特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)在利比亞工程中的應(yīng)用

吳成軍，王志山，丁萌

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

利比亞5 000套住房工程項(xiàng)目地處利比亞米蘇拉塔市，距離首都黎波里200 km。利比亞是一個(gè)缺淡水、多細(xì)砂的國家，北部緊臨地中海，南部為廣袤的撒哈拉沙漠，屬亞熱帶地中海氣候。氣候特點(diǎn)：冬暖多雨，夏熱干燥；1月平均氣溫12℃，8月平均氣溫26℃；夏季常受來自南部撒哈拉沙漠干熱風(fēng)，氣溫可高達(dá)50℃以上；年平均降水量為100～600 mm，多集中于冬季。

該工程包括5 000套住宅和學(xué)校、醫(yī)院、清真寺等公用建筑，總建筑面積約130萬m2，總混凝土用量約45萬m3，使用特細(xì)砂約17萬m3。本工程主體混凝土主要使用C30普通混凝土，C25、C15混凝土也有少量應(yīng)用，約90%為泵送混凝土。

受當(dāng)?shù)夭牧腺Y源限制，用于混凝土工程的砂全部是沙漠特細(xì)砂，砂質(zhì)干凈，石質(zhì)較差，無粉煤灰等摻合料，混凝土質(zhì)量成為制約工程的重要因素，隨著利比亞開放程度的進(jìn)一步加大，基建規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，特細(xì)砂混凝土也成為各大承包商首要解決的重大問題，項(xiàng)目課題組經(jīng)過大量的研究試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 原材料介紹

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，利比亞北部沿海地區(qū)（如Tripoli，Misrata，Bengazi，Khoms，Surt）雖屬亞熱帶地中海氣候，但砂源均為沙漠特細(xì)砂，水泥為希臘進(jìn)口的CEMI 42.5N硅酸鹽水泥（相當(dāng)于國內(nèi)的42.5普通硅酸鹽水泥），石子為火山沉積巖破碎后的碎石，吸水率高約4%，外加劑為埃及進(jìn)口的Sikament-r2002型高效減水緩凝外加劑，拌和水為取自約300 m的深層地下水，且沒有粉煤灰等摻合料。

特細(xì)砂的性能指標(biāo)：細(xì)度模數(shù)為1.1～1.2，粒徑主要分布在0.15～0.3 mm范圍內(nèi)，詳細(xì)篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 特細(xì)砂篩分?jǐn)?shù)據(jù)

含泥量（0.075 mm篩通過量）為0.8%～1.8%，表觀密度為2.65～2.69 g/cm3，吸水率為1.7% ～1.9%，堆積密度：1.55～1.60 g/cm3。由于緊鄰地中海，本地區(qū)的集料中可溶性離子含量偏高，氯離子含量0.008%～0.050%，平均0.023%；硫酸根含量0.004 6%～0.080 5%，平均0.027 4%。

堿活性是制約混凝土耐久性指標(biāo)的重要因素，而集料的堿活性又是混凝土堿活性的主要控制因素。化學(xué)法檢測特細(xì)砂無潛在堿活性。有機(jī)物含量為0.004%～0.030%。撒哈拉沙漠特細(xì)砂中不含貝殼。

2 特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法有很多（如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55、北京工業(yè)大學(xué)的陳建奎教授的“全計(jì)算法”，等等），但都是普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)，所用的砂也全部是以中粗砂為藍(lán)本，很少有關(guān)于特細(xì)砂的介紹。本課題采用的是經(jīng)過利比亞當(dāng)?shù)亻L期的施工經(jīng)驗(yàn)反復(fù)論證過的美國混凝土協(xié)會(huì)的ACI 211標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合國內(nèi)的JGJ 55普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程，JGJ 51輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程，以課題小組人員多年從事混凝土配合比設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)的特細(xì)砂混凝土配合比，下面以C30混凝土為例介紹配合比的設(shè)計(jì)。

2.1 坍落度

坍落度的選擇要在滿足施工要求的前提下，盡量選擇較低的值，同時(shí)應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)格書的要求。本工程選取坍落度為150 mm±25 mm，本坍落度的最終確定，完全取決并滿足于施工條件，且經(jīng)監(jiān)理批準(zhǔn)。

2.2 最大集料粒徑

在其他條件相同的情況下，對于連續(xù)級配的集料，最大粒徑越大，空隙率越小，單位體積的混凝土所需要填充的水泥漿體越少，越經(jīng)濟(jì)。由于受技術(shù)規(guī)格書的要求及當(dāng)?shù)貤l件限制，選用最大集料粒徑為20 mm。

2.3 用水量及含氣量

單位體積混凝土所需的水量要綜合考慮坍落度、最大集料粒徑、集料形狀和級配、含氣量、外加劑等因素，不同集料粒徑及坍落度情況下拌和水用量見表2。

根據(jù)坍落度（150 mm±25 mm）及集料最大粒徑的限制，此處選擇自由水用量為216 kg，含氣量為2%；外加劑選用1.5%的摻量（外加劑摻量的選定見表3），考慮到外加劑12%的減水率，實(shí)際自由水用量為216×（1-12%）=190 kg。

表3 不同外加劑摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度、和易性、泵送性的影響

2.4 水膠比

水膠比的選擇要綜合考慮強(qiáng)度及耐久性的要求，不同品種的水泥在水膠比相同的情況會(huì)產(chǎn)生不同的強(qiáng)度，所以有必要為所用的水泥建立強(qiáng)度與W/C的關(guān)系。如果摻加粉煤灰、火山灰、礦粉、硅灰等摻合料，計(jì)算水膠比時(shí)應(yīng)該用水的重量比水泥與摻合料的總重，即W/（C+P）。此處水灰比的選取為0.47。

2.5 水泥用量

根據(jù)2.3和2.4節(jié)已經(jīng)確定出的用水量與水灰比計(jì)算水泥用量為408 kg。

2.6 砂率

由于缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，需要通過試配來確定合適的砂率。經(jīng)過前期針對性的試配，線性分析后確定砂率為34.9%，由于特細(xì)砂混凝土的強(qiáng)度對砂率的敏感度較大，因此，砂率選擇在考慮混凝土拌合物的坍落度、黏聚性、保水性等特征時(shí)，更要根據(jù)混凝土的強(qiáng)度結(jié)果加以修正。試配結(jié)果如表4所示。

表4 不同砂率的混凝土試配結(jié)果

2.7 砂石用量（體積法）

采用下式計(jì)算砂石用量：

計(jì)算得出：ma=1 149 kg；ms=618 kg

式中：mW為每方混凝土自由水用量，kg； mC為每方混凝土水泥用量，kg； ma為每方混凝土石子用量，kg； ms為每方混凝土砂用量，kg；ρW為水的密度，kg/m3； ρC為水泥密度，kg/m3； ρa(bǔ)為石子表觀密度，kg/m3；ρs為砂表觀密度，kg/m3。

2.8 總用水量

由于受當(dāng)?shù)卦牧系南拗疲笆瘦^高，而這部分水將以游離水的形式存在于砂石內(nèi)部，并不參與水泥水化，在混凝土硬化后將會(huì)慢慢散失，所以需要將砂石吸收的水分計(jì)入總用水量中，按照檢測的砂石吸水率計(jì)算，每方混凝土所用集料吸水34 kg。故總的用水量為190+34=224 kg。

2.9 每方混凝土中原材料用量

根據(jù)式（1）計(jì)算得出C30混凝土配合比，見表5。

表5 每方混凝土中原材料用量kg

2.10 試配與修正

試驗(yàn)室得出的配合比是在材料固定，沒有計(jì)量誤差、人為誤差、設(shè)備功率誤差（攪拌量少）、材料溫度誤差（室溫）條件下進(jìn)行的，還需經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，從運(yùn)至現(xiàn)場的混凝土中取代表樣品制作試件與試驗(yàn)室試配結(jié)果進(jìn)行對比。按照對比結(jié)果和施工實(shí)際情況，多次進(jìn)行修正、改進(jìn)和優(yōu)化，逐漸形成滿足設(shè)計(jì)要求、保證工程質(zhì)量的細(xì)砂混凝土配合比。

由于配合比設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)均是經(jīng)過大量試配，并經(jīng)過在臨建工程中近萬m3的生產(chǎn)實(shí)際中得出的結(jié)果。因此，在經(jīng)過計(jì)算得出的最終配合比，試配試驗(yàn)的檢測結(jié)果基本符合配合比的設(shè)計(jì)要求。

在兩年的混凝土施工過程中，按照材料品質(zhì)檢測以及經(jīng)常變化的材料實(shí)際含水率，及時(shí)對配料中砂率、拌合水進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，滿足了工程施工要求，保證了混凝土質(zhì)量。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)出的特細(xì)砂混凝土的黏聚性良好，坍落度易于穩(wěn)定，泵送性能良好，易振搗，無泌水、離析等現(xiàn)象出現(xiàn)，使用該配合比澆筑的混凝土28 d強(qiáng)度合格率超過100%，無有害裂縫出現(xiàn)，觀感質(zhì)量好。同時(shí)通過對特細(xì)砂在混凝土中應(yīng)用的研究成果，成功地將特細(xì)砂用于混凝土空心砌塊中，效果良好。

4 特細(xì)砂混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)

1）特細(xì)砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)原則，宜采用低砂率，同時(shí)盡量使用低坍落度、低水泥用量。泵送混凝土坍落度宜控制在130～150 mm，非泵送混凝土可根據(jù)澆注工藝和部位作適當(dāng)調(diào)整，一般以30～50 mm為宜。由于特細(xì)砂的比表面積大，包裹相同重量的砂所需的水泥也就增加，因此，應(yīng)盡量考慮用較低的水泥用量，因?yàn)檩^低水泥用量的水化熱總量相對較小。

2）由于特細(xì)砂細(xì)度模數(shù)低，水泥用量大，混凝土黏聚性大，造成拌和困難，需要適當(dāng)增加拌合時(shí)間（控制在60～90 s之間）以保證拌和混凝土的勻質(zhì)性，同時(shí)在澆注時(shí)應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械振搗的控制力度。

3）受當(dāng)?shù)馗邷馗稍锏炔焕麣夂蛞蛩氐南拗疲匦杓訌?qiáng)混凝土的生產(chǎn)調(diào)度，盡量做到不壓車、不空點(diǎn)，連續(xù)澆注。

4）澆注結(jié)束后應(yīng)采用二次抹面工藝并及時(shí)覆蓋，灑水保濕養(yǎng)護(hù)，降低晝夜溫差大、氣候干燥對混凝土產(chǎn)生的危害，減少混凝土溫度裂縫。

5 實(shí)施效益評估

本著就地取材的原則，充分利用了施工現(xiàn)場的砂源，既解決了264萬m3的粉細(xì)砂施工中車輛運(yùn)輸?shù)碾y題，也消除了棄土清運(yùn)給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的破壞，社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益突出。

6 結(jié)語

由于國內(nèi)外均沒有專門針對特細(xì)砂的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，課題組綜合了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55、JGJ 51以及美國的ACI 211等標(biāo)準(zhǔn)，成功借鑒了輕集料混凝土配制過程中對陶粒、陶砂吸水率大的處理方法，在特細(xì)砂混凝土中引入了自由水、自由水灰比的概念，有效解決了因集料吸水率過高在配合比設(shè)計(jì)過程中遇到的用水量計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。本課題融合了中美兩國在混凝土配合比設(shè)計(jì)方面的科學(xué)方法，以及利比亞當(dāng)?shù)厍捌诶锰丶?xì)砂的經(jīng)驗(yàn)，成功配制出C40、C30等強(qiáng)度等級的混凝土。

通過本課題的研究，也改變了人們對混凝土的傳統(tǒng)認(rèn)識，通過利比亞工程3 a多的施工實(shí)踐，證明使用特細(xì)砂完全可以配制出高質(zhì)量、滿足設(shè)計(jì)要求和保證工程質(zhì)量，且具有良好耐久性能的混凝土。

[1]JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2]陳建奎，王棟民.高性能混凝土（HPC）配合比設(shè)計(jì)新法——全計(jì)算法[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28（2）：194-198.

[3]建筑施工手冊編寫組.建筑施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]ACI 211，美國混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程[S].