淺談高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中原材料的選擇

廖振標(biāo)

（南平市公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心）

淺談高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中原材料的選擇

廖振標(biāo)

（南平市公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心）

高強(qiáng)混凝土成品結(jié)構(gòu)從原材料選擇到最終成品要經(jīng)歷原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、混合料攪拌、混合料運(yùn)輸、混合料振搗、成品養(yǎng)生、成品保護(hù)等環(huán)節(jié)。選材作為高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，原材料選擇的好壞直接影響水泥混凝土的工作性和強(qiáng)度發(fā)展要求。

高強(qiáng)混凝土；原材料；選擇

前言

水泥混凝土是一種復(fù)雜的非勻質(zhì)材料，其硬化體至少包含粗、細(xì)集料、未水化的水泥顆粒、氫氧化鈣及其它結(jié)晶顆粒、水泥凝膠、凝膠孔隙，毛細(xì)管、孔隙水及氣泡等各種組分，要配制出高強(qiáng)度的混凝土，首先必須研究影響強(qiáng)度的主要因素及其規(guī)律，從而可以看出影響混凝土強(qiáng)度的因素也是非常復(fù)雜的。特別是原材料不同的混凝土，其強(qiáng)度差異高低也很大。

高強(qiáng)混凝土成品結(jié)構(gòu)從原材料選擇到最終成品要經(jīng)歷原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、混合料攪拌、混合料運(yùn)輸、混合料振搗、成品養(yǎng)生、成品保護(hù)等環(huán)節(jié)。選材作為高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，原材料選擇的好壞直接影響水泥混凝土的工作性和強(qiáng)度發(fā)展要求。筆者通過多年從事高速公路水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中原材料的選擇做些工作交流。

1　膠凝材料

膠凝材料是影響水泥混凝土強(qiáng)度的主要因素。從觀察和研究水泥混凝土的破壞過程可知，對(duì)于采用優(yōu)質(zhì)骨料配制的混凝土，其破壞常常發(fā)生在水泥石與骨料的界面處。換而言之，水泥混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥石與骨料的粘結(jié)力。因此在水泥混凝土材料中，選擇膠凝材料是非常重要的，它不僅要把骨料粘結(jié)在一起，而且本身硬化后還必須具有高的強(qiáng)度，以承受荷載，骨料能否發(fā)揮作用，與膠凝材料本身強(qiáng)度和粘結(jié)力有很大關(guān)系。

1.1水泥品質(zhì)

配制高強(qiáng)混凝土，應(yīng)采用礦物組成合理、細(xì)度合格的高強(qiáng)度等級(jí)的水泥，但并非所有的水泥都能用于生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土。

1.1.1水泥的品種和強(qiáng)度等級(jí)

一般常選用品質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度等級(jí)較高的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，因?yàn)榭梢垣@得較高的最終強(qiáng)度。過去，配制高強(qiáng)混凝土?xí)r比較困難的，在選擇水泥時(shí)，水泥的強(qiáng)度等級(jí)往往是水泥混凝土對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的0.9～1.5倍，也即是說水泥的強(qiáng)度等級(jí)一般應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)得混凝土強(qiáng)度等級(jí)，或者是略低于混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。現(xiàn)階段在我國(guó)，隨著材料性質(zhì)及工藝方法的改進(jìn)，尤其是外加劑的廣泛應(yīng)用，配制高強(qiáng)混凝土也將更加容易。

1.1.2水泥的礦物組成和細(xì)度

水泥的選擇能影響混凝土的強(qiáng)度。要求水泥具有較高的C3S含量和細(xì)度（3500～4000cm2/g）的特性。水泥在使用前，磨得愈細(xì)，比表面積愈大，水化反應(yīng)更充分，強(qiáng)度愈高。較高的硅酸三鈣（C3S）含量和細(xì)度雖然是水泥強(qiáng)度的決定因素，但二者并非唯一的決定因素。合適的水泥理應(yīng)通過試驗(yàn)確定。如果不說水泥均勻性比強(qiáng)度更為重要，至少均勻性也與潛在強(qiáng)度的獲得具有同樣的重要性。

1.2水泥用量

生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土，膠凝物質(zhì)的數(shù)量是至關(guān)重要的。它直接影響到水泥石與界面的粘結(jié)力。從施工要求講，也應(yīng)具有一定的工作度。為了增加砂漿中膠凝材料的比例，水泥用量要高，但一般不宜超過500kg/m3范圍內(nèi)，否則，易于引起水化期間散熱太慢或收縮量過大等問題。日本的一項(xiàng)資料認(rèn)為，當(dāng)用高效減水劑配制高強(qiáng)混凝土，水泥用量超過450kg/m3時(shí)對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的作用已不顯著。只要經(jīng)濟(jì)上可行，就應(yīng)減少水泥用量，最好是摻加一部分高質(zhì)量的粉煤灰或者其它粉狀硅質(zhì)材料（水泥與混合材料的總量不超過550～600kg/m3，粉煤灰摻量不宜超過膠結(jié)料重量的15%，沸石粉不宜超過10%，硅粉宜控制在3～8%）來提高混凝土強(qiáng)度，把水化放熱和干縮負(fù)作用減少到最低限度。

經(jīng)驗(yàn)表明，通過對(duì)各種水泥進(jìn)行試配，來確定制備高強(qiáng)混凝土所用水泥的種類和數(shù)量。在滿足既定抗壓強(qiáng)度的前提下，以經(jīng)濟(jì)適用作為選擇水泥的依據(jù)。為了使水泥用量最小，要求集料應(yīng)有最佳級(jí)配，并在拌制過程中保持均勻。

2　優(yōu)質(zhì)骨料

水泥混凝土的骨料有細(xì)集料和粗集料之分。配制高強(qiáng)混凝土，應(yīng)選用堅(jiān)硬、高強(qiáng)、密實(shí)而無(wú)孔隙和軟弱雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)骨料。

2.1細(xì)集料

在混凝土混合物中含砂量較大，相對(duì)地使用中砂或粗砂，最好是圓形顆粒級(jí)配良好的天然河砂，可以避免混凝土過于干硬。通常宜使用級(jí)配良好的中砂，細(xì)度模數(shù)宜控制在2.6～3.0之間，含泥量應(yīng)不大于1.0%，并盡可能降低含砂率，高強(qiáng)混凝土的砂率宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要控制在相關(guān)規(guī)范要求（采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制工藝宜控制在34%以下，采用泵送現(xiàn)澆工藝宜控制在34～40%之間）的范圍內(nèi)。混凝土拌合物也不應(yīng)太干硬，因?yàn)檫^于干硬的混凝土不便于現(xiàn)場(chǎng)澆筑。

在高強(qiáng)混凝土組成中，細(xì)集料所占比例同樣要比普通強(qiáng)度混凝土所用的量要少些。另外，砂的化學(xué)成分含量也是非常重要，技術(shù)指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格控制，以采用潔凈的石英質(zhì)河砂為佳。

2.2粗集料

粗集料在混凝土的組織結(jié)構(gòu)中起主要骨架作用。

粗集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要取決于：水泥漿及水泥砂漿與集料的粘結(jié)力、集料的彈性性質(zhì)、混凝土混合物中水上升時(shí)在集料下方形成的“內(nèi)分層”狀況、集料周圍的應(yīng)力集中程度等。對(duì)高強(qiáng)混凝土來說，粗集料的重要優(yōu)選特性是：抗壓強(qiáng)度、表面特性及最大粒徑等。配制高強(qiáng)混凝土應(yīng)選用硬質(zhì)高強(qiáng)集料，粗集料應(yīng)選擇堅(jiān)硬巖石軋制的碎石，碎石宜近似立方體，有棱角以及形成具有高內(nèi)摩擦力的骨架，表面組織應(yīng)粗糙，使其與水泥石具有良好的粘結(jié)力。

2.2.1粗集料的抗壓強(qiáng)度

為了制備高強(qiáng)度混凝土，要優(yōu)先采用抗壓強(qiáng)度高的粗集料，以免粗集料首先破壞。當(dāng)集料的母材抗壓強(qiáng)度大于混凝土的強(qiáng)度時(shí)，集料的質(zhì)量對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大，但含有多量的軟弱顆粒和針、片狀石料時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)大大降低。

在許多情況下，集料質(zhì)量可以是限制得到高強(qiáng)混凝土的主要因素。所以，在試配混凝土之前，應(yīng)合理地確定各種粗集料的抗壓強(qiáng)度，并應(yīng)盡量采用優(yōu)質(zhì)集料。按規(guī)范要求，配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，必須采用巖石抗壓強(qiáng)度指標(biāo)大于2.0的粗集料，即：

強(qiáng)度指標(biāo)=巖石抗壓強(qiáng)度/混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥2.0

所以，最好采用密致的花崗巖、輝綠巖、大理石等作集料，粒型應(yīng)堅(jiān)實(shí)并帶有棱角，集料級(jí)配應(yīng)在相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi)，但是，值得一提的是，即是采用最堅(jiān)硬的粗集料，也未必能配制出強(qiáng)度最高的混凝土，因?yàn)樗嗯c集料的粘結(jié)也必須考慮在內(nèi)。

2.2.2粗集料的表面特性

因?yàn)榛炷脸跄龝r(shí)，水化水泥與粗集料的粘結(jié)是以機(jī)械式為主，所以要配制高強(qiáng)混凝土，應(yīng)采用立方體的碎石，針片狀含量應(yīng)不大于5%，同時(shí)碎石的表面必須干凈而無(wú)粉塵，否則要影響混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力。必要情況下，應(yīng)對(duì)集料進(jìn)行沖洗，將含泥、含粉量降低到最低限度。

2.2.3粗集料的最大粒徑

試驗(yàn)研究表面，用以制備高強(qiáng)混凝土的粗集料，其最大粒徑與所配制的混凝土最大抗壓強(qiáng)度有一定的關(guān)系。為使表面積增加的多（因而可改善總的粘結(jié)作用），集料最大粒徑（方孔篩）一般要低于19mm。通常用粒徑為4.75～16的集料可得到最大強(qiáng)度，采用4.75～9.5mm或4.75～16mm粒級(jí)的集料是最適宜的。

3　拌合用水

通常，拌合用水的數(shù)量應(yīng)減到最低限度。在目前生產(chǎn)強(qiáng)度等級(jí)大部分為42.5～52.5的水泥條件下，為了節(jié)約水泥和正確利用水泥，在絕大多數(shù)情況下配制高強(qiáng)度混凝土，要求利用水灰比較小的干硬性混凝土。一般取水灰比0.24～0.38左右。

在拌制混凝土用的水中，不得含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害雜質(zhì)，其質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-2006）的規(guī)定。一般來說，如果對(duì)水質(zhì)有疑問時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)下列指標(biāo)：

（1）硫酸鹽含量（按SO42-計(jì)）小于0.0027mg/mm3；

（2）含鹽量不得超過0.005mg/mm3；

（3）pH值不得小于5；

（4）不得含有油污、泥和其他有害雜質(zhì)。

4　外摻料

用于高強(qiáng)混凝土的礦物摻合料可包括粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅灰、鋼渣粉和磷渣粉。粉煤灰應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596）中Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)的F類粉煤灰的規(guī)定要求，粒化高爐礦渣粉應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046）的規(guī)定，鋼渣粉應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GB/ T20491）的規(guī)定，磷渣粉應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用?；姞t磷渣粉》（JG/T317）的規(guī)定，硅灰應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736）的規(guī)定。

5　減水劑

減水劑（又稱塑化劑），特別是高性能減水劑，具有一定的引氣性，較高的減水率和良好的坍落度保持性能，摻入混凝土中，特別是干硬性混凝土中，可提高混凝土的流動(dòng)性。與其他減水劑相比，高性能減水劑在配制高強(qiáng)度混凝土和高耐久性混凝土?xí)r，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和較高的性價(jià)比。如果保持施工要求的流動(dòng)性不變，則可通過減少單位用水量，降低混凝土混合物的水灰比，從而取得提高強(qiáng)度和密實(shí)度的效果，高效減水劑的摻量宜為膠結(jié)料的0.5～1.2%的范圍內(nèi)，減水率應(yīng)大于28%以上。

無(wú)論選用何種高效減水劑，使用前一定要結(jié)合工程進(jìn)行高效減水劑的質(zhì)量復(fù)試以及和水泥的相容性試驗(yàn)。

6　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要配制出滿足工作性和強(qiáng)度發(fā)展要求的高強(qiáng)混凝土，其原材料的選擇要比普通混凝土嚴(yán)格的多，要求使用高質(zhì)量材料及執(zhí)行更嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，否則就會(huì)發(fā)生所配制的混凝土或者是強(qiáng)度不能滿足工程需要，或者是工作性能不能滿足工程要求。

[1]《水泥混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-2006）.

[2]《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50-2011）.

[3]《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS104-1999）.

[4]《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）.

TU528

A

1673-0038（2015）14-0114-02

2015-3-2