補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計

□□ 李德民 (葛洲壩集團(tuán)試驗檢測有限公司，湖北 宜昌 443002)

引言

隨著現(xiàn)代工程建設(shè)水平的不斷提高，為滿足工程結(jié)構(gòu)整體效果的需要，往往會采用大體積、大面積和超長連續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中預(yù)防混凝土收縮開裂是確?；炷临|(zhì)量的關(guān)鍵要素之一，對此除了在工程中嚴(yán)格控制混凝土施工質(zhì)量或使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)外，還可通過補(bǔ)償收縮混凝土來防止或避免混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。這是因為補(bǔ)償收縮混凝土中的水化膨脹結(jié)晶體不僅具有補(bǔ)償收縮功能，還具有填充和改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和提高混凝土致密性的功能，從而提高混凝土的抗裂防滲性、力學(xué)性能、耐久性和長期性。性能優(yōu)異的補(bǔ)償收縮混凝土在配合比設(shè)計過程具有工作量大、內(nèi)容繁瑣和技術(shù)問題頻出的特點，為此，現(xiàn)結(jié)合工程實例對補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計要點進(jìn)行簡析。

1 混凝土配合設(shè)計指標(biāo)和依據(jù)

在混凝土配合比設(shè)計之前，明確混凝土配合比的設(shè)計指標(biāo)和依據(jù)至關(guān)重要，這直接關(guān)系到工程質(zhì)量目標(biāo)能否實現(xiàn)。補(bǔ)償收縮混凝土設(shè)計指標(biāo)在工程設(shè)計文件或圖紙中有說明，設(shè)計依據(jù)則在設(shè)計或施工技術(shù)文件中有所注明。混凝土設(shè)計指標(biāo)除應(yīng)符合GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》外，還應(yīng)符合設(shè)計和施工所要求的拌合物性能、力學(xué)性能、限制膨脹率、長期性和耐久性等?；炷僚浜媳仍O(shè)計依據(jù)一般采用JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 混凝土配合比設(shè)計準(zhǔn)備工作

混凝土配合比設(shè)計準(zhǔn)備工作是混凝土設(shè)計工作順利開展的前提條件，其中原材料選取、外加劑與膠凝材料相容性試驗是準(zhǔn)備工作的重點。

2.1 原材料選取

水泥應(yīng)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》或GB/T 200—2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》的規(guī)定。研究表明[1]，水泥中鋁相、硫相以及水泥強(qiáng)度都會影響混凝土的膨脹性能，一般粒徑小和早期強(qiáng)度高的水泥膨脹小，使用時應(yīng)予以注意。

膨脹劑品質(zhì)應(yīng)符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的規(guī)定，其使用應(yīng)符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和JGJ/T 178—2009中的規(guī)定，其中硫鋁酸鈣類和硫鋁酸鈣-CaO類膨脹劑作為膨脹源的補(bǔ)償收縮混凝土不能長期處于80 ℃以上，而CaO類膨脹劑則不受此限制，但CaO類膨脹劑不適用于海水或具有侵蝕性水的工程。

其他外加劑應(yīng)符合要求，其中不宜選用收縮率比偏大的外加劑。

混凝土摻合料一般為粉煤灰或礦渣粉，其中粉煤灰應(yīng)符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的規(guī)定，由于粉煤灰中f-CaO含量過高時會對混凝土體積穩(wěn)定造成不良影響，故不得使用高鈣粉煤灰；礦渣粉應(yīng)符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的規(guī)定。

混凝土用粗、細(xì)骨料和水應(yīng)滿足要求，不得使用堿活性骨料。

2.2 外加劑與膠凝材料相容性試驗

混凝土配合比試驗前應(yīng)先將膠凝材料與外加劑進(jìn)行相容性試驗，通過對水泥漿流動度變化和膠砂強(qiáng)度來驗證材料間的相互適應(yīng)性，確定各種材料組合形式及最佳摻配比例。試驗方法參照J(rèn)C/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》[2]，其中膨脹劑按推薦摻量等量替代水泥；膠砂強(qiáng)度按GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》中水泥膠砂減水率試驗中規(guī)定的流動度進(jìn)行強(qiáng)度測定[3]。試驗中各種材料組合形式見表1。

通過表1中A試驗，可獲得未摻膨脹劑的水泥漿中其他材料的最佳摻量及材料間的相容性。在A試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行B試驗，采用膨脹劑推薦摻量等量替代水泥，減水劑摻量在A試驗基礎(chǔ)上，按水泥漿流動度情況做適當(dāng)調(diào)整，以得到減水劑在復(fù)摻情況下的最佳摻量，最終通過水泥漿中各材料間的相容性試驗結(jié)果及膠砂強(qiáng)度來判定所用材料是否可運(yùn)用到工程中。

3 混凝土配合比設(shè)計

混凝土配合比設(shè)計應(yīng)按設(shè)計指標(biāo)和依據(jù)，通過試配、調(diào)整后最終確定符合設(shè)計和施工要求的最優(yōu)配合比。補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計除確定水膠比、用水量、膠材用量和砂率外，關(guān)鍵在膨脹劑或摻合料摻量不同的情況下，通過分析水膠比分別與混凝土強(qiáng)度、限制膨脹率、耐久性和長期性之間的關(guān)系，選出符合混凝土各項性能要求的最優(yōu)配合比?，F(xiàn)以國內(nèi)某大型水電站工程出線塔樓屋頂防水層C30UEA補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計為例，介紹補(bǔ)償收縮混凝土配合比的設(shè)計方法、試驗內(nèi)容分析及結(jié)果確定。

3.1 混凝土配合比設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)圖紙設(shè)計說明和施工技術(shù)通知單的要求，結(jié)合JGJ/T 178—2009和JGJ 55—2011中的相關(guān)規(guī)定，C30UEA補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)指標(biāo)及試驗參數(shù)控制要求見表2。

表2 C30UEA補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)指標(biāo)及試驗參數(shù)控制要求

通過表2可以明確混凝土的設(shè)計強(qiáng)度、級配、工作性、限制膨脹率、外加劑種類及摻量、水膠比、單位膠凝材料用量和強(qiáng)度保證率等，為準(zhǔn)備階段的原材料選擇和試驗階段的參數(shù)控制提供依據(jù)。

3.2 選取混凝土配合比設(shè)計試驗參數(shù)

通過對混凝土的水膠比、水泥用量、用水量、最優(yōu)砂率、摻合料和外加劑摻量的確定，可以獲得試拌混凝土的配合比參數(shù)，為后續(xù)試驗內(nèi)容分析和結(jié)果確定提供依據(jù)。

3.2.1水膠比和最小膠凝材料用量

3.2.2確定試拌用水量和最優(yōu)砂率

首先按JGJ 55—2011中參考用水量計算出未摻減水劑時滿足設(shè)計坍落度的用水量，再按減水劑的減水率來折減得到計算用水量；保持經(jīng)驗水膠比不變，采用計算用水量、初選砂率、摻合料摻量、膨脹劑推薦摻量及其他外加劑最佳摻量等進(jìn)行拌和，根據(jù)混凝土拌合物的坍落度、泌水和離析等情況適當(dāng)調(diào)整用水量、初選砂率和減水劑摻量，使其滿足施工工作性要求；保持調(diào)整后的用水量不變，選擇坍落度最大時的砂率作為最優(yōu)砂率，再用最優(yōu)砂率找出混凝土滿足施工工作性要求的用水量，該用水量即為混凝土試拌用水量。

3.2.3確定外加劑和摻合料的摻量

減水劑摻量是通過減水劑與膠凝材料相容性試驗和混凝土試拌確定。補(bǔ)償收縮混凝土中摻入膨脹劑后，其減水劑的減水和保坍效果與不摻膨脹劑相比一般會變差，適當(dāng)提高減水劑摻量和延長拌和時間可緩解上述現(xiàn)象。膨脹劑摻量應(yīng)在廠家推薦摻量的基礎(chǔ)上，根據(jù)混凝土中其他摻合料的品種、摻量以及混凝土坍落度大小等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終通過試驗確定。有資料顯示[5]，當(dāng)混凝土中粉煤灰摻量一定時，較小摻量的膨脹劑可提高混凝土自生體積變形膨脹量，但提高膨脹劑摻量時，混凝土自生體積變形的膨脹量將減小，所以補(bǔ)償收縮混凝土中復(fù)摻粉煤灰時要注意控制其摻量。

3.3 混凝土配合比試驗分析

補(bǔ)償收縮混凝土試驗過程中，應(yīng)先選取滿足混凝土配制強(qiáng)度的配比參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行限制膨脹率試驗，如有需要再根據(jù)滿足限制膨脹率的試驗參數(shù)進(jìn)行諸如耐久性和長期性指標(biāo)的測定，最終確定各項性能指標(biāo)都滿足設(shè)計要求的最優(yōu)配合比作為推薦配合比。

3.3.1水膠比與用水量關(guān)系

以C30UEA補(bǔ)償收縮混凝土為例，采用0.40、0.45和0.50三個水膠比，減水劑摻量為1.30%，膨脹劑分別采用10%、12%和14%的摻量進(jìn)行混凝土配合比拌和試驗，坍落度為160～180 mm時水膠比與用水量關(guān)系如圖1所示。當(dāng)混凝土中減水劑和膨脹劑摻量不變，水膠比每增大0.05，混凝土用水量則需增加2～4 kg·m-3才使其坍落度符合設(shè)計要求，這樣3組系列配比中的用水量差將達(dá)到6～8 kg·m-3。這種現(xiàn)象與普通混凝土不同，當(dāng)混凝土中摻入膨脹劑后，如果水膠比的用水量一致，隨著水膠比的增大，坍落度逐漸減小，坍落度損失逐漸變大，這是由于較小水膠比混凝土中減水劑用量要比較大水膠比中的大許多，所以能更好地起到減水和保坍效果，在此情況下，要使混凝土坍落度在設(shè)計范圍之內(nèi)，就必須隨著水膠比的增大，適當(dāng)提高用水量。當(dāng)混凝土減水劑摻量和水膠比不變時，膨脹劑摻量每提高2%，混凝土用水量大多需降低2～4 kg·m-3才使其坍落度滿足設(shè)計要求。故在混凝土試拌過程中為滿足混凝土拌合物工作性的要求，應(yīng)根據(jù)水膠比和膨脹劑摻量的變化對混凝土用水進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 水膠比與用水量關(guān)系

3.3.2水膠比與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

不同膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示。隨著混凝土中膨脹劑摻量的提高，其抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但總體降低幅度較小，膨脹劑摻量每提高2%，混凝土強(qiáng)度則降低0.3～2.5 MPa，其相對強(qiáng)度平均降低約為2.2%。此外，在膨脹劑3種不同摻量下，水膠比所對應(yīng)的混凝土強(qiáng)度均能滿足配制強(qiáng)度要求，且富余較大，故選最大水膠比為0.50所對應(yīng)的配合比進(jìn)行混凝土限制膨脹率、耐久性和長期性指標(biāo)的測定。倘若最大水膠比所對應(yīng)的強(qiáng)度不能滿足配制強(qiáng)度要求，可按膠水比和強(qiáng)度關(guān)系曲線或插值法確定略大于配制強(qiáng)度對應(yīng)的膠水比進(jìn)行取值，再用該水膠比所對應(yīng)的混凝土配合比進(jìn)行限制膨脹率、耐久性和長期性指標(biāo)的測定。由此以來，可更加精準(zhǔn)的確定混凝土的配合比參數(shù)，而不必做贅余試驗。

圖2 水膠比與不同膨脹劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3.3膨脹劑摻量與混凝土限制膨脹率關(guān)系

不同膨脹劑摻量的混凝土限制膨脹率如圖3所示。當(dāng)混凝土水膠比為0.50時，隨著膨脹劑摻量的提高，混凝土限制膨脹率逐漸升高，膨脹劑摻量每提高2%，水中14 d限制膨脹率提高0.009%，水中14 d轉(zhuǎn)空氣中28 d限制膨脹率提高0.004%～0.010%。從限制膨脹率結(jié)果顯示，水膠比0.50所對應(yīng)膨脹劑3個摻量的混凝土均滿足限制膨脹率要求，若混凝土無其他性能要求，則選達(dá)到并接近設(shè)計限制膨脹率的配合比作為該混凝土的推薦配合比，此處選取水膠比為0.50，膨脹劑摻量為10%。若混凝土有耐久性和長期性要求，可在膨脹劑不同摻量下，對水膠比為0.50對應(yīng)的混凝土配合比按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》做進(jìn)一步試驗驗證。

圖3 不同膨脹劑摻量的混凝土限制膨脹率情況

4 結(jié)語

補(bǔ)償收縮混凝土能夠有效預(yù)防自身早期開裂，其較強(qiáng)的抗裂防滲性和耐久性為工程結(jié)構(gòu)安全和工作效能發(fā)揮起著重要作用。補(bǔ)償收縮混凝土配合比的設(shè)計要點簡要概括為：一是明確混凝土的設(shè)計指標(biāo)和試驗依據(jù)；二是認(rèn)真選擇原材料，并驗證各材料間的相容性；三是合理選定試驗參數(shù)，在綜合分析試驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上確定混凝土配合比的最終結(jié)果。