阿聯(lián)酋與中國(guó)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的C40 混凝土的比較

周 康 王力尚 劉仍光 李 晶 楊建偉

(1 中國(guó)建筑股份有限公司中東有限公司，迪拜；2 清華大學(xué)土木工程系，北京100084；3 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 青島266109)

阿聯(lián)酋位于中東地區(qū)，屬于熱帶沙漠氣候，夏季漫長(zhǎng)，白天氣溫高達(dá)40.6-48.2℃，夜間最低氣溫也在30℃以上。近年來(lái)，阿聯(lián)酋經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建設(shè)投入不斷增加，開展了大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和房地產(chǎn)開發(fā)，混凝土的需求量很大。盡管受2008 年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，阿聯(lián)酋工程建設(shè)速度放緩，但近期建設(shè)市場(chǎng)開始復(fù)蘇。中資建筑公司在阿聯(lián)酋承攬了大量工程項(xiàng)目，混凝土是由當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵咎峁ｉ惻嘤宓萚1]介紹了阿聯(lián)酋混凝土生產(chǎn)和質(zhì)量控制情況，并與國(guó)內(nèi)混凝土現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比。為了使在阿聯(lián)酋的中方工程技術(shù)人員更好的掌握當(dāng)?shù)鼗炷恋男阅?，本文系統(tǒng)介紹了阿聯(lián)酋混凝土原材料的特點(diǎn)，分析了當(dāng)?shù)鼗炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)方法，并采用阿聯(lián)酋與我國(guó)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)兩組C40 混凝土，測(cè)試其強(qiáng)度發(fā)展。在阿聯(lián)酋高溫干燥環(huán)境下，新拌混凝土坍落度損失過快且早期開裂嚴(yán)重，為了改善此現(xiàn)象，在混凝土摻入預(yù)先吸水的SAP。本文測(cè)試了摻SAP 后對(duì)混凝土的坍落度和強(qiáng)度的影響。

1 原材料

阿聯(lián)酋所用混凝土的組成材料與國(guó)內(nèi)有所不同，水泥等材料一般遵循歐洲和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，首先介紹當(dāng)?shù)鼗炷恋慕M成原材料和使用標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 水泥

阿聯(lián)酋市場(chǎng)供應(yīng)的水泥一般遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN197-1，主要為CEM I 42.5N 波特蘭水泥和CEM II/B-V 32.5N 粉煤灰波特蘭水泥。CEM I 波特蘭水泥不含任何礦物摻合料，CEM II/B-V 粉煤灰波特蘭水泥含16%～31%的粉煤灰。本文試驗(yàn)所用水泥是由RAS AL KHAIMAH CEMENT COMPANY 生產(chǎn)的CEM I 42.5N 波特蘭水泥，水泥化學(xué)組成如表1 所示，物理性能如表2 所示。符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN197-1CEM I 42.5N 的要求。

1.2 高爐磨細(xì)礦渣粉(GGBS)

礦渣由日本、中國(guó)等地進(jìn)口，在當(dāng)?shù)啬ゼ?xì)加工，比表面積大約為450m2/kg。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6699 規(guī)定，用70%的磨細(xì)礦渣粉+30%CEM I 42.5N 波特蘭水泥混合，進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)確定其活性系數(shù)，要求復(fù)合膠凝材料膠砂28d 強(qiáng)度大于32.5MPa。當(dāng)?shù)氐哪ゼ?xì)礦渣粉供應(yīng)穩(wěn)定，價(jià)格低廉，是主要的礦物摻合料。根據(jù)BS 6699:1992標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的高爐磨細(xì)礦渣粉的化學(xué)組成如表3示。試塊28d 強(qiáng)度在(22±1)℃條件下測(cè)試，結(jié)果滿足BS 6699:1992 標(biāo)準(zhǔn)的要求。高爐磨細(xì)礦渣粉試驗(yàn)結(jié)果也符合ASTM C989-06 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 粉煤灰

當(dāng)?shù)氐姆勖夯矣捎《?、南非等地進(jìn)口，品質(zhì)穩(wěn)定，但價(jià)格高于磨細(xì)礦渣粉，主要用于生產(chǎn)粉煤灰波特蘭水泥，也稱為Powercrete Cement?；炷辽a(chǎn)商一般不愿意單獨(dú)使用粉煤灰摻入混凝土中。本文試驗(yàn)所用粉煤灰水泥是由RAS AL KHAIMAH CEMENT COMPANY 生產(chǎn)的粉煤灰水泥，是由70%波特蘭水泥+30%粉煤灰組成。粉煤灰水泥的化學(xué)組成和物理性能如表4 所示。

1.4 硅灰

硅灰由中國(guó)等地進(jìn)口，是一種當(dāng)?shù)爻Ｓ玫牡V物摻合料。當(dāng)需要改善混凝土的密實(shí)性，提高其耐久性和泵送性時(shí)，常使用膠凝材料總量5%～8%的硅灰。試驗(yàn)所用硅灰的化學(xué)組成如表5 所示。硅灰的化學(xué)組成符合ASTM C 1240:05 的規(guī)定。硅灰的密度為1970kg/m3，堆積密度為703kg/m3，Na2O 有效堿當(dāng)量為0.31%。

1.5 骨料

骨料主要使用當(dāng)?shù)氐钠扑槭沂止橇?、人工砂和沙漠砂。阿?lián)酋遵循歐洲技術(shù)規(guī)范，使用單粒級(jí)骨料，全部為人工破碎制的，不含針片狀顆粒，含泥量接近于0，無(wú)堿活性。骨料分為20mm、10mm、5mm 三種粒徑，另外還使用細(xì)度模數(shù)僅為0.64 的沙漠砂。粗骨料最大粒徑為20mm，分為10～20mm、5～10mm兩個(gè)單粒級(jí)。最大粒徑5mm 的人工砂的細(xì)度模數(shù)為3.54，屬于粗砂，與很細(xì)的沙漠砂和兩種粗骨料搭配，如表6 中所示。各粒級(jí)的骨料按一定比例混合，得到符合要求的骨料組合，形成較為理想的級(jí)配曲線。骨料按一定比例混合后的粒度分布，符合英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 882 的要求，如圖1 所示。

表1 水泥的化學(xué)組成

表2 水泥的物理性能

表3 GGBS 化學(xué)組成

表4 粉煤灰水泥的化學(xué)組成和物理性能

表5 硅灰的化學(xué)組成 （%）

表6 阿聯(lián)酋的混凝土骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果（%）

圖1 混合骨料的粒度級(jí)配

1.6 水

混凝土攪拌用水為本地自來(lái)水，由海水淡化而來(lái)，水的化學(xué)分析符合標(biāo)準(zhǔn)BS 3148:1980 的要求。

1.7 減水劑

阿聯(lián)酋目前主要使用聚羧酸減水劑。根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)高低，分別使用高濃度、中等濃度和低濃度的三種類型減水劑。本文試驗(yàn)所用減水劑為EPSILONE HW 370 型減水劑。

1.8 SAP

超吸水樹脂(Super absorbent polymer, 簡(jiǎn)稱SAP)，其具有比自身質(zhì)量大數(shù)百倍乃至上千倍的吸水能力，吸水后的SAP 會(huì)在環(huán)境濕度變化、溶液pH 值升高或離子濃度變大的情況下釋放出水分。本文試驗(yàn)所用SAP 為法國(guó)公司生產(chǎn)的FLOSETTM 129 XS 高效內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

阿聯(lián)酋的混凝土配合比設(shè)計(jì)一般按照英國(guó)規(guī)范進(jìn)行。根據(jù)處于不同環(huán)境條件的結(jié)構(gòu)所要求的耐久性能，首先確定相應(yīng)的最大水膠比和最小膠凝材料用量。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和早期強(qiáng)度要求，確定水膠比，然后再確定膠凝材料用量和組成，因此就可以由水膠比計(jì)算出混凝土用水量。在膠凝材料和用水量確定后，即可由體積法算出骨料的用量。

根據(jù)具體結(jié)構(gòu)部位的不同和各混凝土生產(chǎn)商的習(xí)慣，混凝土的膠凝材料組成變化較大，而骨料組成變化較小。處于地面以下的混凝土中一般摻有較大量的礦渣和部分硅灰，保證混凝土的密實(shí)性，以滿足混凝土的耐久性，而地面以上的結(jié)構(gòu)，混凝土耐久性要求相對(duì)較低，混凝土中一般摻有一定的粉煤灰。表7 為按照阿聯(lián)酋和我國(guó)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)的兩組C40 混凝土，一組中摻加礦渣和硅灰摻合料，另一組中摻入粉煤灰，混凝土的坍落度要求在200mm 左右。在阿聯(lián)酋高溫干燥環(huán)境下，新拌混凝土坍落度損失過快且早期開裂嚴(yán)重，為了改善此現(xiàn)象，在混凝土摻入預(yù)先吸水的SAP。本試驗(yàn)測(cè)試摻SAP 混凝土的初始坍落度和抗壓強(qiáng)度。

由于當(dāng)?shù)鼗炷凉橇项w粒級(jí)配和國(guó)內(nèi)的差異性，按照實(shí)際工程項(xiàng)目上所采用的混凝土配合比中粗細(xì)骨料的百分比含量將骨料總量進(jìn)行分配，得到本次試驗(yàn)各粒徑骨料的用量如表8 所示。

表7 混凝土配合比（kg/m3）

表8 骨料顆粒級(jí)配含量 （kg/m3）

從表7 中可以看出，對(duì)于阿聯(lián)酋混凝土配合比，其膠凝材料總量與國(guó)內(nèi)近似，均為400kg/m3左右。摻磨細(xì)礦渣粉摻合料的配合比中，礦渣摻量很大，高達(dá)膠凝材料總量的65%，而我國(guó)混凝土配合比中礦渣的摻量一般達(dá)不到這么高，本試驗(yàn)按我國(guó)混凝土配合比設(shè)計(jì)的混凝土，礦渣摻量為25%，與阿聯(lián)酋的配比對(duì)比，相對(duì)較小。由于礦渣摻量較大，為了滿足混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性，摻入了一定量的硅灰，而我國(guó)一般在高強(qiáng)度混凝土中摻入硅灰。由于阿聯(lián)酋當(dāng)?shù)胤勖夯覂r(jià)格昂貴，因此粉煤灰用量一般很小，在本試驗(yàn)摻粉煤灰摻合料的配合比中，粉煤灰摻量?jī)H為15%；而我國(guó)粉煤灰產(chǎn)量較大，價(jià)格較低，在混凝土中摻量相對(duì)較大，在本試驗(yàn)中摻量為25%。對(duì)于同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，阿聯(lián)酋混凝土配比中水膠比普遍小于我國(guó)混凝土配合比的水膠比。

3 試驗(yàn)方法

按照表7 中的配合比拌制混凝土。摻SAP 配比的混凝土拌制時(shí)，按每立方米混凝土中由SAP引入5kg 水的標(biāo)準(zhǔn)使用，SAP 按1:25 的比例預(yù)先進(jìn)行吸水，即每立方米混凝土中加入200g 的SAP。預(yù)先使SAP 吸水均勻，然后與水泥、砂、石及摻合料等一同加入攪拌機(jī)中，加水?dāng)嚢?，攪拌時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)，使SAP 分散均勻。各種混凝土原材料均在室內(nèi)存放，溫度為25℃，混凝土攪拌也在室內(nèi)進(jìn)行。

混凝土攪拌均勻后，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2002)[2]中要求測(cè)試新拌混凝土的坍落度。然后成型100mm×100mm×100mm立方體試塊，1d 后拆模，25℃水中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至齡期7d、28d時(shí)測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)所測(cè)各配比混凝土的坍落度可知，阿聯(lián)酋混凝土配合比中攪拌用水量較少，為了達(dá)到相同的混凝土流動(dòng)性，減水劑用量較大。A1 配比中，礦渣的摻量為65%，礦渣的密度小于水泥的密度，單位質(zhì)量膠凝材料的體積變大，即導(dǎo)致水與膠凝材料的體積水膠比減小。A1 配比中又摻有5%的粒徑非常小的硅灰，使得混凝土流動(dòng)性降低，粘聚性增強(qiáng)，不易于施工操作。各配比混凝土中摻入預(yù)先吸水的SAP，新拌混凝土的坍落度稍有增加。因?yàn)槌跗谒嗫焖偃芙狻⑺?，混凝土中孔溶液pH 值快速升高。溶液pH 值升高后，混凝土中摻入的預(yù)先吸水的SAP 飽和度大大下降，會(huì)逐漸釋放出其吸收的部分水，所以混凝土的坍落度不減反而有所增加

各配比混凝土7d、28d 齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度如表9 所示。

表9 混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）

從表9 中可以看出，阿聯(lián)酋混凝土配比的水膠比較小，混凝土強(qiáng)度發(fā)展快，7d 時(shí)抗壓強(qiáng)度均高于國(guó)內(nèi)混凝土配比強(qiáng)度。粉煤灰的活性相對(duì)于礦渣較低，摻粉煤灰摻合料混凝土的強(qiáng)度相對(duì)較低，特別是粉煤灰摻量較大的C2 配比。28d 時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度除了C2 組較低外，其它組配比比較接近?；炷林袚饺腩A(yù)先吸水的SAP 后，對(duì)于摻礦渣的混凝土強(qiáng)度并沒有降低，而對(duì)摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度有所降低。

5 結(jié)論

阿聯(lián)酋混凝土配比與我國(guó)混凝土配比存在一定的差異，其配比中水膠比普遍小于國(guó)內(nèi)混凝土配合比，但膠凝材料總量與國(guó)內(nèi)相比相差不大。當(dāng)?shù)氐V渣價(jià)格低廉，活性較高，摻礦渣摻合料的混凝土中，礦渣摻量較高。為了滿足強(qiáng)度和密實(shí)性等要求，同時(shí)摻入了一定量的硅灰，主要用于地面以下混凝土結(jié)構(gòu)中。阿聯(lián)酋粉煤灰價(jià)格較高，摻量一般較小，主要用于地面以上混凝土結(jié)構(gòu)中。當(dāng)?shù)鼗炷恋墓橇喜捎脝瘟＜?jí)骨料，細(xì)骨料中含有很細(xì)的沙漠砂，各粒級(jí)的骨料按一定比例混合，得到符合要求的骨料組合。

阿聯(lián)酋混凝土配比中水膠比相對(duì)較低，為了滿足工作性要求，減水劑用量較大；摻礦渣的混凝土，由于礦渣摻量較高且摻有一定量的硅灰，混凝土的粘聚性較強(qiáng)，不易于施工操作。

對(duì)于C40 混凝土，齡期7d 時(shí)阿聯(lián)酋配合比混凝土抗壓強(qiáng)度高于國(guó)內(nèi)配合比混凝土，早期強(qiáng)度發(fā)展較快，但28d 時(shí)，各配比混凝土抗壓強(qiáng)度相差不大，除粉煤灰摻量較大的國(guó)內(nèi)配比混凝土強(qiáng)度較低。

在混凝土中摻加預(yù)先吸水的SAP，對(duì)阿聯(lián)酋與國(guó)內(nèi)配合比混凝土的初始坍落度稍有增大，改善了混凝土的工作性。摻SAP 后，對(duì)摻礦渣摻合料的混凝土強(qiáng)度沒有降低，而對(duì)摻粉煤灰摻合料的混凝土強(qiáng)度有所降低。

[1] 余濤,閻培渝. 阿聯(lián)酋的混凝土生產(chǎn)與質(zhì)量控制[J]. 混凝土世界,2012,08:93-95.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家規(guī)范.普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50080-2002)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.