高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)

摘　要:介紹了高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足的基本要求,闡述了水泥、骨料、高效減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉在高強(qiáng)混凝土中的作用,并提出了技術(shù)要求,對(duì)高強(qiáng)混凝土配合比的設(shè)計(jì)、試配和調(diào)整進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)混凝土,配合比設(shè)計(jì),水灰比

中圖分類(lèi)號(hào): TU528. 31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

　　高強(qiáng)混凝土是指采用通用水泥、普通的砂石為原材料,使用一般的制作工藝,主要依靠摻加新型高效減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉,使新拌混凝土擁有良好的和易性,硬化后強(qiáng)度等級(jí)為C60 及其以上的混凝土。在道路與橋梁、隧道和工業(yè)與民用建筑等工程中應(yīng)用高強(qiáng)混凝土,可以節(jié)約水泥用量,減少鋼筋用量,縮小結(jié)構(gòu)物截面尺寸和提高混凝土的耐久性等。

1 　高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本要求

　　1) 滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。不論混凝土路面、橋梁或隧道等,在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位提出不同的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。為了保證結(jié)構(gòu)物的可靠性,在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí),必須考慮到結(jié)構(gòu)物的重要性、施工單位的施工水平等因素,采用一個(gè)比設(shè)計(jì)強(qiáng)度高的配制強(qiáng)度,才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

　　2) 滿(mǎn)足高施工性的要求。高強(qiáng)混凝土大多用于大跨度橋梁、長(zhǎng)隧道和高層鋼筋混凝土建筑物等中,這些建筑物配筋率大,混凝土澆筑困難,坍落度若小于15 cm ,施工很困難,故一般都采用18 cm 的坍落度。

　　3) 滿(mǎn)足高耐久性的要求。為了提高高強(qiáng)混凝土的抗碳化、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性和抗化學(xué)腐蝕性等,要求高強(qiáng)混凝土必須具有高耐久性。

　　4) 滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)的要求。在滿(mǎn)足高強(qiáng)度、高施工性和高耐久性的前提下,配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量降低高價(jià)材料的用量,降低工程造價(jià),同時(shí),盡量減少配合比設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)次數(shù),降低試驗(yàn)成本。

2 　高強(qiáng)混凝土的原材料

2. 1 　水泥

　　配制高強(qiáng)混凝土一般采用強(qiáng)度等級(jí)不小于42. 5 的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或特種水泥(球狀水泥、調(diào)粒水泥和活化水泥) 。水泥和摻加的礦物質(zhì)超細(xì)粉的總用量控制在500 kg/ m3 ～600 kg/ m3 范圍內(nèi)。

2. 2 　骨料

　　1) 骨料的品種應(yīng)選擇硬質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、玄武巖等母巖的碎石為粗骨料;細(xì)骨料應(yīng)選用河砂或碎石砂。2) 粗、細(xì)骨料的表觀密度應(yīng)控制在2. 65 kg/ m3 以上;粗骨料的吸水率應(yīng)低于1. 0 % ,細(xì)骨料的吸水率應(yīng)低于2. 5 %。3) 粗骨料的壓碎值應(yīng)低于10 % ,最大粒徑不應(yīng)大于25 mm ,針片狀顆粒含量不宜大于5. 0 % ,含泥量不應(yīng)大于0. 5 % ,泥塊含量不宜大于0. 2 %。4) 細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)宜大于2. 6 ,含泥量不應(yīng)大于2. 0 %,泥塊含量不宜大于0. 5 %。

　　5) 粗、細(xì)骨料的級(jí)配必須良好,這樣可以提高混凝土的密實(shí)度,從而提高混凝土的和易性和硬化后混凝土的強(qiáng)度。

2. 3 　高效減水劑

　　高強(qiáng)混凝土中應(yīng)摻加高效減水劑或緩凝高效減水劑,這樣就能在滿(mǎn)足施工要求的和易性條件下,顯著降低混凝土的用水量,降低水灰比,使混凝土更密實(shí),從而提高硬化后混凝土的強(qiáng)度等。

2. 4 　超細(xì)礦物質(zhì)摻合料

　　高強(qiáng)混凝土常用的超細(xì)礦物質(zhì)摻合料主要有硅粉、磨細(xì)礦渣、粉煤灰和天然沸石粉等,其作用主要有:

1) 滾球潤(rùn)滑作用;

2) 微集料作用;

3) 火山灰反應(yīng)作用。

3 　高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)

3. 1 　試配強(qiáng)度的確定

　　混凝土試配強(qiáng)度必須超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,以滿(mǎn)足強(qiáng)度保證率的需要,我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)J GJ 5522000 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定了普通混凝土強(qiáng)度的保證率為95 %時(shí),混凝土的試配強(qiáng)度f cu , o與混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f cu , k之間的關(guān)系為f cu , o= f cu , k + 1. 645σ,而對(duì)高強(qiáng)混凝土沒(méi)有規(guī)定,按日本規(guī)范規(guī)定,配制高強(qiáng)混凝土的試配強(qiáng)度公式為:

f cu , o = ( f cu , k + T) + K1σ。

　　式中: f cu , o ———混凝土試配強(qiáng)度,MPa ;

　　　　f cu , k ———混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa ;

　　　　T ———溫度修正系數(shù),即不同氣溫下的強(qiáng)度修正值,一般為4 MPa～6 MPa ;

　　　　K1 ———常數(shù),取2. 0～2. 5 ;

　　　　σ———混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,取3. 5 MPa。

3. 2 　水灰比W/ C

　　高強(qiáng)混凝土一般都要采取增密措施,水灰比一般在0. 4 以下,其強(qiáng)度變化規(guī)律已經(jīng)與鮑羅米公式相差較遠(yuǎn),它們的基準(zhǔn)水灰比只能按現(xiàn)有試驗(yàn)資料確定,然后通過(guò)試配予以調(diào)整。

3. 3 　單位用水量W

　　硬化后混凝土的強(qiáng)度通常與用水量成反比,因此,在施工和易性允許的條件下,混凝土的單位用水量應(yīng)盡可能小。對(duì)于高強(qiáng)混凝土由于其骨料最大粒徑波動(dòng)范圍很小為10 mm～25 mm ,坍落度波動(dòng)范圍也很小為18 cm～21 cm ,每立方米混凝土單位用水量的取用見(jiàn)表1 。

表1 　混凝土單位用水量的取用

3. 4 　水泥用量C

　　由上述得到的水灰比W/ C 和單位用水量W ,可計(jì)算出水泥用量C = W/ ( W/ C) 。但應(yīng)注意當(dāng)水泥用量超過(guò)某一最佳值后,在等流動(dòng)性下,混凝土強(qiáng)度將不會(huì)再提高。

3. 5 　超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的種類(lèi)與摻量

　　經(jīng)驗(yàn)表明:硅粉、磨細(xì)礦渣和天然沸石粉可等量替代水泥。保持混凝土的單位用水量和坍落度不變,混凝土中以5 %～7 %的硅粉置換相應(yīng)的水泥,強(qiáng)度提高10 %左右;以5 %～10 %的天然沸石粉置換相應(yīng)的水泥,強(qiáng)度提高10 %左右;以25 %的磨細(xì)礦渣置換相應(yīng)的水泥,強(qiáng)度也能提高10 %左右;而粉煤灰應(yīng)采用超量取代法摻入,超量取代系數(shù)K = 1. 2～1. 4 ,也即以1. 2 kg～1. 4 kg的粉煤灰取代1. 0 kg 水泥,才能使28 d 強(qiáng)度與其準(zhǔn)混凝土相同。

　　當(dāng)超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的摻入增加了膠凝材料的絕對(duì)體積時(shí),應(yīng)相應(yīng)減少砂的用量。超細(xì)礦物質(zhì)摻合料若以復(fù)合形式摻加時(shí),效果會(huì)更好。

3. 6 　粗骨料用量

　　在干燥搗實(shí)狀態(tài)條件下,每立方米混凝土的粗骨料體積含量為0. 4 m3 左右,即每立方米混凝土中的粗骨料為1 050 kg～1 100 kg。

3. 7 　砂率

　　由于高強(qiáng)混凝土中水泥漿體積相對(duì)較大,故砂率通常偏高。對(duì)于28 d 抗壓強(qiáng)度為60 MPa～120 MPa 的高強(qiáng)混凝土,砂率波動(dòng)在34 %～39 %之間,且隨混凝土強(qiáng)度的增高,砂率呈減少的趨勢(shì)。

3. 8 　高效減水劑的品種和摻量

　　不同品牌的高效減水劑在與水泥和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的兼容性上相差很大,因此,對(duì)給定的水泥和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料,需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選擇高效減水劑的品牌。高效減水劑的摻量增加,混

　　凝土單位用水量可相應(yīng)減少,用水量的減少與高效減水劑的品牌和質(zhì)量有關(guān)。以固體用量計(jì),高效減水劑的摻量為膠凝材料總重的0. 8 %～2. 0 %。

3. 9 　高強(qiáng)混凝土的試配與配合比調(diào)整

　　1) 試配。試配用的粗、細(xì)骨料稱(chēng)量均以干燥狀態(tài)為基準(zhǔn),攪拌方法應(yīng)盡量與施工時(shí)相同,試配時(shí)每盤(pán)混凝土的用量不應(yīng)少于15 L 。

　　2) 和易性調(diào)整。當(dāng)混凝土過(guò)于干硬,可逐漸增大高效減水劑或單位用水量的用量,直到滿(mǎn)足施工要求的和易性。

　　3) 強(qiáng)度檢驗(yàn)。如果混凝土抗壓強(qiáng)度低于配制強(qiáng)度,可通過(guò)提高水泥強(qiáng)度或水泥用量、降低單位用水量和摻入超細(xì)礦物質(zhì)摻合料等來(lái)解決。

4 　結(jié)語(yǔ)

　　1) 高強(qiáng)混凝土應(yīng)選用質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度等級(jí)不低于42. 5 級(jí)的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,每立方米混凝土中的膠凝材料總用量500 kg～600 kg。

　　2) 為了達(dá)到高強(qiáng)度,混凝土的水灰比一般要在0. 4 以下,這樣可使水泥石具有足夠的密實(shí)度。

　　3) 高效減水劑是高強(qiáng)混凝土不可缺少的組分,是降低混凝土水灰比的必須材料,摻量為膠凝材料總重的0. 8 %～2. 0 %。

　　4) 超細(xì)礦物質(zhì)摻合料是高強(qiáng)混凝土的功能組分之一。其可以調(diào)整水泥顆粒級(jí)配,起到增密、增塑、減水和火山灰效應(yīng),改善骨料界面效應(yīng),提高混凝土的強(qiáng)度。硅粉和天然沸石粉的適宜摻量約10 % ,磨細(xì)礦渣約25 % ,粉煤灰約32 %。

　　5) 混凝土隨粗骨料最大粒徑、針片狀顆粒含量和含泥量的減少混凝土強(qiáng)度會(huì)增大。配制高強(qiáng)混凝土的粗骨料最大粒徑不應(yīng)大于25 mm ,針片狀顆粒含量不應(yīng)大于5. 0 % ,含泥量不應(yīng)大于0. 5 % ,每立方米混凝土中的粗骨料用量1 050 kg～1 100 kg。

　　6) 細(xì)集料中的含泥量、泥塊和顆粒較細(xì)都會(huì)加大混凝土的用水量和高效減水劑的用量,加大混凝土干縮,降低混凝土的強(qiáng)度。細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)宜大于2. 6 ,含泥量不應(yīng)大于2. 0 % ,砂率在34 %～39 %。

參考文獻(xiàn):

[1]J GJ 5522000 ,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[ S] .

[2]馮乃謙. 高性能混凝土[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996.

[3]朱大宇. 高性能混凝土施工技術(shù)[J ] . 建筑施工,2000 ,22 (5) :27229.

[4]嚴(yán)家亻及. 道路建筑材料(第三版) [M] . 北京:人民交通出版社,1996.