凝土由于各种原因引起的开裂问题并未得到很好的控制和解决，甚至有所加剧。[1-3]尤其是大体积混凝土在施工过程中产生裂缝的问题更为严重，这不仅给施工单位的工作增加难度，也给后期的工程质量提出了不小的考验。研究表明，大体积混凝土产生裂缝的形式为温度裂缝、收缩裂缝及钢筋锈蚀产生的裂缝等。而由于混凝土内部产生温度应力而造成的混凝土开裂已成为主要原因。大体积混凝土在浇筑完成后，其内部的水泥迅速发生水化反应，将产生大量热能，而这使得混凝土内部的温度急剧升高，同时由于混凝土体积较大，热能散出较慢，这就造成了混凝土内外的巨大温差。而当内外温差超过25℃时，其温度会超过其抗拉强度，从而使得混凝土出现裂缝。[4-6]众所周知，大体积混凝土的内部温度经常会超过70℃，所以降低混凝土水化热，从而减少混凝土收缩率成为控制大体积混凝土开裂的主要手段。

本试验是在不同水泥品种下采用大掺量的矿物掺合料体系，以不同的胶凝材料体系及用量、胶水比等配制地铁用混凝土，研究各项变量对混凝土收缩性能的影响。并结合前期混凝土工作性能和力学性能试验研究结果，对比得出的最优化配合比，以期系统性的改善地铁混凝土开裂问题。

1试验设计

1.1 试验用原材料

水泥：采用山铝P·I 42.5普通硅酸盐水泥、山铝P·I 52.5普通硅酸盐水泥，其物理力学指标见表1；

粉煤灰：采用华电莱州产F类I级粉煤灰；

矿粉：采用青岛中矿宏远产S95级矿粉；

细骨料：采用莱西大沽河产中砂，细度模数为2.6，级配良好，符合JGJ 52-2012要求，详见表2；

天然粗骨料：采用莱西李权庄石场产5~25mm连续级配碎石，符合JGJ52-2006要求，详见表3；

减水剂：采用中铁某局提供聚羧酸高效减水剂，减水率为30%；

水：采用自来水。

1.2试验方案

本试验是在大掺量的矿物掺合料体系下进行配合比设计，混凝土砂率为40%，胶凝材料的用量依次为350 kg•m-3、390 kg•m-3、430 kg•m-3、470 kg•m-3和510 kg•m-3，矿粉及粉煤灰1:1进行复掺，减水剂的用量为混凝土胶凝材料用量的1.4%，依据《预拌混凝土国家标准》（GB/T 14902－2012）试配混凝土时通过控制拌合物的坍落度在180～220 mm范围内来调整混凝土的用水量。依据《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082－2009）通过测试收缩率，分别研究胶凝材料体系及用量、胶水比对混凝土收缩性能的影响，试验配合比见表4。

2结果与分析

本试验通过控制拌合物的坍落度在180～220 mm范围内来调整用水量。试验时，按照《混凝土混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082－2009）制作试块并养护，在试块到达龄期后，对其1d、3d、7d、14d、28d的收缩率进行测定计算。依据测定的混凝土收缩率可以得到胶凝材料用量、胶水比与混凝土收缩率的线性关系，并可分析其对混凝土收缩性能的影响。具体收缩率数据见表5。

2.1 胶凝材料体系及用量对混凝土收缩的影响

混凝土收缩率与胶凝材料用量的线性关系如图1所示。

由图1分析可得：

（1）混凝土的收缩率随胶凝材料用量的增多而急剧升高，这主要是由于胶凝材料越多，混凝土水化放热越多，收缩也就越大。[7-8]

（2）混凝土的收缩率随龄期的增长，呈现出先增长，后平稳的趋势。尤以7d-14d收缩率增长最为明显，前期和后期收缩率则增长较为平缓。这主要是由于混凝土前期水化放热速率较快，混凝土迅速凝结硬化。温度的急剧升高后缓慢降低，混凝土内部有较大的温度应力，这很大程度上影响了混凝土的收缩。而且随着混凝土温度的下降，其内部的温度应力作用逐渐减弱，混凝土收缩明显增强。而14d后，混凝土强度增长缓慢，放热较小，内部温度应力也逐渐均衡，故其收缩率变化较小。

（3）矿物掺合料比例为50%的混凝土的收缩率明显小于矿物掺合料比例为40%的混凝土，使用P·I42.5水泥的混凝土的收缩率明显小于使用P·I52.5水泥的混凝土。这是由于矿物掺合料的比例越大，水泥的用量就越少。而水泥的水化放热量明显多于矿物掺合料，而混凝土凝结硬化过程中产生的放热量越少，对其收缩性能的影响就会越小。横向对比相同的收缩率也可以看出，相同收缩率的情况下，矿物掺合料用量越少，水泥强度等级越高，其所需要的胶凝材料用量就越少。

2.2 胶水比对混凝土收缩性能的影响

混凝土收缩率与胶水比的线性关系如图2所示。

由图2分析可得：

（1）随着胶水比的增大，混凝土各龄期的收缩率随胶水比的增大均逐渐升高 且其增长趋势明显。这主要是由于，当用水量一定时，胶水比越大，混凝土的胶凝材料用量越多，混凝土凝结硬化时的放热量也就越多，从而其收缩率就越大。相反的是胶水比越大，混凝土的强度就越高，故收缩值的判定需结合混凝土的强度值等具体分析。

（2）结合前期的混凝土强度数据可知，使用P.I 42.5水泥，矿物掺合料用量为40%时，较使用P.I 52.5水泥，矿物掺合料用量为50%，混凝土早期抗压强度相差不大。这在图中，两组混凝土的收缩较为接近，也印证了其强度趋势。这主要也是由于前期混凝土强度的增长主要依靠水泥的水化，水泥水化提供的强度支撑与其收缩率的增长成正比。

3结论

（1）随胶凝材料用量的增多，混凝土的凝结硬化放热越多，不同龄期的混凝土收缩率也均逐渐增大。

（2）混凝土的收缩率随龄期的增长，呈现出先增长，后平稳的趋势。尤以7d-14d收缩率增长最为明显，前期和后期收缩率则增长较为平缓。

（3）随矿物掺合料比例的增大，混凝土的收缩率逐渐减小；随水泥强度等级的增大，混凝土的收缩率逐渐增大。

（4）结合前期试验数据可知，水泥强度等级越高混凝土强度越高，矿物掺合料用量越多强度越低。使用P.I 42.5水泥，矿物掺合料用量为50%时，收缩率虽然最小，但其强度也较低。使用P.I 52.5水泥，矿物掺合料用量为40%时，强度虽然最高，但其收缩率也较大。而使用P.I 42.5水泥，矿物掺合料用量为40%时和使用P.I 52.5水泥，矿物掺合料用量为50%时，其收缩和强度均较为接近，能较好的满足地铁用混凝土的要求，且胶凝材料的用量也有所减少。

参考文献：

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[10] 黄士元, 蒋家奋, 杨南如. 近代混凝土技术[M].陕西科学技术出版社，1998.

[11] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社，1997.

作者简介：赵光泉（1973-），男，工程硕士，教授级高工，主要从事项目管理和建筑材料等方面的研究工作。

联系地址：山东省青岛市市北区常宁路6号青岛地铁大厦（266000）。

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