核電C70混凝土配合比設計及試驗

叢成河 蒲敏 陳海波 李偉 王麗

摘 要：介紹的高強度、高流動度混凝土的設計原理及試驗方法過程。對試驗結果進行了全面的分析和論證，并提出了配制高強度、高流動度混凝土試配前膠砂強度試驗之必要性。

關鍵詞：高強度；高流動度；混凝土；設計及試驗

隨著高層建筑日益增加，以及我國核電事業(yè)的興起發(fā)展，對混凝土強度等級的要求也越來越高。C70混凝土配合比設計及試驗是我公司為承建某核電站安全殼預應力混凝土結構大體積混凝土施工而試配試驗項目。在試配C70混凝土配合比中，我們進行了大量的試驗，共進行了水泥膠砂強度試驗90組，混凝土試配38組，從中總結了一些規(guī)律，認為高強度混凝土的設計主要難點在于如何激發(fā)和提高水泥的活性，也就是膠砂強度的提高，還要考慮合適的粗和細骨料、級配、外加劑、填充料等。在研究過程中曾經使用過多種高效減水劑及超細活性填充料，經過試驗及綜合分析比較，最終選擇了BS-N1（C80）型高效減水劑及貴州大鷹牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）和上海電廠生產的二級粉煤灰作為活性摻合料。經過膠砂強度試驗及最終混凝土配合比試驗，強度及其它各項指標均達到設計要求。

1 膠砂強度所用原材料

1.1 水泥

浙江三獅硅酸鹽525#水泥。細度0.08mm方孔篩篩余3.7%標準稠度24.5%，初凝2h45min，終凝4h25min，其力學性能見表1

表1 實測三獅硅酸鹽525#水泥強度表

齡期

項目 強度（MPa）

3天 7天 28天

抗壓 31.4 38.5 63.5

抗折 5.7 6.9 9.0

1.2 活性硅粉

貴州大鷹牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）

1.3 粉煤灰

上海Ⅱ級灰，45μm孔篩篩余<20%，燒失量<8%，需水量比<105%，SO3含量<3%，符合粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范GBJ/T146-1990中各項指標。

1.4 外加劑

上海寶山運榮建筑外加劑廠生產的BS-N1混凝土高效減水劑，減水率：15-20%，引氣量2-3%。

1.5 標準砂

符合GB178-1997《水泥強度試驗用標準砂》的質量要求。

1.6 水

自來水PH=6

2 膠砂強度配合比設計及試驗

2.1 膠砂強度配合比設計首先要確定各種材料之間的比例

這種比例的確定經試驗要達到高強度、高流動度混凝土的技術要求。其中灰砂比、水灰比、外加劑摻量、活性硅粉及粉煤灰摻量都對膠砂強度有直接的影響。由于高強度混凝土水灰比都比較低，一般在0.3左右，因此首先確定水灰比在0.3左右再確定其他參數。

2.2 灰砂比參數確定

水泥與標準砂按1：1，1：1.5，1：2，1：2.5來設計，經過試配，認為灰砂比為1：1.5左右比較合適。

2.3 活性硅粉摻量的確定

活性硅粉是提高水泥強度的主要材料。它的主要成分是SiO2，可與水泥中的Ca（OH）2發(fā)生化學反應，生成更為堅硬硅酸鹽，使得水泥膠砂強度得到提高；同時硅粉又特別細，可填充水泥空隙，使得水泥膠砂強度進一步提高?；钚怨璺蹞搅堪磁c水泥重量的0%、5%、10%、15%、25%設計，經試配，最佳摻量在5-10%之間，從經濟角度考慮，采用了5%的摻量，見表2。

表2 活性硅粉不同摻量膠砂強度試驗結果

硅粉摻量%

項目 0 5 10 15 25

28d抗壓 9.1 13.0 13.2 12.8 13.4

28d抗折 60.0 77.6 80.0 79.2 72.6

流動度 >300 >300 >300 >300 >300

水灰比 0.32 0.32 0.32 0.32 0.32

2.4 外加劑的摻量

外加劑的摻量經試驗確定為4%。

2.5 粉煤灰摻量

粉煤灰作為準活性材料，摻入到水泥中后，能使其和易性得到改善，后期強度得到提高。它本身也含有一定量的SiO2，能與水泥中的Ca（OH）2反應，生成硅酸鹽，同時也可降低水化熱，推遲凝結時間。對于大體積混凝土，是比較理想的填充料。但若摻入過量，則會導致混凝土強度下降，脆性增加。經試驗，認為配制C70混凝土粉煤灰摻入量以15%左右為宜。

2.6 膠砂強度配合比試驗

表3 膠砂強度配合比

序號 灰砂比 水灰比 硅粉摻量% 粉煤灰摻量% 外加劑摻量%

1 1：1.5 0.41 0 0 0

2 1：1.5 0.31 0 15 4

3 1：1.5 0.31 5 0 4

4 1：1.5 0.31 5 15 4

5 1：1.5 0.31 5 15 4

6 1：1.5 0.31 5 15 4

7 1：1.5 0.31 5 15 4

8 1：1.5 0.31 5 15 4

從表4試驗數據來看，序號4-7均比空白試驗及單摻粉煤灰的膠砂強度高，給混凝土配合比提供了設計依據。

表4 膠砂強度試驗

項目

序號 抗折強度（MPa） 抗壓強度（MPa） 流動度

7d 28d 7d 28d >300

1 8.1 9.6 38 56.7 >300

2 13.6 14.1 46.2 74.0 >300

3 14.2 15.2 76.2 87.2 >300

4 13.6 14.1 71.2 85.6 >300

5 13.5 15.4 86.2 94.0 >300

6 14.2 15.4 78.2 87.6 >300

7 13.4 15.2 68.1 94.4 >300

8 13.1 14.0 69.5 92.4 >300

3 混凝土配合比設計及試驗

由于高強度混凝土要突出“高強”和“高流態(tài)”，因此，高強度混凝土的配合比設計與普通混凝土配合比有如下特點：（1）摻入高效減水劑或復合高效減水劑，減水率15%-30%，且90分鐘內坍落度損失值不宜超過25%；（2）摻入粉煤灰及硅粉。粉煤灰應符合GB1596-2005標準中的一級或二級粉煤灰，硅粉SiO2含量超過90%，比表面積大于或等于20m2/g；（3）選擇較小的水灰比；（4）粗骨料采用碎石，且最大粒徑不宜超過25mm，針片狀顆粒含量不宜超過5%，且含泥量﹤1%，軟弱顆粒盡量少，壓碎指標值應符合JGJ53-92要求，試模均采用100×100×100的試模，細骨料采用粗砂；（5）選擇合適的砂率，河砂為宜，中粗，細度模數≥2.5，含泥量﹤2%；（6）采用強制式攪拌機，振動成型工藝；（7）濕養(yǎng)護（標準養(yǎng)護）。

3.1 確定水泥用量

選擇525#硅酸鹽水泥，水泥用量控制在500-550Kg范圍內，因為過量的水泥用量會使單位體積骨料減少，從而使混凝土強度沒有明顯增加或不增加。此外過量的水泥用量還會導致混凝土后期裂縫，且也不利于降低成本。

3.2 水灰比

水灰比是控制混凝土強度的重要參數，水灰比高，雖然可以增大混凝土的坍落度，但強度下降，而采用外加劑如減水劑的辦法，可將水灰比（水/水泥+硅粉+粉煤灰）降低0.3左右，而坍落度仍保持在18-22cm，以便泵送。

3.3 骨料和砂率

粗細骨料的大小、形狀、強度對高強度的性能有著非常明顯的影響，如選擇不當將導致較大的強度差。為此經試驗及調整后，采用浙江海鹽秦山采石廠5～30花崗巖碎石，壓碎指標8.2%，砂采用粗砂（Mx=3.0）砂率40%左右。

3.4 活性硅粉摻量

摻活性硅粉可大幅度提高混凝土強度，使混凝土更加致密，堅硬。硅粉采用細微硅粉，SiO2含量90%以上顆粒半徑0.1μm，經試驗摻量控制在5%。

3.5 粉煤灰摻量

粉煤灰摻量經試驗確定為70Kg/m3左右。

3.6 C70混凝土試驗結果

表5 C70混凝土配合比Kg/m3

序號 配合比

水灰比 水泥 砂子 碎石 硅粉 粉煤灰 外加劑 砂率

1 0.37 520 696 1044 0 0 0 40

2 0.397 520 696 1044 0 0 0 40

3 0.317 520 664 996 0 62.4 20.8 40

4 0.317 520 664 996 26.0 62.4 20.8 40

5 0.286 520 679 967 26.0 52.0 20.8 41

6 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

7 0.242 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

8 0.261 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

9 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

表6 C70混凝土配合比強度試驗結果

序號 抗壓強度（MPa） 坍落度cm 容重

7d 28d 60d

1 47.2 61.8 62.4 6.5 2.43

2 37.8 51.3 55.4 8.5 2.40

3 39.0 60.3 64.6 18.0 2.47

4 57.6 76.8 82.0 22.0 2.50

5 58.1 73.0 80.3 19.5 2.52

6 58.2 63.0 85.0 20.0 2.52

7 63.5 91.5 87.7 21.0 2.51

8 60.5 78.0 87.0 20.0 2.50

9 48.9 77.9 79.8 19.0 2.49

根據以上混凝土強度試驗數據看出，摻硅粉及外加劑均比空白試驗及單摻粉煤灰的強度有顯著提高，達到C70的強度設計要求。

4 重復性試驗

從表6試驗數據及實際攪拌的混凝土工作性情況最終確定施工配合比（選擇序號5）如下表7，并按規(guī)定進行6次重復性試驗。

表7 重復性試驗混凝土配合比及試驗結果

施工配合比：

水灰比0.286 水泥：砂：碎石=1：1.28：2.0 水泥用量520 Kg/m3

外加劑4% 硅粉26 Kg/m3 粉煤灰87 Kg/m3 砂率41%

序號 坍落度（cm） 抗壓強度（MPa）

7d 28d 60d

1 22 56.1 83.4 86.5

2 21 57.0 85.6 90.1

3 22 60.0 78.4 86.0

4 20 59.0 84.3 91.0

5 19 60.5 77.5 82.0

6 18 61.2 80.3 90.3

按GBJ107-87D的規(guī)定，這批混凝土強度應同時滿足下列條件：

（1）mfcu≥1.15fcu.k

（2）fcumin≥0.95fcu.k

式中：mfcu——同一驗收批混凝土立方體抗壓強度平均值（N/mm2）

fcu.k——混凝土立方體抗壓強度的標準差（N/mm2）

fcumin——同一驗收批混凝土立方體抗壓強度的最小值（N/mm2）

按28天強度對試件進行驗收：

經計算：mfcu=82.9 MPa fcu.k=70.0 MPa fcumin=77.5 MPa

1.15fcu.k=80.5 MPa 0.95fcu.k=66.5 MPa

所以mfcu>1.15fcu.k fcumin>0.95 fcu.k 即同時符合（1）、（2）式，判定合格。

另外對該批混凝土增加了碳化深度、抗?jié)B及坍落度損失試驗，混凝土60天碳化深度<0.5mm，抗?jié)B>S40，坍落度90分鐘后平均損失小于85mm。

5 結論

通過試驗，認為對C70以上高標號、高流動度混凝土試配，不同于C70以下混凝土配制，必須首先解決膠砂強度大幅度增長的問題，因此必須對膠砂強度增長可能性試驗，以便確定所用材料能否用于正式的混凝土試配，這樣可以系統(tǒng)地進行各種原材料的質量分析，避免盲目性，減小不必要人力、物力的投入。

這種由于小試到中試及最終試驗的分級分步試驗，具有可靠合理的科學性。試驗證明，對C70高標號、高流動度的混凝土設計思路是正確的，技術是可行的，質量是可靠的，完全可以用于施工現場中。

參考文獻

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作者簡介：叢成河（1955- ），男，中國核工業(yè)二四建設有限公司海陽核電項目部，高級工程師，從事建筑材料檢測及研究。