基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設(shè)計方法

趙亮平，高丹盈，王麗，周長偉

（1.鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北武漢 430034）

基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設(shè)計方法

趙亮平1，高丹盈1，王麗2，周長偉1

（1.鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北武漢 430034）

采用基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設(shè)計方法，測定了納米材料和鋼纖維體積率對水泥漿體富余系數(shù)和砂漿富余系數(shù)的影響，提出了纖維納米混凝土的最優(yōu)配合比．結(jié)果表明，該方法具有試驗量小、適用性廣的優(yōu)點，能為纖維納米混凝土的工程應(yīng)用提供參考．

配合比設(shè)計;工作性能;納米材料;水泥漿體富余系數(shù);砂漿富余系數(shù)

近年來，纖維在細觀層面的增強增韌效果得到了廣泛的認可．納米材料在微觀層面對混凝土的改善作用也得到越來越多的關(guān)注．在纖維混凝土中加入納米材料，配制而成的纖維納米混凝土兼具了二者的優(yōu)點，實現(xiàn)了細觀增強和微觀增強的復(fù)合化．然而目前纖維混凝土和納米混凝土配合比設(shè)計方面的研究都比較少．因此，有必要針對性地研究和探討纖維納米混凝土的配合比設(shè)計．

纖維混凝土的配合比設(shè)計較之于普通混凝土更加復(fù)雜，離散性也更大，不同研究者的試驗結(jié)果往往有較大差異．相比纖維混凝土，纖維納米混凝土中影響配合比設(shè)計的因素更多，應(yīng)用傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法試驗量較大，且所得結(jié)果的廣泛適用性難以保證．鑒于此，本文采用基于工作性的配合比設(shè)計方法，研究納米材料和纖維對混凝土工作性的影響，進而得到滿足工作性能要求的纖維納米混凝土的最優(yōu)配合比．

1 基于工作性的配合比設(shè)計方法

基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設(shè)計分為3步[1]：

第1步：確定水膠比．按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[2]選定水膠比．

式中：mw為拌合水質(zhì)量，mb為膠凝材料（包括納米材料）質(zhì)量．

第2步：確定砂漿中水泥漿體富余系數(shù)．

式中：Vp為水泥漿體體積，m3；Vos為細骨料松堆時的空隙體積，m3．

第3步：確定混凝土中砂漿富余系數(shù)．

式中：Vm為砂漿體積，m3；Vog為粗骨料松堆時的空隙體積，m3．

顯然，為了保證砂漿和混凝土的工作性，水泥漿體富余系數(shù)和砂漿富余系數(shù)都應(yīng)大于1．納米材料的加入會影響水泥漿富余系數(shù)，而鋼纖維的加入則會影響砂漿富余系數(shù)．

2 試驗概況

試驗采用42.5普通硅酸鹽水泥；粒徑為5～20 mm、連續(xù)級配的碎石；級配良好的中砂，細度模數(shù)為2. 68；端鉤型鋼纖維，長徑比55，抗拉強度1 250MPa；納米SiO2（NS）：平均粒徑30 nm，比表面積(200 ±10)m2/g，表觀密度40～60 g/L，雜質(zhì)含量＜0.5%；納米CaCO3（NC）平均粒徑15～40 nm，pH值8.0～9.0，比重2.5～2.6 g/cm3，雜質(zhì)含量2.5%；拌合水為飲用自來水；聚羧酸鹽高效減水劑，減水率20%～30%．2.1水泥漿體富余系數(shù)

按JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》選定C40、C60、C80混凝土的水膠比分別為0.47、0.31、0.27，相應(yīng)減水劑摻量分別取水泥質(zhì)量的0.75%、1.0%、1.25%．C40、C60、C80混凝土分別取水泥漿體富余系數(shù)2.4、2.6、2.8作為初始值，計算對應(yīng)的砂子質(zhì)量，以及水泥漿體富余系數(shù)每降低0.1對應(yīng)的砂子質(zhì)量．

按確定的水膠比和初始漿體富余系數(shù)配制砂漿并測定砂漿擴展度．水泥漿體富余系數(shù)降低0.1，加入對應(yīng)的砂子，再次攪拌并測定擴展度，如此往復(fù)，直至砂漿的擴展度有非常顯著的下降，取前一次的值作為最佳水泥漿體富余系數(shù)．以C60混凝土為例，最佳水泥漿體富余系數(shù)為1.9，見圖1．

圖1 不同水泥漿體富余系數(shù)對應(yīng)的砂漿擴展度Fig.1 The slump flow ofmortar for differentsurplus coefficientof paste

考慮Nano-SiO2的影響，分別用0.5%、1.0%和1.5%的Nano-SiO2替代水泥，用相同的方法測定相應(yīng)的水泥漿體富余系數(shù)，從而得出Nano-SiO2摻量對水泥漿體富余系數(shù)的影響．以有資料表明，Nano-CaCO3對混凝土流動性的影響較小，作為驗證，僅測定3.0%的Nano-CaCO3替代水泥時的水泥漿體富余系數(shù)．

2.2 砂漿富余系數(shù)

按水泥漿體富余系數(shù)試驗確定的最優(yōu)砂漿組分作為基質(zhì)，取砂漿富余系數(shù)2.4作為初始值，計算出相應(yīng)的石子質(zhì)量，及砂漿富余系數(shù)每降低0.2對應(yīng)的砂子質(zhì)量．按初始砂漿富余系數(shù)，將水泥、水、砂子和石子放入強制式混凝土攪拌機中配制混凝土．按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌和物性能試驗》[3]的要求測定混凝土拌和物的坍落度和擴展度．

砂漿富余系數(shù)降低0.2，再次攪拌并測定坍落度和擴展度，如此往復(fù)，直至混凝土的坍落度和擴展度不滿足工作性能的要求，取前一次的砂漿富余系數(shù)作為最佳砂漿富余系數(shù)值．以C60混凝土為例，最佳砂漿富余系數(shù)為1.8，見圖2．

考慮鋼纖維體積率的影響分別摻加0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的鋼纖維，用相同的方法測定相應(yīng)的砂漿富余系數(shù)，從而得出鋼纖維體積率對砂漿富余系數(shù)的影響．

圖2 不同砂漿富余系數(shù)對應(yīng)的混凝土擴展度Fig.2 The slump flow of concrete fordifferentsurp lus coefficientofmortar

3 試驗結(jié)果分析

3.1水泥漿體富余系數(shù)

混凝土基體強度等級和Nano-SiO2摻量對水泥漿體富余系數(shù)的影響分別見圖3和圖4．由圖3和圖4可見，隨混凝土強度等級和Nano-SiO2摻量增大，漿體富余系數(shù)均明顯增大．已有研究表明，Nano-CaCO3對混凝土流動性的影響不大，本文的試驗結(jié)果也驗證了這一點，如圖3a）所示，Nano-CaCO3摻量達到3%，但其流動性與未摻加時相比沒有明顯變化．

圖3 混凝土基體強度等級對水泥漿體富余系數(shù)的影響Fig.3 The influence ofmatrix strength gradeon surplus coefficientof paste

圖4 Nano-SiO2對水泥漿體富余系數(shù)的影響Fig.4 The influenceof Nano-SiO2on surplus coefficientof paste

3.2 砂漿富余系數(shù)

未摻加Nano-SiO2和鋼纖維時，強度等級對砂漿富余系數(shù)的影響見圖5．可以看出，C40和C60混凝土的擴展度和坍落度相近，C80混凝土則有明顯降低．摻加1.0%的Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的砂漿富余系數(shù)見圖6．加入Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的擴展度和坍落度均有所減小，砂漿富余系數(shù)越低，降幅越明顯．

鋼纖維體積率超過1.0%后，混凝土的擴展度很小，因此，鋼纖維對體積率對砂漿富余系數(shù)的影響僅測定了混凝土的坍落度，見圖7．隨鋼纖維體積率增大，混凝土的坍落度明顯降低．C40混凝土按坍落度不小于50 mm來確定砂漿富余系數(shù)，鋼纖維體積率每增大0.5%，砂漿富余系數(shù)增大0.1．C60混凝土按坍落度不小于35mm來確定砂漿富余系數(shù)，鋼纖維體積率每增大0.5%，砂漿富余系數(shù)增大0.1．

3.3 纖維納米混凝土配合比

在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，纖維納米混凝土的配合比可按如下方法設(shè)計：對于C40混凝土，鋼纖維體積率每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加7 kg，砂率不變．對于C60混凝土，鋼纖維體積率每增大0.5%，用水量增加4 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率不變．

圖5 混凝土基體強度等級對砂漿富余系數(shù)的影響Fig.5 The influence ofmatrix strength grade on surpluscoefficientofmortar

圖6 Nano-SiO2對砂漿富余系數(shù)的影響Fig.6 The influenceofNano-SiO2on surpluscoefficientofmortar

圖7 鋼纖維體積率對砂漿富余系數(shù)的影響Fig.7 The influence of volume fraction of steel fiber on surp lus coefficientofmortar

4 結(jié)論

1）基于工作性能要求，提出了纖維納米混凝土配合比設(shè)計方法．該方法通過引入漿體富余系數(shù)和砂漿富余系數(shù)，將部分混凝土的工作性試驗轉(zhuǎn)化為水泥砂漿的試驗，減少了試驗量．

2）水泥漿體富余系數(shù)和砂漿富余系數(shù)的值穩(wěn)定，應(yīng)用于其他試驗或工程時只需測出方便量測的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)即可，具有普遍適用性．

3）試驗結(jié)果既反映出納米材料和鋼纖維對水泥漿體富余系數(shù)和砂漿富余系數(shù)的影響，也可換算成納米材料和纖維對用水量和砂率的影響，得出纖維納米混凝土的最優(yōu)配合比．

[1]韓小華．基于工作性的混凝土配合比設(shè)計方法研究[D]．北京：清華大學(xué)，2010：60-63．

[2]JGJ55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：9-16．

[3]GB/T50080-2002，普通混凝土拌和物性能試驗[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003：9-10．

[責(zé)任編輯 楊屹]

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concrete based onworkability

ZHAO Liang-ping1，GAO Dan-ying1，WANG Li2，ZHOU Chang-wei1

(1.Research Centreof New StyleBuildingM aterialand Structure,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou450002,China;2.Hubei ShuizongWater Resource and Hydropower Construction Co Ltd,HubeiWuhan 430034,China)

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concretebased onworkabilitywasadopted to determine theeffectsofnano-materialsand volume fraction ofsteel fiberon surpluscoefficientofpasteand surpluscoefficientofmortar.Theoptimalmix proportion of fiberand nanometermaterials reinforced concretewasproposed.The resultsshow thatthismethod can provide reference forengineeringapplication of fiberand nanometermaterials reinforced concretew ith less testsbutaw ideapplicability.

m ix proportion design of concrete;workability;nanometermaterials;surplus coefficientof paste;surplus coefficientofmortar

TU 528.572

A

1007-2373(2014)06-0089-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.023

2014-06-17

國家自然科學(xué)基金（51178434）

趙亮平（1986-），男（漢族），博士生．Email：zhaolp19862@163.com．