增加外加劑的混凝土配合比設計問題探討

李愛芳

摘要:文章主要對增加外加劑的混凝土配合比設計問題進行了探討。首先概述了混凝土外加劑的概念和分類,然后分析了混凝土的配合比設計方法,最后進行了混凝土配合比的試配實例分析。

關鍵詞:外加劑 混凝土外加劑 配合比設計 試配參數

一、混凝土外加劑的概念和分類

(一)混凝土外加劑的概念

我國按國際標準化組織所提出的混凝土外加劑定義的原則,制訂并頒布了國家標準GBSO75,其定義如下:“混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入,用以改善混凝土性能的物質。摻量不大于水泥重量的5%(特殊情況除外)。”按上述定義,混凝土外加劑與水泥混合材料有所區別,一般混合材料摻量均較大,并且大多在生產水泥過程中摻入,為滿足水泥性能的特殊要求而摻加的少量物質,如調凝劑石膏和助溶劑等,一般都不劃歸為混凝土外加劑的范疇。

(二)混凝土外加劑的分類

1.普通減水劑。在混凝土坍落度基本相同的條件下,能減少拌合用水量的外加劑,此類減水劑主要有:木質素磺酸鹽類,多元醇類,聚氧乙烯烷基醚類,腐植酸類減水劑等。

2.高效減水劑。在混凝土坍落度基本相同的情況下,能大幅度減少拌合用水量的外加劑。高效減水劑主要品種有:多環芳輕磺酸鹽縮合物、磺化煤焦油系、氨基磺酸鹽系、馬來酸共聚物系等。

3.引汽劑。在攪拌混凝土過程中能引入大量均勻分布、穩定而封閉的微小氣泡的外加劑,引氣減水劑兼有引氣和減水功能的外加劑,主要類型有:松香樹脂類,如松香皂;烷基苯磺酸鹽類:如烷基苯磷酸鹽、脂肪醇磺酸鹽類:如脂肪醇聚氧乙烯醚。

4.緩凝劑。延長混凝土凝結時間的外加劑,緩凝減水劑兼有緩凝和減水功能的外加劑,這類減水劑主要有:糖類,如糖鈣;經基梭酸類:如檸橫酸、酒石酸、水楊酸;多元醇類:如纖維隸、;無機鹽類:如三聚磷酸鹽;木質磺酸鹽類:如木鈣等,但它們往往歸入普通減水劑中敘述。

5.早強劑。加速混凝土早期強度發展的外加劑,早強減水劑兼有早強和減水功能的外加劑,這類減水劑主要有:氯化物類:如氯化鈣、氯化鈉;硫酸鹽類:如硫酸鈉、硫代硫酸鈉;硝酸鹽類:如硝酸鈉;有機物類:如三乙醇胺。

6.防凍劑。防凍劑能使混凝土在負溫下硬化,并在規定時間內達到足夠防凍強度的外加劑,防凍劑是一種復合型外加劑,主要防凍成分有如下類型:氯鹽類:如氯化鈣、氯化鈉;碳酸鹽類:如碳酸鈣;氨水類:如氫氧化錢;有機類:如尿素。

二、混凝土的配合比設計方法

(一)設計的三大法則

1.水灰比(或灰水比)法則。水灰比法則是指混凝土強度與水泥強度成正比,與水灰比成反比,具體可用強度公式表示,如根據這一法則確定水灰比,以保證混凝土的強度和耐久性。

2.最大密實度法則。該法則的基本思路是各項材料互相填充空隙,以達到混凝土密實度最大,換言之就是各項材料的密實體積總和等于1m3絕對密實的混凝土,即:V水泥+V摻合料+V砂+V石+V水+V氣=1m3的混凝土。根據這一法則可確定配合比中的漿集比與砂率,以確保混凝土的強度、耐久性與經濟性。

3.最小單位用水量法則。根據這一法則,可在水膠比一定及原材料一定的情況下,確定能滿足混凝土工作性的最小用水量。

(二)配合比設計步驟

1.兩大部分。將混凝土按密實體積分為兩大部分:(1)膠結材料漿體=水泥+水+外加劑+摻合料;(2)骨料基體=砂+石子,需要確定的參數為:水膠比、用水量、漿集比、砂率、外加劑摻量、摻合料摻量等6項。

2.三大步驟。(1)先計算空白混凝土的初步配合比;(2)根據經驗初步確定外加劑與細摻料的摻量,通過流動性的試驗調整,和抗裂性的對比試驗確定基準配合比;(3)再經過強度與耐久性試驗調整,確定試驗室理論配合比,最后通過含水率的換算確定施工配合比。

(三)配合比的主要參數

1.耐久性。混凝土6大耐久性指標是指混凝土的抗裂性、護筋性、耐蝕性、抗凍性、耐磨性、抗堿骨料反應性。混凝土電通量小于1000C,混凝土抗裂性以抗裂試件側面出現裂紋越晚、裂紋寬度越小為越好。混凝土的抗堿骨料反應性能應滿足設計的規定:骨料的堿硅酸反應砂漿棒膨脹率或堿碳酸鹽反應巖石柱膨脹率應小于0.10%,當骨料的堿硅酸反應砂漿棒膨脹率在0.10%～0.20%時,除了混凝土的堿含量小于3kg/m3外,還在混凝土中摻加具有明顯抑制效能的礦物摻和料和復合外加劑,并應證明抑制有效;抗凍性大于F200次;抗滲性大于P20。

2.水灰比。水灰比中的“灰”包含所有膠凝材料,可將水灰比稱為水膠比。為達到低滲透性以保證其耐久性,無論設計強度是多少,水膠比都不能大于0.35(對于所處環境不惡劣的工程可以放寬),以保證混凝土的密實。

3.外加劑及摻量。外加劑應通過試驗,根據與膠結料的相容性選擇,摻量為膠結料總量的0.8%～2.0%。

4.用水量。在水灰比固定、原材料不變的情況下,取以滿足工作性要求時的最小用水量,用水量變化范圍不大,可通過外加劑摻量來控制。原材料對用水量影響很大,水泥的標稠的大小、砂石表面狀態、吸水率大小,粉煤灰的需水量比、礦渣粉的流動度比、外加劑的減水率等都會影響混凝土用水量,優質原材料拌制的混凝土用水量比一般的要少20～30kg/m3,可以提高混凝土強度和耐久性,還能減少膠材用量提高混凝土彈模。

5.膠結材料總量。膠結材料總量的大小對混凝土的工作性、強度、彈性模量和收縮都有影響,高性能混凝土的膠結材料用量,必須有足夠的漿體濃度和數量來滿足工作性要求但不應大于500kg/m3為宜,并應隨強度等級的下降而減少。

6.礦物摻料。以等量取代水泥計,其中硅灰摻量為5%～10%,磨細礦渣粉、粉煤灰摻量不低于20%,宜復合使用礦物摻合料。礦粉比粉煤灰強度增長快,有自硬性,能等量取代水泥,耐久性的好處與粉煤灰相同,但收縮較普通混凝土稍大,但早期抗裂性卻不低于普通混凝土。拌合料在同坍落度條件下,粘度大,工作性、可泵性不如粉煤灰,兩者取長補短,提高混凝土各種性能。

三、混凝土配合比的試配實例分析

(一)配合比具體設計思路

混凝土配合比的試配步驟應按《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2000相關規定進行,當采用多個不同的配合比進行混凝土強度試驗時,其中一個應為基準配合比,另外配合比的水灰比,宜較基準配合比分別增加和減少0.02～0.03梯度確定。

(二)試配參數

試配一:水膠比為0.32,用水量為155kg/m3,膠凝材料用量:155/0.32=484kg/m3;粉煤灰、礦渣摻量均為15%,水泥用量為484×70%=339kg/m3;粉煤灰、礦渣用量(484-339)/2=72kg/m3;外加劑用量:484×1.3%=6.29kg/m3;砂石用量:假定混凝土容重2450kg/m3,根據配合比設計規程水膠比及骨料最大粒徑確定砂率40%,砂用量(2450-484-155-6.29)×40%=722kg/m3;石用量(2450-484-155-6.29)×602%=1083kg/m3。實測容重2393kg/m3,每方混凝土材料用量不用調整:水泥339kg/m3,粉煤灰72kg/m3,礦渣粉72kg/m3,水155kg/m3,外加劑6.29kg/m3,砂722kg/m3,石1083kg/m3。理論配合比:水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑∶水=1∶2.13∶3.19∶0.21∶0.21∶0.019∶0.46。

試配二:水膠比為0.32,用水量為155kg/m3,膠材用量155/0.32=484kg/m3;粉煤灰摻量15%,粉煤灰用量484×15%=73kg/m3;礦渣粉摻量10%用量為484×10%=48kg/m3;水泥用量484-73-48=363kg/m3;外加劑用量484×1.3%=6.29kg/m3;砂石用量:假定混凝土容重2450kg/m3,根據配合比設計規程水膠比及骨料最大粒徑確定砂率40%,砂用量(2450-484-155-6.29)×40%=722kg/m3;石用量(2450-484-155-6.29)×60%=1083kg/m3。實測容重2390kg/m3,每方混凝土材料用量不用調整:水泥363g/m3,粉煤灰73kg/m3,礦渣粉48kg/m3,水155kg/m3,外加劑6.29kg/m3,砂722kg/m3,石1083kg/m3。理論配合比:水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑∶水=1∶1.99∶2.98∶0.20∶0.13∶0.017∶0.43。

(三)試配結果

根據試配結果,兩組試件強度、電通量、含氣量、抗凍性、抗滲性、彈性模量指標均滿足設計要求。綜合分析以上兩組配合比設計試驗,原材料質量優良,符合該混凝土對原材料高質量的要求;配合比選定考慮了經濟合理、水膠比在要求范圍內;不同配合比混凝土在相同的養護條件下,不同齡期強度試驗結果均滿足設計要求;抗滲試驗結果顯示兩組試驗均滿足設計要求;通過耐久性試驗結果顯示兩組試驗均滿足要求,綜合各項指標第二組較合理;經濟角度分析,第一組配合比水泥用量最少,較經濟合理,適宜工程實際使用;綜合比較,兩組配合比設計均滿足設計要求,第一組試驗較合理。

參考文獻:

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(作者單位:河北武安市建筑材料監測站)