自密實混凝土配合比設計方法和步驟

羅建平

（中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江杭州310004）

自密實混凝土配合比設計方法和步驟

羅建平

（中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江杭州310004）

自密實混凝土與普通混凝土相比，自密實混凝土關鍵性能特征是能夠依靠自重作用沖模、密實，而不需要外力振搗，這不僅要求混凝土有較大的流動性，而且還要求有較好的粘聚性。文章從自密實混凝土原材料的選擇以及自密實混凝土的配合比設計原則來研究探討配合比設計方法，總結出了自密實混凝土的配合比設計步驟，并通過試驗進行驗證。

自密實混凝土；自密實性；配合比設計；設計步驟

自密實混凝土具有很高的流動性而不離析、不泌水，能不經(jīng)振搗或少振搗而自動流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。由于自密實混凝土對振搗的消除，顯著降低了普通振搗混凝土施工中的噪音污染，明顯改善混凝土的施工性，降低勞動成本；節(jié)約振搗機具和能耗，從而減少機械費用及人工費用，具有較好的經(jīng)濟效益。且在生產(chǎn)中需大量添加粉煤灰、?；郀t礦渣等工業(yè)廢料，又有利于資源得到有效的利用。

1 原材料的選擇

1.1 水 泥

配制自密實混凝土一般采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，應符合國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。而對于有溫控要求的大體積自密實混凝土需要選用礦渣硅酸鹽水泥、中熱或低熱水泥，水泥需具有較低的需水性，并能與所用的高效減水劑有較好的相容性。

1.2 摻和料

自密實混凝土中摻加摻和料主要目的是改善混凝土的工作性、提高混凝土耐久性和降低混凝土水化熱?？蛇x用粉煤灰、?；郀t礦渣粉等作為礦物摻和料。粉煤灰應符合國家標準GB/ T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定，自密實混凝土優(yōu)先使用I級粉煤灰，也可以使用II級粉煤灰，但要控制需水量比不超過100%。?；郀t礦渣粉應符合國家標準GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的規(guī)定，自密實混凝土宜使用S95級礦渣粉。

1.3 骨 料

粗骨料宜采用連續(xù)級配或2個及以上單粒徑級配搭配使用，最大公稱粒徑不宜大于20 mm；對于結構緊密的豎向構件、復雜形狀的結構以及有特殊要求的工程，粗骨料的最大粒徑不宜大于16 mm。粗骨料中的針片狀顆粒含量對自密實混凝土間隙通過性影響較大，其含量不宜超過8%，粗骨料含泥量及泥塊含量應分別小于1.0%，0.5%。

細骨料宜采用級配II區(qū)的中砂，天然砂的含泥量、泥塊含量以及人工砂的石粉含量應符合標準JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》的規(guī)定。

1.4 外加劑

外加劑性能應符合GB8076-2008《混凝土外加劑》和GB50119-2003《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》中的有關規(guī)定。外加劑應具有較大的減水率、較好的緩凝保塑性。

對于有抗凍要求的自密實混凝土需摻加引氣劑，其摻量應控制含氣量不超過5%為限，含氣量過大不僅會嚴重降低混凝土強度，而且會影響到自密實混凝土的流動性。

自密實混凝土拌合物因流動度大常有離析現(xiàn)象，一般在外加劑中摻加增稠劑來解決，增稠劑應用最多的有纖維素醚和甲基纖維素兩種。

2 自密實混凝土拌合物性能試驗方法

自密實混凝土拌合物除應滿足普通混凝土拌合物工作性外，還應滿足自密實性能要求。自密實混凝土自密實性能包括：填充性能、抗離析性能、間隙通過性能。其中填充性能是自密實混凝土拌合物的必檢項目，對高流動高填充性的自密實混凝土，應有抗離析性能要求。

填充性能：用坍落擴展度和擴展時間T500檢測與判別。填充性能是自密實混凝土拌合物控制性指標，按施工難易程度分為3個性能等級，①無配筋或少配筋的混凝土結構物、泵送澆筑施工的工程、截面較小無需水平長距離流動的豎向結構物，坍落擴展度要求在550～655 mm；②一般的普通鋼筋混凝土結構，坍落擴展度要求在660～755 mm，擴展時間T500不小于2 s；③結構緊密的豎向構件、形狀復雜的結構，粗骨料最大粒徑不大于16 mm，坍落擴展度要求在760～850 mm，擴展時間T500不大于2 s。

抗離析性能：用離析率判別?？闺x析性能是自密實混凝土拌合物自密實性能可選指標，按流動距離和鋼筋密集程度分為2個性能等級，①混凝土流動距離小于5 m、鋼筋凈距大于80 mm的薄板和豎向結構，離析率不大于20%；②混凝土流動距離大于5 m、鋼筋凈距大于80 mm的豎向結構，離析率不大于15%；當混凝土流動距離大于5m、鋼筋凈距小于80 mm的豎向結構，離析率宜小于10%。

3 自密實混凝土配合比設計原則

配制自密實混凝土主要平衡高流動性和抗離析性之間的矛盾，通過試驗正確選擇砂、石體積是自密實混凝土配合比設計中的主要參數(shù)指標。自密實混凝土配合比設計原則主要包括以下4條：

和易性要求：自密實混凝土不僅具有流動性、粘聚性和保水性，而且要具有自密實性。

強度要求：符合設計要求的強度等級。

耐久性要求：自密實混凝土由于膠凝材料和用水量較大，導致收縮也大，因此必須處理好自密實性、力學性和體積穩(wěn)定性等方面的關系。

經(jīng)濟性要求：在確保和易性、強度和耐久性要求的前提下，盡量減少水泥和外加劑用量。

4 自密實混凝土配合比設計方法和步驟

4.1 確定單方混凝土中粗骨料和細骨料用量

配制自密實混凝土配合比時，在水膠比、用水量與膠凝材料用量確定的情況下，粗骨料的體積是影響混凝土拌合物和易性的重要因素。經(jīng)過大量試驗成果表明，中低強度自密實混凝土每方用量中粗骨料密實體積宜控制在0.28～0.35 m3。粗骨料體積含量過小時，會顯著降低混凝土彈性模量等力學性能；粗骨料體積含量過大時，則會顯著降低混凝土拌合物的和易性，不能滿足自密實性能的要求。

除粗骨料外，自密實混凝土中的砂漿性質(zhì)對混凝土拌合物和易性起到關鍵作用。而砂漿中砂的體積分數(shù)能顯著影響砂漿的稠度，從而影響到混凝土拌合物的和易性。通過試驗統(tǒng)計，中低強度自密實混凝土砂漿中砂的體積分數(shù)在0.42～ 0.45之間為宜。過大會降低混凝土的強度和影響混凝土自密實性能；過小則會造成混凝土收縮，體積穩(wěn)定性差。

1）粗骨料用量確定

選定每立方米混凝土中粗骨料體積，測定粗骨料的表觀密度，可求出每方混凝土中粗骨料用量。計算公式為：

式中：Mg——每方混凝土中粗骨料用量，kg；ρg——粗骨料的表觀密度，kg/m3；Vg——每方混凝土中粗骨料體積，m3。

2）細骨料用量確定

式中：Vm——每方混凝土中砂漿體積，m3；Vg——每方混凝土中粗骨料體積，m3。

選定砂漿中砂的體積分數(shù)θs，測定細骨料的表觀密度ρs，可求出每方混凝土中砂的體積Vs和質(zhì)量Ms。計算公式：

式（3）（4）中：VS——每方混凝土中砂的體積，m3；Vm——每方混凝土中砂漿體積，m3；θs——砂漿中砂的體積分數(shù)，取值在0.42～0.45；Ms——每方混凝土中砂的質(zhì)量，kg；ρs——細骨料的表觀密度，kg/m3。

4.2 計算自密實混凝土配制強度及水膠比

根據(jù)自密實混凝土的設計強度等級，按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的規(guī)定選取混凝土強度標準差,可得出自密實混凝土配制強度,計算公式如下：

式中：fcu，o——混凝土配制強度，MPa；fcu，k——混凝土設計強度等級，MPa；σ——混凝土強度標準差，MPa。

自密實混凝土水膠比與混凝土配制強度以及工程所用的原材料密切相關，可通過試驗建立水膠比與自密實混凝土抗壓強度關系式求得。當不具備上述試驗統(tǒng)計資料時，也可按下式計算：

式中：W/B——混凝土水膠比；fce——水泥實測抗壓強度，MPa；β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分數(shù)；y——礦物摻合料膠凝系數(shù)；粉煤灰（≤0.3）可取0.4，礦渣（≤0.4）可取0.9；fcu，o——混凝土配制強度，MPa。

4.3 計算單方混凝土用水量

單方混凝土中水泥漿體積Vp等于1 m3混凝土拌合物中砂漿體積Vm減去砂體積Vs求出，計算式如下：

單方混凝土用水量按照體積計算法的公式來計算，如下式所示：

式中：Vw——單位用水量體積，m3；Vp——水泥漿體積，m3；Vo——拌合物含氣量，可考慮2%的含氣量，m3；ρc，ρm——水泥、礦物摻和料表觀密度，g/ cm3；β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分數(shù)；B/W——膠水比，即水膠比的倒數(shù)。

根據(jù)求出的單位用水量體積Vw，乘以水的密度(1 000 kg/m3)算出單方混凝土中的用水量Mw。

4.4 計算膠凝材料用量

通過以上公式得出的水膠比和單位用水量，即可求出單方混凝土中膠凝材料總用量，根據(jù)膠凝材料中礦物摻和料的質(zhì)量分數(shù)，得到單方混凝土中礦物摻和料質(zhì)量和水泥的質(zhì)量。如下式所示：

式中：Mb——單方混凝土膠凝材料總用量，kg；Mw——單方混凝土用水量，kg；W/B——水膠比；Mm—單方混凝土礦物摻合料用量，kg；β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分數(shù)；Mc——單方混凝土水泥用量，kg。

4.5 外加劑摻量

由于每種外加劑對自密實混凝土工作性能的影響各不相同，試驗中可按照經(jīng)驗及自密實混凝土的工作性能來調(diào)整摻量。

4.6 自密實混凝土配合比的試配、調(diào)整

根據(jù)上述計算得到初步混凝土配合比進行試拌，檢查拌合物自密實性能的填充性、間隙通過性和抗離析性。當自密實性能滿足要求時，需制作28 d齡期混凝土抗壓強度試件，如果拌合物自密實性能不能滿足要求時應加以調(diào)整，應在保證水膠比不變的原則下合理調(diào)整膠凝材料用量、外加劑用量或砂的體積分數(shù)，直到符合要求為止。

5 自密實混凝土配合比設計實例

5.1 自密實混凝土性能設計要求

強度等級：C40

坍落擴展度：650 mm±50 mm

5.2 原材料性能

臺泥重慶水泥廠生產(chǎn)的臺泥牌P.O42.5級水泥，實測強度為49.0 MPa，水泥密度為3.08 g/cm3；重慶華珞電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰密度為2.24 g/cm3；粗骨料為碎石，5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2.65 g/cm3；細骨料為河砂，細度模數(shù)2.70，表觀密度2.65 g/cm3；外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑；拌合用水為飲用水。

5.3 初步配合比設計

按照上文自密實混凝土配合比設計方法和步驟，1 m3自密實混凝土中粗骨料密實體積取0.32 m3，砂漿中砂的體積分數(shù)取0.42，粉煤灰摻量質(zhì)量分數(shù)為0.3，減水劑摻量通過試驗確定，經(jīng)過計算，得到C40自密實混凝土初步配合比如下：水膠比為0.34，水泥為368 kg/m3，粉煤灰為158 kg/m3，石子為848 kg/m3，砂子為768 kg/m3，單位用水量為179 kg/m3，蘇博特聚羧酸高效減水劑摻量為1.2%。

5.4 試驗驗證

按照上文計算得到的初步自密實混凝土配合比進行混凝土試拌，測試拌合物的自密實性能以及28 d齡期硬化抗壓強度，驗證結果表明：混凝土拌合物自密實性能優(yōu)良，混凝土拌合物坍落擴展度為660 mm，擴展時間T500為2.3 s，離析率為17.5%，28 d立方體抗壓強度為48.5 MPa，達到了配制強度要求，同時滿足自密實混凝土工作性能要求。

6 結語

文章根據(jù)自密實混凝土工作性的特點和配制原理，對配合比設計方法進行了研究，提出了自密實混凝土配合比設計步驟。得到結論如下：

1）自密實混凝土配合比設計主要從自密實性、力學性、體積穩(wěn)定性三方面要求確定了配合比設計參數(shù)：每立方混凝土中粗骨料體積宜在0.28～0.35 m3之間，細骨料占砂漿中的體積比范圍為0.42～0.45，自密實混凝土水膠比宜小于0.45。

2）提出的自密實混凝土配合比設計步驟簡明，公式明確，計算簡便，且自密實混凝土性能可靠，其有效性得到了試驗驗證。

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TV528.1 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

B

1002—0624（2017）09—0017—03

2017-01-20