C50-C60級結構用雙摻粉煤灰砼設計

◎ 徐州市三環(huán)路公路管理站 何 銀

設計研究基本目標：

在徐州公路結構物高強砼使用粉煤灰和雙摻技術方面取得突破。除保證設計標準強度外，通過雙摻技術，得到較優(yōu)良的工作性，控制早期強度，提高后期強度，保證減少收縮，防止裂縫，取得較穩(wěn)定和靠得住的高強砼施工保證率。本次設計的雙摻粉煤灰砼為C50-C60級高強砼，坍落度為90-110mm，適宜橋梁等結構物實用。

原材料情況：

本次設計所用石料選用反擊式石灰?guī)r碎石，針片狀少，含泥量小，級配合成結果良好且實際運用時碎石級配波動小。水泥為巨龍P.II52.5R水泥，據規(guī)范要求宜不用R型水泥，但受地材限制，本次仍采用R型水泥。粉煤灰為華潤電廠I級粉煤灰。外加劑為徐州超力公司所產CNF-1B型緩凝高效減水劑。黃砂產地為邳州，細度模數(shù)2.60。

原材料具體技術指標見后續(xù)圖表：

表1 碎石級配合成情況

表2 粉煤灰技術指標

表3 CNF-1B緩凝高效減水劑技術指標

配合比設計：

1.基本程序和方法：先按常規(guī)砼設計方法，求取基準砼的水灰比基準用水量和水泥用量。然后以超量取代法計算粉煤灰摻量和保留水泥用量，以保持總膠量基本不變?yōu)樵瓌t，按實際試驗確定的外加劑減水率計算用水量和相應的水膠比，求取雙摻粉煤灰砼的基準配合比。再通過試配檢驗并經調整試驗，得出設計配合比。

2、變換粉煤灰摻量按照設計目標要求和可行條件，做兩組配合比設計，并適當調整水膠比再作兩對比組進行比較優(yōu)選。下階段擬變換水泥和外加劑品種等，進行擴大試驗。

3.幾項指標經驗性控制要求：

（1）水泥采用52.5級（宜不用R型）。

（2）外加劑采用緩凝高效減水劑，最佳減水率在20%以上。

（3）總膠量不大于600kg/m3,其中水泥用量不大于500kg/ m3,粉煤灰總摻量不大于30%。

（4）用水量宜控制在150-175kg/ m3之間，水膠比宜控制在0.26-0.35之間，砂率宜控制在28%-34%之間。

4、幾項基本指標的選擇和試驗：

（1）雙空白基準砼水灰比（雙空白指粉煤灰和外加劑皆為零）

采用公式：

（2）雙空白基準砂率及用水量（見表4）：

綜合表4中數(shù)據分析：在參照規(guī)范要求選定的砂率28%-34%區(qū)間內，坍落度與砂率成反比。選取第5組為雙空白的基準組別，βs＝30%為最優(yōu)砂率，用水量為225 kg/m3。

（3）外加劑減水率試驗（見表5和表6）：

（4）粉煤灰的減水作用試驗：（見表7）

據分析表6，0.9%摻量為未摻粉煤灰砼最優(yōu)減水劑摻量，此時單位用水量為157kg/m3，水泥用量不變，仍為500kg/m3。結合表7，因粉煤灰有一定減水作用，故用于雙摻水泥砼時減水劑摻量為0.8%，以總膠量為基數(shù)計算，其單位用水量仍為157kg/m3。

表4

表5：（Wo＝225，Co＝500，βs＝30%）

表6：減水率曲線

表7

5、分組配合比設計結果（見表8）：

本次共設計五組配合比。甲組為單摻外加劑砼，作為考察摻加粉煤灰效果的基礎。乙、丙兩組粉煤灰取代量分別為20%、25%，其水泥用量由甲組水泥用量根據粉煤灰取代量計算得來，粉煤灰超摻系數(shù)均為1.25。丁、戊兩組分別對應乙、丙兩組向上浮動0.02水膠比，用水量不變，總膠量略有減少。由于水膠比較小，不推薦向下浮動水膠比的做法。

設計檢驗結果分析及配合比優(yōu)選

本階段設計研究，從強度、工作性和收縮值三個方面重點選擇抗壓強度、坍落度、凝結時間、坍落度經時損失以及收縮值等指標，進行檢驗對比，并做經濟成本分析。結果見附表9—表 13。

強度：本次雙摻粉煤灰砼的強度基準是C50級，考慮施工及使用需要，要求3-7天強度達到C50級，28天標準強度按C60級控制，具有較可靠的強度保證率。所做的四組均符合上述要求，且強度發(fā)展平穩(wěn)適當，規(guī)律性顯著，并均優(yōu)于單摻外加劑砼（早期強度過高，后期增長不明顯）。表明本方法設計的雙摻粉煤灰砼具有強度方面的優(yōu)勢。

工作性：所做四組的坍落度，均符合目標要求（高于密配筋砼規(guī)范推薦范圍一個檔次），試驗結果穩(wěn)定，粉煤灰摻量與坍落度增減關系明確。拌和物的和易性、抗離析和保水性良好。砼的初終凝時間明顯延長。坍落度經時損失得到一定控制，半小時坍損約1/3，叫單摻外加劑砼減少（單摻外加劑砼坍損一般在1/2左右）。可見，所設計的高強雙摻粉煤灰砼常規(guī)工作性良好，并可在一定條件下泵送。

表8

收縮值：雙摻粉煤灰砼收縮絕對值比單摻外加劑砼收縮值可減少1/3，且在室內自然條件下發(fā)展緩慢、均衡。表明在最佳膠凝物比例范圍內摻加粉煤灰，可以提高砼的體積穩(wěn)定性，控制構造物裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

甲組與乙丙丁戊四組對比分析：

（1）從強度方面分析，甲組初期強度高于其他四組，至28天齡期是彼此接近，60天齡期非常接近，90天齡期甲組強度低于其他四組，符合粉煤灰砼強度發(fā)展規(guī)律。

（2）從初、終凝時間方面分析，甲組初終凝時間明顯早于其他四組，符合粉煤灰起緩凝作用的原理。

（3）從收縮值方面分析：甲組收縮高于其他四組，說明摻加一定量粉煤灰有減少收縮，改善水泥砼體積穩(wěn)定性的作用。

（4）從經濟指標方面分析，甲組原材料成本高于其他四組。

乙丙兩組對比分析：

（1） 強度方面：乙、丙兩組發(fā)展規(guī)律類似，但乙組早期強度略高于丙組，至28天齡期后兩組基本接近。

（2）工作性方面：

A 因粉煤灰有一定減水作用，丙組粉煤灰摻量高于乙組，則坍落度丙組大于乙組。

B 由于粉煤灰的緩凝作用，丙組坍落度經時損失小于乙組，而且丙組初終凝時間與乙組比較初終凝時間明顯推遲。

(3) 收縮方面:

乙組因粉煤灰摻量較少，其后期收縮值大于丙組。

乙與丁、丙與戊各自比對分析：

(1)強度方面：丁、戊兩組各自對應乙、丙兩組增加0.02水膠比，強度很接近，丁、戊兩組稍偏低，特別是3-7天強度表現(xiàn)比較明顯，這與水泥用量較少，早期粉煤灰作用尚不明顯有關。

(2)工作性方面：乙與丁比較和丙與戊比較，坍落度相同或接近。

(3)收縮值方面：乙組后期收縮值較大。戊組收縮值明顯高于其他三組，相比而言屬于劣勢，與水泥用量過于偏少有關。

(4)經濟成本方面：乙略高于丁，丙略高于戊。

丙組與丁組比對分析：

(1)強度方面：二者強度發(fā)展規(guī)律基本相同。

(2)工作性方面：因粉煤灰取代量不同，二者坍落度有所差別，丙組略高于丁組。據此，可以在設計目標范圍內，通過調整粉煤灰取代量來達到小幅調整坍落度的目的，而無須改變用水量和外加劑摻量。

(3)收縮值方面：二者收縮值基本相同。

(4)經濟成本方面：二者原材料估算成本幾無懸殊。

配合比優(yōu)選：綜合各種指標推薦丙、丁兩組為本次設計試驗研究的優(yōu)選配合比。兩者的各項性能指標及其變化規(guī)律基本相同，經濟成本也相近，只是坍落度略有差別。可根據原材料條件，特別是工作性要求作一定選擇。

限于本試驗室條件，采用150mm×150mm×550mm規(guī)格小梁抗折試塊，兩端安裝千分表，并暴露于室內干燥陰涼處，分齡期觀測收縮值。結果不十分精確，但有較好對比價值，可供參照。

表9：150mm*150mm試件強度

表10：初終凝時間

表11：坍落度經時損失

表12：收縮值

表13 原材料成本估算

設計和施工中必須強調的要點

（1）設計方法中需要注意的兩個問題：

在采用低水膠比和控制總膠量中粉煤灰不大于30%兩個前提下，一定時段內水泥和粉煤灰都不可能完全水化，因此沒有必要按現(xiàn)行規(guī)范將超摻的粉煤灰作為填料排除在總膠量和水膠比計算之外。本設計方法是把超摻部分的粉煤灰一并列入總膠量，參與水膠比計算。

由水泥強度和水泥用量構成的水泥強度貢獻率，是決定水泥砼強度的一個控制因素，對高強砼而言更為重要。本設計方法中按雙空白基準砼水泥用量以超摻法求取的總膠量，在計算雙摻砼基準水膠比以及試配檢驗過程中原則上應保持不變。大于600kg/m3，按規(guī)范要求采用600kg/ m3設計。調整配合比時，水膠比變化幅度不應超過0.02-0.03，以防總膠量過分減少。

（2）粉煤灰必須采用I級以上粉煤灰，并經試驗認定。

（3）高效減水劑，必須進行適應性試驗，而且施工時必須逐批次對比試驗。

（4）工地試驗室作生產試驗時，必須采用強制式機械拌制設備，改變用水量必須另作試驗，粉劑型外加劑不得先加水拌和，摻加方式為后摻法。施工現(xiàn)場嚴禁以加水，加水泥粉煤灰漿方式調整坍落度。緊急情況處理可加少量外加劑復拌，恢復一定坍落度，必要時經試驗確定外加劑摻量。

（5）雙摻粉煤灰砼必須采用濕水養(yǎng)護，并適當延長養(yǎng)護時間，以防止裂縫和保證強度正常增長。

（6）高強雙摻粉煤灰砼因強度較有保證，設計、施工時應將提高工作性和防止裂縫放在重要位置，決不能認為只要達到強度就萬事大吉，其他都可以忽略不計。

主要結論

本次設計試驗研究的高強雙摻粉煤灰砼與一般高強砼相比，在低用水量、低水膠比、保塑性（減少坍損）、增強性（早期強度稍低，后期增強明顯而平穩(wěn)）、體積穩(wěn)定性（收縮小）和結構密實抗離析等方面，具有一定程度的高性能特征。其強度、工作性和抗縮裂能力較有保證，且經濟成本相對較低，基本達到研究目標要求。

目前國標尚無高強砼配合比設計的明確規(guī)范。本設計采用的程序方法要點是：先設計常規(guī)基準砼配合比，作為雙摻粉煤灰砼設計的基礎；以粉煤灰超量取代水泥的方法（超摻法）計算粉煤灰用量和總膠量，并控制粉煤灰摻量不超過最優(yōu)膠凝物比例；在雙摻粉煤灰砼基準配合比設計計算及試配檢驗過程中，以保持總膠量基本不變?yōu)榍疤幔徊捎盟冶炔蛔兊脑瓌t。通過試驗研究表明本方法的過程和結果都比較合理、穩(wěn)定，可供同類設計參酌。

推薦丙、丁兩組為優(yōu)選配合比，可供目標結構物生產試驗和工程應用。

設計和施工中要確保砼原材料品質，主要是粉煤灰必須保證在一級以上，高效減水劑質量必須穩(wěn)定并經逐批檢驗認可。

雙摻粉煤灰砼現(xiàn)場養(yǎng)護是關鍵工藝環(huán)節(jié)，必須確保濕水養(yǎng)護并適當延長養(yǎng)護時間，以保證粉煤灰作用的發(fā)揮和早期收縮裂縫。