C50-C60級(jí)結(jié)構(gòu)用雙摻粉煤灰砼設(shè)計(jì)

◎ 徐州市三環(huán)路公路管理站 何 銀

設(shè)計(jì)研究基本目標(biāo)：

在徐州公路結(jié)構(gòu)物高強(qiáng)砼使用粉煤灰和雙摻技術(shù)方面取得突破。除保證設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度外，通過(guò)雙摻技術(shù)，得到較優(yōu)良的工作性，控制早期強(qiáng)度，提高后期強(qiáng)度，保證減少收縮，防止裂縫，取得較穩(wěn)定和靠得住的高強(qiáng)砼施工保證率。本次設(shè)計(jì)的雙摻粉煤灰砼為C50-C60級(jí)高強(qiáng)砼，坍落度為90-110mm，適宜橋梁等結(jié)構(gòu)物實(shí)用。

原材料情況：

本次設(shè)計(jì)所用石料選用反擊式石灰?guī)r碎石，針片狀少，含泥量小，級(jí)配合成結(jié)果良好且實(shí)際運(yùn)用時(shí)碎石級(jí)配波動(dòng)小。水泥為巨龍P.II52.5R水泥，據(jù)規(guī)范要求宜不用R型水泥，但受地材限制，本次仍采用R型水泥。粉煤灰為華潤(rùn)電廠I級(jí)粉煤灰。外加劑為徐州超力公司所產(chǎn)CNF-1B型緩凝高效減水劑。黃砂產(chǎn)地為邳州，細(xì)度模數(shù)2.60。

原材料具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)后續(xù)圖表：

表1 碎石級(jí)配合成情況

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

表3 CNF-1B緩凝高效減水劑技術(shù)指標(biāo)

配合比設(shè)計(jì)：

1.基本程序和方法：先按常規(guī)砼設(shè)計(jì)方法，求取基準(zhǔn)砼的水灰比基準(zhǔn)用水量和水泥用量。然后以超量取代法計(jì)算粉煤灰摻量和保留水泥用量，以保持總膠量基本不變?yōu)樵瓌t，按實(shí)際試驗(yàn)確定的外加劑減水率計(jì)算用水量和相應(yīng)的水膠比，求取雙摻粉煤灰砼的基準(zhǔn)配合比。再通過(guò)試配檢驗(yàn)并經(jīng)調(diào)整試驗(yàn)，得出設(shè)計(jì)配合比。

2、變換粉煤灰摻量按照設(shè)計(jì)目標(biāo)要求和可行條件，做兩組配合比設(shè)計(jì)，并適當(dāng)調(diào)整水膠比再作兩對(duì)比組進(jìn)行比較優(yōu)選。下階段擬變換水泥和外加劑品種等，進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)。

3.幾項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)性控制要求：

（1）水泥采用52.5級(jí)（宜不用R型）。

（2）外加劑采用緩凝高效減水劑，最佳減水率在20%以上。

（3）總膠量不大于600kg/m3,其中水泥用量不大于500kg/ m3,粉煤灰總摻量不大于30%。

（4）用水量宜控制在150-175kg/ m3之間，水膠比宜控制在0.26-0.35之間，砂率宜控制在28%-34%之間。

4、幾項(xiàng)基本指標(biāo)的選擇和試驗(yàn)：

（1）雙空白基準(zhǔn)砼水灰比（雙空白指粉煤灰和外加劑皆為零）

采用公式：

（2）雙空白基準(zhǔn)砂率及用水量（見(jiàn)表4）：

綜合表4中數(shù)據(jù)分析：在參照規(guī)范要求選定的砂率28%-34%區(qū)間內(nèi)，坍落度與砂率成反比。選取第5組為雙空白的基準(zhǔn)組別，βs＝30%為最優(yōu)砂率，用水量為225 kg/m3。

（3）外加劑減水率試驗(yàn)（見(jiàn)表5和表6）：

（4）粉煤灰的減水作用試驗(yàn)：（見(jiàn)表7）

據(jù)分析表6，0.9%摻量為未摻粉煤灰砼最優(yōu)減水劑摻量，此時(shí)單位用水量為157kg/m3，水泥用量不變，仍為500kg/m3。結(jié)合表7，因粉煤灰有一定減水作用，故用于雙摻水泥砼時(shí)減水劑摻量為0.8%，以總膠量為基數(shù)計(jì)算，其單位用水量仍為157kg/m3。

表4

表5：（Wo＝225，Co＝500，βs＝30%）

表6：減水率曲線

表7

5、分組配合比設(shè)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表8）：

本次共設(shè)計(jì)五組配合比。甲組為單摻外加劑砼，作為考察摻加粉煤灰效果的基礎(chǔ)。乙、丙兩組粉煤灰取代量分別為20%、25%，其水泥用量由甲組水泥用量根據(jù)粉煤灰取代量計(jì)算得來(lái)，粉煤灰超摻系數(shù)均為1.25。丁、戊兩組分別對(duì)應(yīng)乙、丙兩組向上浮動(dòng)0.02水膠比，用水量不變，總膠量略有減少。由于水膠比較小，不推薦向下浮動(dòng)水膠比的做法。

設(shè)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果分析及配合比優(yōu)選

本階段設(shè)計(jì)研究，從強(qiáng)度、工作性和收縮值三個(gè)方面重點(diǎn)選擇抗壓強(qiáng)度、坍落度、凝結(jié)時(shí)間、坍落度經(jīng)時(shí)損失以及收縮值等指標(biāo)，進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比，并做經(jīng)濟(jì)成本分析。結(jié)果見(jiàn)附表9—表 13。

強(qiáng)度：本次雙摻粉煤灰砼的強(qiáng)度基準(zhǔn)是C50級(jí)，考慮施工及使用需要，要求3-7天強(qiáng)度達(dá)到C50級(jí)，28天標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度按C60級(jí)控制，具有較可靠的強(qiáng)度保證率。所做的四組均符合上述要求，且強(qiáng)度發(fā)展平穩(wěn)適當(dāng)，規(guī)律性顯著，并均優(yōu)于單摻外加劑砼（早期強(qiáng)度過(guò)高，后期增長(zhǎng)不明顯）。表明本方法設(shè)計(jì)的雙摻粉煤灰砼具有強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。

工作性：所做四組的坍落度，均符合目標(biāo)要求（高于密配筋砼規(guī)范推薦范圍一個(gè)檔次），試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，粉煤灰摻量與坍落度增減關(guān)系明確。拌和物的和易性、抗離析和保水性良好。砼的初終凝時(shí)間明顯延長(zhǎng)。坍落度經(jīng)時(shí)損失得到一定控制，半小時(shí)坍損約1/3，叫單摻外加劑砼減少（單摻外加劑砼坍損一般在1/2左右）。可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的高強(qiáng)雙摻粉煤灰砼常規(guī)工作性良好，并可在一定條件下泵送。

表8

收縮值：雙摻粉煤灰砼收縮絕對(duì)值比單摻外加劑砼收縮值可減少1/3，且在室內(nèi)自然條件下發(fā)展緩慢、均衡。表明在最佳膠凝物比例范圍內(nèi)摻加粉煤灰，可以提高砼的體積穩(wěn)定性，控制構(gòu)造物裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

甲組與乙丙丁戊四組對(duì)比分析：

（1）從強(qiáng)度方面分析，甲組初期強(qiáng)度高于其他四組，至28天齡期是彼此接近，60天齡期非常接近，90天齡期甲組強(qiáng)度低于其他四組，符合粉煤灰砼強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。

（2）從初、終凝時(shí)間方面分析，甲組初終凝時(shí)間明顯早于其他四組，符合粉煤灰起緩凝作用的原理。

（3）從收縮值方面分析：甲組收縮高于其他四組，說(shuō)明摻加一定量粉煤灰有減少收縮，改善水泥砼體積穩(wěn)定性的作用。

（4）從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面分析，甲組原材料成本高于其他四組。

乙丙兩組對(duì)比分析：

（1） 強(qiáng)度方面：乙、丙兩組發(fā)展規(guī)律類似，但乙組早期強(qiáng)度略高于丙組，至28天齡期后兩組基本接近。

（2）工作性方面：

A 因粉煤灰有一定減水作用，丙組粉煤灰摻量高于乙組，則坍落度丙組大于乙組。

B 由于粉煤灰的緩凝作用，丙組坍落度經(jīng)時(shí)損失小于乙組，而且丙組初終凝時(shí)間與乙組比較初終凝時(shí)間明顯推遲。

(3) 收縮方面:

乙組因粉煤灰摻量較少，其后期收縮值大于丙組。

乙與丁、丙與戊各自比對(duì)分析：

(1)強(qiáng)度方面：丁、戊兩組各自對(duì)應(yīng)乙、丙兩組增加0.02水膠比，強(qiáng)度很接近，丁、戊兩組稍偏低，特別是3-7天強(qiáng)度表現(xiàn)比較明顯，這與水泥用量較少，早期粉煤灰作用尚不明顯有關(guān)。

(2)工作性方面：乙與丁比較和丙與戊比較，坍落度相同或接近。

(3)收縮值方面：乙組后期收縮值較大。戊組收縮值明顯高于其他三組，相比而言屬于劣勢(shì)，與水泥用量過(guò)于偏少有關(guān)。

(4)經(jīng)濟(jì)成本方面：乙略高于丁，丙略高于戊。

丙組與丁組比對(duì)分析：

(1)強(qiáng)度方面：二者強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本相同。

(2)工作性方面：因粉煤灰取代量不同，二者坍落度有所差別，丙組略高于丁組。據(jù)此，可以在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整粉煤灰取代量來(lái)達(dá)到小幅調(diào)整坍落度的目的，而無(wú)須改變用水量和外加劑摻量。

(3)收縮值方面：二者收縮值基本相同。

(4)經(jīng)濟(jì)成本方面：二者原材料估算成本幾無(wú)懸殊。

配合比優(yōu)選：綜合各種指標(biāo)推薦丙、丁兩組為本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究的優(yōu)選配合比。兩者的各項(xiàng)性能指標(biāo)及其變化規(guī)律基本相同，經(jīng)濟(jì)成本也相近，只是坍落度略有差別。可根據(jù)原材料條件，特別是工作性要求作一定選擇。

限于本試驗(yàn)室條件，采用150mm×150mm×550mm規(guī)格小梁抗折試塊，兩端安裝千分表，并暴露于室內(nèi)干燥陰涼處，分齡期觀測(cè)收縮值。結(jié)果不十分精確，但有較好對(duì)比價(jià)值，可供參照。

表9：150mm*150mm試件強(qiáng)度

表10：初終凝時(shí)間

表11：坍落度經(jīng)時(shí)損失

表12：收縮值

表13 原材料成本估算

設(shè)計(jì)和施工中必須強(qiáng)調(diào)的要點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)方法中需要注意的兩個(gè)問(wèn)題：

在采用低水膠比和控制總膠量中粉煤灰不大于30%兩個(gè)前提下，一定時(shí)段內(nèi)水泥和粉煤灰都不可能完全水化，因此沒(méi)有必要按現(xiàn)行規(guī)范將超摻的粉煤灰作為填料排除在總膠量和水膠比計(jì)算之外。本設(shè)計(jì)方法是把超摻部分的粉煤灰一并列入總膠量，參與水膠比計(jì)算。

由水泥強(qiáng)度和水泥用量構(gòu)成的水泥強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，是決定水泥砼強(qiáng)度的一個(gè)控制因素，對(duì)高強(qiáng)砼而言更為重要。本設(shè)計(jì)方法中按雙空白基準(zhǔn)砼水泥用量以超摻法求取的總膠量，在計(jì)算雙摻砼基準(zhǔn)水膠比以及試配檢驗(yàn)過(guò)程中原則上應(yīng)保持不變。大于600kg/m3，按規(guī)范要求采用600kg/ m3設(shè)計(jì)。調(diào)整配合比時(shí)，水膠比變化幅度不應(yīng)超過(guò)0.02-0.03，以防總膠量過(guò)分減少。

（2）粉煤灰必須采用I級(jí)以上粉煤灰，并經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)定。

（3）高效減水劑，必須進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，而且施工時(shí)必須逐批次對(duì)比試驗(yàn)。

（4）工地試驗(yàn)室作生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)，必須采用強(qiáng)制式機(jī)械拌制設(shè)備，改變用水量必須另作試驗(yàn)，粉劑型外加劑不得先加水拌和，摻加方式為后摻法。施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁以加水，加水泥粉煤灰漿方式調(diào)整坍落度。緊急情況處理可加少量外加劑復(fù)拌，恢復(fù)一定坍落度，必要時(shí)經(jīng)試驗(yàn)確定外加劑摻量。

（5）雙摻粉煤灰砼必須采用濕水養(yǎng)護(hù)，并適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以防止裂縫和保證強(qiáng)度正常增長(zhǎng)。

（6）高強(qiáng)雙摻粉煤灰砼因強(qiáng)度較有保證，設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)將提高工作性和防止裂縫放在重要位置，決不能認(rèn)為只要達(dá)到強(qiáng)度就萬(wàn)事大吉，其他都可以忽略不計(jì)。

主要結(jié)論

本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究的高強(qiáng)雙摻粉煤灰砼與一般高強(qiáng)砼相比，在低用水量、低水膠比、保塑性（減少坍損）、增強(qiáng)性（早期強(qiáng)度稍低，后期增強(qiáng)明顯而平穩(wěn)）、體積穩(wěn)定性（收縮?。┖徒Y(jié)構(gòu)密實(shí)抗離析等方面，具有一定程度的高性能特征。其強(qiáng)度、工作性和抗縮裂能力較有保證，且經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，基本達(dá)到研究目標(biāo)要求。

目前國(guó)標(biāo)尚無(wú)高強(qiáng)砼配合比設(shè)計(jì)的明確規(guī)范。本設(shè)計(jì)采用的程序方法要點(diǎn)是：先設(shè)計(jì)常規(guī)基準(zhǔn)砼配合比，作為雙摻粉煤灰砼設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；以粉煤灰超量取代水泥的方法（超摻法）計(jì)算粉煤灰用量和總膠量，并控制粉煤灰摻量不超過(guò)最優(yōu)膠凝物比例；在雙摻粉煤灰砼基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)計(jì)算及試配檢驗(yàn)過(guò)程中，以保持總膠量基本不變?yōu)榍疤?，不采用水灰比不變的原則。通過(guò)試驗(yàn)研究表明本方法的過(guò)程和結(jié)果都比較合理、穩(wěn)定，可供同類設(shè)計(jì)參酌。

推薦丙、丁兩組為優(yōu)選配合比，可供目標(biāo)結(jié)構(gòu)物生產(chǎn)試驗(yàn)和工程應(yīng)用。

設(shè)計(jì)和施工中要確保砼原材料品質(zhì)，主要是粉煤灰必須保證在一級(jí)以上，高效減水劑質(zhì)量必須穩(wěn)定并經(jīng)逐批檢驗(yàn)認(rèn)可。

雙摻粉煤灰砼現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)是關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，必須確保濕水養(yǎng)護(hù)并適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以保證粉煤灰作用的發(fā)揮和早期收縮裂縫。