水工混凝土配合比參數(shù)的分析與確定

戴國(guó)強(qiáng)，簡(jiǎn)鴻福，葉 霞

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

1 概述

混凝土配合比方案設(shè)計(jì)需要確定許多參數(shù)，如水膠比、用水量、砂率、外加劑與摻合料的摻量等。任何一個(gè)參數(shù)都會(huì)影響混凝土配合比的合理性與經(jīng)濟(jì)性。以水膠比為例，在其他參數(shù)一定的情況下，使用水膠比0.50 與0.51 配制相同坍落度要求的混凝土，其28 d 混凝土強(qiáng)度相接近。若都使用170 kg/m3的用水量，兩個(gè)配合比方案的水泥用量相差6 kg 左右。隨著大中型水利工程項(xiàng)目的逐漸展開，若每m3混凝土可節(jié)省6 kg 水泥，則一個(gè)混凝土澆注量10萬(wàn)m3左右的大中型水利工程便可節(jié)約水泥用量約600 t。因此，一個(gè)合理經(jīng)濟(jì)的混凝土配合比需要通過(guò)細(xì)致的比對(duì)與試驗(yàn)確定參數(shù)，并不是簡(jiǎn)單的根據(jù)規(guī)程規(guī)范計(jì)算而來(lái)的。本文就混凝土配合比方案設(shè)計(jì)中試驗(yàn)參數(shù)的確定需要注意的問題做了探討。

2 混凝土配合比參數(shù)的分析與確定

混凝土配合比方案需要確定的參數(shù)有：水膠比、用水量、砂率、粗骨料用量，外加劑與摻合料摻量。

2.1 水膠比的確定

水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素[1]。在其他參數(shù)一定的情況下，水膠比越小，強(qiáng)度越大。根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL 5330-2005），在確定配合比方案前，需選定3～5個(gè)水膠比，建立強(qiáng)度與膠水比的回歸方程或圖表，根據(jù)強(qiáng)度與膠水比關(guān)系選擇相應(yīng)于配制強(qiáng)度的水膠比。一般情況下，試驗(yàn)人員選取3個(gè)水膠比，設(shè)計(jì)混凝土試配方案，根據(jù)試配方案的結(jié)果選取混凝土水膠比。當(dāng)選擇試配的水膠比不合理時(shí)，所設(shè)計(jì)的混凝土方案技術(shù)上可行，但不一定經(jīng)濟(jì)。以下用工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

某大型水利工程需要設(shè)計(jì)C25 強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比方案。使用P.O42.5強(qiáng)度等級(jí)水泥，其28 d實(shí)測(cè)強(qiáng)度為fce=44.8 MPa。選擇水膠比為0.55、0.50、0.45 及0.40 進(jìn)行試配，其配合比試配結(jié)果見表1。

選擇兩種確定水膠比的試驗(yàn)方案，第一種方案選擇編號(hào)1、2、3、4 試配結(jié)果確定水膠比，第二種方案選擇編號(hào)2、3、4 試配結(jié)果確定水膠比。根據(jù)28 d的混凝土試塊強(qiáng)度，繪制膠水比與強(qiáng)度的關(guān)系曲線，使用最小二乘法進(jìn)行線性回歸方程分析。兩種方案的強(qiáng)度-膠水比曲線見圖1、圖2，兩種方案成果見表2。

根據(jù)圖1、圖2 和表2，兩個(gè)方案技術(shù)上都是可行的。在用水量為160 kg/m3的情況下，水膠比為0.48的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案可節(jié)約水泥7 kg/m3。對(duì)于一個(gè)大型水利工程而言，每m3混凝土可節(jié)約7 kg 水泥，則可大量節(jié)約施工成本。因此，在確定水膠比時(shí)，應(yīng)該仔細(xì)的分析試配結(jié)果，以設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的混凝土配合比方案。筆者認(rèn)為，混凝土配合比方案試配時(shí)，選擇4～5個(gè)水膠比設(shè)計(jì)試配方案，分析對(duì)比試配成果，選擇2～3個(gè)水膠比進(jìn)行驗(yàn)證，以保證混凝土配合比方案經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 用水量的調(diào)整

混凝土中的水在混凝土硬化過(guò)程中可以分為3 種型式存在。

（1）化學(xué)結(jié)合水。化學(xué)結(jié)合水以嚴(yán)格的定量參加水泥水化的水，它使水泥漿形成結(jié)晶固體。化學(xué)結(jié)合水是強(qiáng)結(jié)合的，不參與混凝土與外界濕度交換作用，不引起收縮與膨脹變形，成微小自生變形。

（2）物理化學(xué)結(jié)合水，在混凝土中以并不嚴(yán)格的定量存在，表現(xiàn)為吸附薄膜結(jié)構(gòu)，它在混凝土中起擴(kuò)散及溶解水泥顆粒的作用，其中一部分水在材料周圍構(gòu)成堿性結(jié)合水膜，容易受到水分蒸發(fā)的破壞，所以物理化學(xué)結(jié)合水積極地參與混凝土與環(huán)境的濕度交換作用。

（3）物理結(jié)合水。物理結(jié)合水混凝土中各晶格間及粗、細(xì)毛孔中的水，亦稱游離水，含量不穩(wěn)定，極容易受水分蒸發(fā)影響而破壞結(jié)合，它是積極參與和外界進(jìn)行濕度交換的水。

總之，化學(xué)結(jié)合水是保證水泥顆粒水化的必需條件；物理化學(xué)結(jié)合水是保證水泥顆粒充分?jǐn)U散，逐步完成水化反應(yīng)的必需條件；而物理結(jié)合水則為化學(xué)結(jié)合水、物理結(jié)合水充分發(fā)揮作用提供外部條件[2]。

用水量過(guò)少時(shí)，水泥漿少，包裹砂子的水泥漿層變薄，砂粒間摩擦阻力增加，混凝土拌合物的流動(dòng)性減小，坍落度變小，混凝土容易產(chǎn)生蜂窩麻面現(xiàn)象。反之，用水量過(guò)多，混凝土拌合物就會(huì)出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，水泥漿流失，混凝土強(qiáng)度明顯降低。同時(shí)，水泥用量亦增加，混凝土澆注溫度上升，容易產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)上述水在混凝土中的作用，適量的水是混凝土完成水化反應(yīng)和實(shí)現(xiàn)預(yù)期強(qiáng)度的必需條件，并且適宜的坍落度必須有適宜的用水量。在配合比試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)坍落度不滿足要求時(shí)，調(diào)整混凝土單位用水量是最直接和簡(jiǎn)便的方法。但是，過(guò)多的增加單位用水量，其危害是很大的。混凝土配合比試驗(yàn)坍落度調(diào)整時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整砂率、適當(dāng)增加外加劑及摻合料的用量，以提高混凝土的流動(dòng)性。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)方案 kg/m3

圖1 方案1 強(qiáng)度等級(jí)膠水比強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

圖2 方案2 強(qiáng)度等級(jí)膠水比強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

表2 兩種方案試配成果表 kg/m3

2.3 外加劑摻量

為提高混凝土的強(qiáng)度與耐久性，目前水工混凝土經(jīng)常摻用外加劑。摻用外加劑的混凝土性能不僅與水泥、骨料等原材料品質(zhì)有關(guān)，也與外加劑品質(zhì)有關(guān)，但二者的適應(yīng)性更加重要。當(dāng)前外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)主要是指外加劑與水泥的適應(yīng)性。水泥與外加劑適應(yīng)性好，才能配制出各種符合要求的混凝土。反之，即使材料品質(zhì)檢測(cè)合格，配制的混凝土終凝時(shí)間長(zhǎng)、不密實(shí)，難以配制出符合要求的混凝土。因此，摻用外加劑的水工混凝土，配合比試驗(yàn)應(yīng)檢測(cè)外加劑與水泥的適應(yīng)性。

外加劑的摻量對(duì)應(yīng)水泥凈漿流動(dòng)度大、流動(dòng)度損失小時(shí)，其摻量為最適宜摻量，此時(shí)外加劑與水泥的適應(yīng)性好。如某水利工程外加劑推薦摻量為0.5%～1%，通過(guò)外加劑與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，最后確定外加劑摻量為0.9%。試驗(yàn)成果見表3 與圖3。

表3 外加劑在不同摻量的凈漿流動(dòng)度和損失試驗(yàn)成果

外加劑摻量低，流動(dòng)度大且流動(dòng)度損失小的外加劑摻量為最佳摻量，此時(shí)外加劑對(duì)膠凝材料的適應(yīng)性好。由圖3 和表3 可知，此外加劑的最適摻量為0.9%。

2.4 粉煤灰摻量

混凝土中摻用粉煤灰具有改善混凝土的性能，提高混凝土質(zhì)量，減少混凝土水化熱，抑制堿骨料反應(yīng)，節(jié)約水泥，降低成本等作用。目前對(duì)于混凝土中粉煤灰最優(yōu)摻量，還尚未有規(guī)范規(guī)定。在同一情況下，摻用粉煤灰的混凝土其和易性較好，坍落度較大。但當(dāng)粉煤灰摻量在20%以上時(shí)，混凝土水化熱減少，7 d、28 d 齡期混凝土強(qiáng)度相對(duì)未摻用粉煤灰的混凝土強(qiáng)度降低。摻用粉煤灰還可降低混凝土水化熱，降低混凝土的澆筑溫度。因此，目前確定粉煤灰最優(yōu)摻量的主要依據(jù)其與坍落度、強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。

一般情況下，確定選用粉煤灰摻量的方法：設(shè)計(jì)一組基準(zhǔn)混凝土，選擇3～5個(gè)粉煤灰摻量，選擇坍落度較大、28 d 實(shí)測(cè)強(qiáng)度損失小的粉煤灰摻量作為混凝土配合比設(shè)計(jì)的最優(yōu)摻量。混凝土配合比設(shè)計(jì)粉煤灰摻量還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行調(diào)整。夏季施工溫度較高時(shí)，可以考慮多摻用粉煤灰；冬季施工溫度較低，為減少緩凝現(xiàn)象可以適量減少粉煤灰用量。

圖3 外加劑在不同摻量的凈漿流動(dòng)度和損失試驗(yàn)成果曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土配合比是混凝土澆筑的依據(jù)，影響因素很多，應(yīng)該根據(jù)試配成果及過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)的調(diào)整混凝土配合比方案，以滿足合理經(jīng)濟(jì)及施工實(shí)際要求。在混凝土配合比方案設(shè)計(jì)時(shí)，一般有以下設(shè)計(jì)原則：

（1）選擇較大的水膠比。選擇3～5個(gè)±0.05 水膠比方案進(jìn)行試配，選擇2～3個(gè)-0.01的水膠比進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證結(jié)果中選擇較大的、能夠滿足強(qiáng)度與耐久性要求的水膠比，減小水泥用量。

（2）較少用水量?；炷僚浜媳确桨钢羞x擇適宜用水量?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整砂率、外加劑與摻合料調(diào)整坍落度。

（3）選擇適宜的外加劑摻量。廠家推薦的外加劑摻量一般是一個(gè)參考范圍。應(yīng)通過(guò)水泥與外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)確定外加劑摻量。

（4）選擇適宜的粉煤灰摻量。粉煤灰摻量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。隨著施工季節(jié)的不同，粉煤灰摻量也應(yīng)該不同。夏季施工可適當(dāng)增加粉煤灰摻量，冬季施工可適當(dāng)減少粉煤灰摻量。

［1］楊鵬輝.混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究 ［J］.五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995，9（1）：65-66.

［2］喬麗娜.混凝土強(qiáng)度和用水量的關(guān)系［J］.民營(yíng)科技，2012（3）：30-31.

［3］楊 林.平湖水電站大壩混凝土配合比設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制［J］.人民珠江，2004（1）：49-51.

［4］鄧初首，夏 勇.混凝土坍落度影響因素的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2006（1）：65-66.

［5］王 毅.摻粉煤灰水工混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法淺析［J］.陜西水利，2004（4）：77-78.

［6］馬保國(guó)，何永佳，等.高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（7）：14-17.

［7］趙蘊(yùn)林，吳 磊.粉煤灰對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響初探［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，21（2）：118-120.

［8］DL 5330-2005，水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［9］SL352-2006，水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.