1 工程概况

本研究以特定水泥及其地下室工程为案例研究对象。该工程的主楼基础面积约为2,800 m²，采用桩筏基础结构。主楼部分的基础底板厚度达3.0m，所使用的混凝土具有C40的抗压强度等级和P8的抗渗等级。施工时间恰逢夏季，环境气温平均维持在30摄氏度以上，这种高温环境容易导致混凝土产生裂缝。因此，为确保底板大体积混凝土施工的质量，本研究通过精心材料选择、配合比优化以及强化温度监控等措施，以更好地满足高温条件下混凝土施工的特殊需求^[1]。

2 大体积混凝土的原材料

2.1 水泥

本工程采用了P·O42.5普通硅酸盐水泥，并通过掺入粉煤灰和矿渣粉以及适量的外加剂来减少水泥用量，以缓解水泥水化反应释放的热量^[2-3]。水泥的力学性能指标包括标准浆体的稠度用水量、凝结时间、水化热和强度等，详细信息见表1。

表1 水泥力学性能指标

2.2 矿物掺合料

2.2.1 粉煤灰

为满足大体积混凝土工程施工需求，并考虑当地粉煤灰供应情况，本工程采用了Ⅱ级F类粉煤灰，其细度为14㎛至25㎛（通过45㎛方孔筛筛余物不超过25%），密度为2,400kg/m³，含水量为0.1%，SO3含量为2.34%，需水量比为98%，增强强度活性指数为77。值得注意的是，粉煤灰与水泥之间不存在不良反应^[4]。

2.2.2 矿渣粉

高炉矿渣在冷却后形成玻璃态物质，即高炉矿渣粉，这类材料在水冷却后具有较高的活性，可以用作水泥的活性混合材料。在大体积混凝土中掺入矿渣粉，由于其28天活性指数较高，能有效改善混凝土的流变性，便于施工，并提高混凝土的后期强度和耐久性^[5]。

在本水泥中，采用了S95级粒化高炉矿渣粉，其7天和28天活性指数分别为83%和102%，比表面积为491 m²/kg，流动度比为98%^[6]。

2.3 骨料

2.3.1 细骨料

根据规范的要求，建议选择含泥量不超过2%、细度模数在2.6至2.9之间的Ⅱ区中砂。本工程选用了含泥量为1.3%、细度模数为2.6的河砂，该细骨料的泥块含量不超过0.1%，表观密度和堆积密度分别为2,650 kg/m³和1,520 kg/ m³，级配见表2。

表2 细骨料（河砂）的级配

2.3.2 粗骨料

在选择粗骨料时，需要特别关注颗粒级配和最大粒径。本水泥采用5mm至31mm连续级配的石子作为粗骨料，其中针片状含量为4.6%，含泥量为0.20%，不包含泥块，表观密度为2,740 kg/ m³，压碎指标为6.8%。

2.4 外加剂

2.4.1 减水剂

由于施工期间气温较高，需要延缓水化热的释放速度，以避免混凝土过快凝结。因此，采用HPWR-R缓凝型聚羧酸减水剂，使大体积混凝土的初凝时间超过17小时，终凝时间约为20小时。初凝后，混凝土的强度会在短时间内显著提高。减水剂的性能指标包括减水率、pH值、抗压强度和密度等。

2.4.2 其他外加剂

SY-K抗裂防水剂的主要作用是控制大体积混凝土的收缩，以避免由于剧烈收缩而导致裂缝产生。

3基准配合比设计

3.1 配合比设计

3.1.1 混凝土配制强度

根据混凝土强度标准差σ=5.0，混凝土配制强度fcu,0

按以下公式计算：

式中：f_cu,0为混凝土配制强度，f_cu,k为混凝土设计强度（MPa）。

3.1.2 水胶比

水胶比计算公式如下：

式中：f_b为胶凝材料强度（MPa），此处取42.8 MPa;α_a,α_b为回归系数，分别取0.53,0.20。根据计算，W/B = 0.43。

3.1.3 混凝土的用水量

本工程的大体积混凝土的用水量经验上控制在165 kg/m³。

3.1.4 原材料用量

水泥用量（m_c0）= 260 kg/ m³；粉煤灰用量（m_f10）= 80 kg/ m³；矿渣粉用量（m_f20）= 80 kg/ m³；减水剂用量（m_a0）= 9.5 kg/ m³；膨胀剂用量（m_a1）= 34 kg/ m³。

3.1.5 砂率

大体积混凝土的砂率应在35%～42%之间，因此我们确定砂率β_s=40%，以确保施工方便且质量可靠。

3.1.6 砂和石的用量

砂和石的总用量可以通过以下计算得出

1）混凝土密度的计算

m_cp=m_b0+m_w0+m_g0+m_s0+m_a0=2 360 kg/m³（混凝土的假定密度）

2）砂、石总量的计算

砂用量：m_s0=m_g0+m_s0·β_s=709 kg/m³;

砂石总量：m_g0+m_s0=m_cp-m_b0-m_w0-m_a0=1 767 kg/m³。

初步计算后，确定强度等级C40、抗渗等级P8的混凝土的砂率为40%，水胶比为0.43。

4.2 性能试验

混凝土的基本性能包括坍落度、扩展度和凝结时间（初凝960分钟，终凝1,150分钟）。混凝土强度方面，我们考虑了7天、14天、28天和60天的强度，抗压强度分别为24.1 MPa、32.8 MPa、40.1 MPa和48.3 MPa。试验结果见表3。

表3 C40P8混凝土基本性能

5 大体积混凝土的理论温差计算

5.1 入模温度计算

在施工期间，当地的平均气温超过30℃，因此需要严格控制混凝土的入模温度，以防止温度异常导致裂缝的产生。为了实现这一目标，采取以下具体方法：通过洒水方式来降低砂石的温度，将其调整至适宜的22℃；同时，将大气平均温度设定为30℃，并将砂的含水率控制在4%^[4]。

5.2 绝热温度计算

混凝土内部的最高温度（T_max）为54.5℃，而绝热温度（T_h）为54.4℃。在混凝土浇筑和振捣完成后，表面进行了草袋覆盖养护，表面与大气之间的最大温差为4.9℃，混凝土中心与表面之间的最大温差为19.6℃。这些数据满足了温度差异在25℃以内的要求，从而表明混凝土的温度分布合理，能够避免温度引起的应力裂缝的产生。这同时也证实了原材料的选择、配合比设计以及施工工艺的可行性。

6 大体积混凝土温度监测结果

监测结果中大体积混凝土的内部最高温度达到了58.9℃，同时其最大温差和最小温差分别为24℃和12.6℃。整个温度监测过程中，温差一直保持在25℃以内的范围内，这表明温度得到了有效控制。因此，大体积混凝土能够在适宜的温度下进行有效成型，实际施工效果与预期目标相符。

7 结论

综上所述，在水泥中，大体积混凝土的配合比设计需要确保强度标准，同时注重内部温度控制。为实现这一目标，需要精选原材料，合理调配各种材料，并严格按照科学的配比进行混凝土拌制、浇筑和振捣。浇筑完成后，立即覆盖保温材料，减小混凝土内外温差。通过热传感器监测大体积混凝土的温度，根据不同龄期的需求调整监测频率，判断实测温度及温差是否在许可范围内，并采取相应的温度控制措施，确保大体积混凝土在适宜的温度条件下有效成型，以确保施工的高质量和可靠性。

参考文献：

[1] 混凝土配合比设计影响因素及设计优化分析[J]. 钱嘉良.散装水泥,2023(02)

[2] 大体积承台混凝土配合比优化及有限元仿真分析[J]. 董胜勇;彭正中.科技创新与应用,2023(05)

[3] 大体积混凝土配合比设计及工程应用[J]. 王瑞亮;吴海丰;周志刚.工程建设与设计,2022(06)

[4] 建筑垃圾再生混凝土配合比设计与工程应用初探[J]. 谷雷雷;杨贝贝.工程建设与设计,2021(19)

[5] 混凝土的极限拉伸值研究综述[J]. 刘数华;方坤河.福建建材,2007

[6] 混凝土裂缝成因与控制[J]. 曲光明,张翀鹏,胡国晖.散装水泥,2005