高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中對(duì)原材料的選擇與分析

(南平市公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，南平 353000)

高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中對(duì)原材料的選擇與分析

■廖振標(biāo)

(南平市公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，南平 353000)

高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)為原材料選擇，其好壞直接影響水泥混凝土的工作性和強(qiáng)度發(fā)展要求。本文以某高速公路橋梁工程現(xiàn)澆梁片為工程背景，從水泥、骨料、外摻料、減水劑等材料原則和方法出發(fā)，對(duì)高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中所用原材料的選擇進(jìn)行初步分析，為同類工程提供借鑒。

高強(qiáng)混凝土 配合比設(shè)計(jì) 原材料選擇

1 引言

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，首先必須找出影響強(qiáng)度的主要因素及其規(guī)律，特別是原材料不同的混凝土，其強(qiáng)度差異高低偏差很大。

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。

2 工程概況

某高速公路橋梁工程現(xiàn)澆梁片，采用泵送方法施工，現(xiàn)場有比水泥南方P.052.5級(jí)及南方P.042.5級(jí)普通硅酸鹽水泥供選擇、天然中砂，5～20mm碎石，外加劑為聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠結(jié)料的1.3%，減水率大于25%，，混凝土單方用水量為160kg。

3 原材料

3.1 水泥

水泥品種和膠凝物質(zhì)的數(shù)量是影響水泥混凝土強(qiáng)度和工作性的主要因素。從試驗(yàn)和觀察水泥混凝土的破壞過程可知，混凝土其破壞常常發(fā)生在水泥石與骨料的界面處，強(qiáng)度主要取決于水泥石與骨料的粘結(jié)力。因此水泥品種的確定非常重要，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，與水泥材料本身強(qiáng)度和粘結(jié)力有很大關(guān)系。在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，水泥的強(qiáng)度等級(jí)的選用要求應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，或者是略低于混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，最好控制在水泥混凝土對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的0.9～1.5倍范圍內(nèi)，方能滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)中膠凝物質(zhì)的數(shù)量最高控制范圍要求。

為便于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合工程概況中的數(shù)據(jù)，根據(jù)鮑羅米混凝土強(qiáng)度公式fcu.0=0.304fce(C/W+ 0.62)分別計(jì)算水膠比，基準(zhǔn)水泥用量等參數(shù)如表1和表2所示。

表1 采用水泥強(qiáng)度等級(jí)最低強(qiáng)度計(jì)算水泥用量表

表2 采用水泥最低強(qiáng)度為砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)0.9倍計(jì)算水泥基準(zhǔn)用量表

通過上述表1和表2中數(shù)據(jù)比較，在相同用水量和高性能減水劑摻配比例的前提下，為保證混合料具有相同的工作度，采用南方P.042.5級(jí)水泥配制C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土根據(jù)鮑羅米混凝土強(qiáng)度公式fcu.0=0.304fce(C/W+ 0.62)計(jì)算所得水泥用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)要求范圍，按照工程經(jīng)驗(yàn)需要通過摻入部分外摻料(硅粉和粉煤灰)在混凝土中兼起活性粘結(jié)料和填料的作用，以實(shí)現(xiàn)減低水泥用量，提高混凝土強(qiáng)度的目的；而采用南方P.052.5級(jí)水泥配制C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土，水泥用量完全可以不借助摻入外摻料(硅粉和粉煤灰)就可以滿足規(guī)范用量要求。從施工實(shí)踐證明可知，水泥混凝土中膠凝物質(zhì)的數(shù)量直接影響到水泥石與界面的粘結(jié)力，為保證具有一定的工作度，應(yīng)增加砂漿中膠凝材料的比例，水泥用量要高，但一般不宜超過橋涵規(guī)范要求范圍內(nèi)，否則，易于引起水化期間散熱太慢或收縮量過大等問題。從經(jīng)濟(jì)上考慮，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。

綜合上述，對(duì)水泥品種及強(qiáng)度等級(jí)的選用，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目工程自身特點(diǎn)結(jié)合周邊附近水泥供應(yīng)情況，制定符合本項(xiàng)目施工要求的技術(shù)指標(biāo)以彌補(bǔ)我國現(xiàn)階段大部分水泥廠家28天水泥強(qiáng)度富余系數(shù)不足之缺點(diǎn)，并通過項(xiàng)目材料招標(biāo)合同得以實(shí)現(xiàn)。

3.2 骨料

水泥混凝土的骨料有細(xì)骨料和粗骨料之分。配制高強(qiáng)混凝土過程中，骨料選用應(yīng)按以下幾點(diǎn)原則進(jìn)行選取。

3.2.1 細(xì)骨料

細(xì)骨料可分為天然砂和機(jī)制砂，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。作為混凝土填充材料，在地材相對(duì)豐富的地方，優(yōu)先使用含泥、含粉量低，級(jí)配良好的天然中砂或粗砂，最好是圓形顆粒級(jí)配良好的天然河砂，以采用潔凈的石英質(zhì)河砂為佳，可以避免混凝土過于干硬。在天然砂嚴(yán)重匱乏的情況下，可以考慮使用技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求的機(jī)制砂。

3.2.2 粗骨料

粗骨料在混凝土的組織結(jié)構(gòu)中起主要骨架作用，粗骨料的性能對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量起到?jīng)Q定性的制約作用。混凝土強(qiáng)度的影響主要取決于骨料強(qiáng)度、表面特性、粒料級(jí)配及最大粒徑等四方面性能。

(1)骨料強(qiáng)度

作為混凝土骨架的材料，其強(qiáng)度的高低會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。若所選的骨料成為混凝土合格骨料，其抗壓強(qiáng)度是有一定要求的。一般情況下，所選的骨料抗壓強(qiáng)度要達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.5～2.0倍，才能在其本身材料上有效地保證混凝土強(qiáng)度。對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言，從骨料作為混凝土骨架和抗變形的作用來說，若一味的增加水泥用量以及改變水膠比，不能很好地提高混凝土強(qiáng)度。因?yàn)楣橇蠌?qiáng)度不高，不論如何改變水泥用量或水膠比，都不能達(dá)到高強(qiáng)混凝土的要求。

(2)骨料表面特性因素

作為混凝土骨架的碎石從加工特性上通常有球形、立方體形、針狀及片狀等，從實(shí)際工程的應(yīng)用情況看，球形和立方體形的碎石拌制的混合料效果較好，而片狀和針狀效果較差。針片狀碎石會(huì)增加混凝土空隙率，影響混凝土攪拌時(shí)的和易性，降低骨料的粘結(jié)力，在受到外部的各種應(yīng)力時(shí)，容易發(fā)生折斷；同時(shí)在高空隙率的條件下，混凝土容易發(fā)生泌水，坍落度損失較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。所以要配制高強(qiáng)混凝土，應(yīng)采用球形或立方體形的碎石，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粉塵，否則要影響混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力。

(3)骨料最大粒徑

有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，在較小的混凝土水膠比的情況下，碎石的最大粒徑會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。對(duì)于大部分的巖石而言，只要把最大粒徑控制在9.5～16mm范圍內(nèi)，就能很好的控制骨料存在的缺陷，甚至可以消除。為使表面積增加的多(可改善總的粘結(jié)作用)，骨料最大粒徑(方孔篩)一般要低于19mm。通常用粒徑為4.75～16mm的骨料可得到最大強(qiáng)度，采用4.75～9.5mm或4.75～16mm粒級(jí)的骨料是最適宜的。

(4)骨料的粒料級(jí)配

骨料的級(jí)配對(duì)混凝土的力學(xué)性能有著很大的影響，好的骨料級(jí)配應(yīng)該是在保證密實(shí)度的前提下能夠減少水泥用量，因而需要大堆積密度和小空隙率，通過減少表面積來減少潤滑骨料的用水。但為確保混凝土的和易性要求，需要一段的細(xì)骨料，粗骨料占石子總量70%時(shí)，堆積密度可達(dá)到最大，混凝土強(qiáng)度可達(dá)到最大。

綜合上述，粗骨料的選擇，應(yīng)從骨料的本身巖性特性及加工特性方面綜合考慮。

3.3 外摻料

水泥混凝土中礦物摻合料可包括粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅粉等材料。配制高強(qiáng)混凝土用粉煤灰、?；郀t礦渣粉等量替代部分水泥可以改善工作度，降低水化熱，減少高效減水劑用量，減少坍落度隨時(shí)間的損失，并增加混凝土的強(qiáng)度。硅粉在混凝土中兼起活性粘結(jié)料和填料的作用，以實(shí)現(xiàn)減低水泥用量，提高混凝土強(qiáng)度的目的；工程實(shí)踐上，配制高強(qiáng)混凝土用礦渣或粉煤灰同時(shí)加入少量硅粉成為常態(tài)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度高于C80時(shí)，摻加硅粉幾乎成為獲得高強(qiáng)的唯一手段。因此，外摻料的選擇應(yīng)視工程自身特點(diǎn)和要求及經(jīng)濟(jì)性而定。

3.4 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膠比，從而取得提高強(qiáng)度和密實(shí)度的效果。無論何種高效減水劑，使用前一定要結(jié)合工程自身特點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量復(fù)試及水泥的相容性等試驗(yàn)。

4 結(jié)語

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，原材料的選擇既要滿足項(xiàng)目工程經(jīng)濟(jì)性上的要求，又要滿足使用高質(zhì)量材料及執(zhí)行更嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，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，增加工程項(xiàng)目的施工風(fēng)險(xiǎn)。

[1]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]CECS104-1999，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，1999.

[3]GB175-2007，通用硅酸鹽水泥[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.