水泥混凝土配合比優(yōu)化的試驗設計

石紅

摘 要：水泥混凝土由水泥、粗集料、細集料和水按照一定比例配比而成，是道路、橋梁等建筑工程中的重要應用材料。水泥混凝土配合比設計是工程設計和施工的先導環(huán)節(jié)，不僅與工程的成本控制相關，還直接影響工程質量，是決定工程技術性能、工程結構形式的關鍵要素。

關鍵詞：水泥混凝土；配合比；試驗；優(yōu)化設計

水泥混凝土是一種剛性材料，具有良好的力學性能，具有強度高、穩(wěn)定性和整體性好、剛度大、抗凍性好的優(yōu)點，其在建筑工程比如道路、橋梁中的應用越來越廣泛。然而，在當前混凝土配合比設計中，盲目追求高強度，高溫抗裂能力和低溫抗凍能力較差，為了在增強混凝土強度的基礎上提高其抗裂性、抗凍性和耐久能力，確保工程建設質量，有必要運用合理的配比技術和試驗進行水泥混凝土配合比的優(yōu)化設計。

1 水泥混凝土配合比設計應考慮的問題

水泥混凝土是工程設計和施工中應用范圍最廣、應用量最大的建筑材料，而配合比設計是確保工程質量能夠達到預期效果的關鍵。合理的材料配合比設計應按照相關規(guī)范給出的包括強度、耐久性、抗裂性、和易性和經濟性等要求確定各種組成成分的用量，以獲得最經濟、最適用的混凝土，因此，為了保證混凝土質量，在水泥混凝土配合比設計中，必須考慮多方面因素。第一，砂率與混凝土稠度相關，若砂率過大，在水泥漿用量不變的情況下混凝土的水泥漿就會過少，不利于減少收縮，所以應保證砂率適中；第二，水膠比與混凝土強度相關，水膠比越大，混凝土強度就越小，所以，在滿足和易性要求下，盡量采用較小的水膠比；第三，水膠比相同的情況下，混凝土會隨著集灰比的增長而呈現(xiàn)增長趨勢，這主要是因為集料數量過多、集料吸收水分量過大、實際水膠比變小引起的，另外，還與混凝土內部空隙總體積減少、較高標號混凝土水泥用量過大有關。第四，在水泥混凝土配合比中，單位用水量必須按照相關規(guī)范標準添加，通常視混凝土塌落度、粗骨料品種、粗骨料和細骨料的最大粒徑而定。

2 水泥混凝土配合比優(yōu)化的試驗設計

2.1 水泥混凝土的原材料

水泥混凝土配合比設計中關鍵在于選用的水泥，按照相關規(guī)定，可選用普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山巖質硅酸鹽水泥，且水泥的初凝、終凝時間要保持在3-6h以上，從原則上來講，不采用早強或快硬水泥；碎石的最大粒徑不大于31.5mm，石料顆粒扁平以及中細長顆粒含量應小于15%，避免摻入軟質破碎物或其他雜質；以粉煤灰作為結合料，用以填充碎石空隙，從而增強混凝土和易性，并節(jié)約水泥；在水泥混凝土配合比設計中，對水沒有特殊要求，飲用水即可。

2.2 水泥混凝土配合比的優(yōu)化試驗設計

2.2.1 原材料和試驗方案。試驗選用粉煤灰，所用的水泥為P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，28天抗折強度實測為8.0MPa，抗壓強度為45.5MPa；粗集料為石灰?guī)r碎石，其中1-3cm粒徑比率為60%，1-2cm粒徑比率占40%，細集料采用天然河砂，細度模數為2.95。為了提高混凝土和易性、密實度和早期強度，在混凝土中摻入高效引氣減水劑，建議添加量為0.6-1.0%。采用超細礦渣，比表面積為530cm2/g。

影響水泥混凝土性能的因素很多，比如混凝土水膠比、砂率、粗細集料最大粒徑、膠凝材料用量、攪拌工藝、澆筑方法等，配合比設計應能滿足設計要求的抗壓強度以及施工要求的均勻性、和易性、耐久性、抗凍性等。根據工程要求和材料現(xiàn)狀，通過初步分析計算和理論論證，決定采用正交試驗方法進行試驗，設計四個水平，研究各因素對試驗指標的影響程度的顯著性，以達到高效、經濟的試驗設計目標。在普通硅酸鹽水泥中摻入高效減水劑、礦渣，用以優(yōu)化耐久性，并通過前期最大容重試驗確定了普通混凝土配比；為了使混凝土抗凍性能達到要求，控制混凝土的引氣量為±1-5%，由于礦渣摻量不同引氣量也會改變，所以在本試驗中將混凝土塌落度控制在3-5cm，通過改變高效減水劑的摻量和水灰比來確定水混凝土配合比。

試驗中采用強制式攪拌機，先按照規(guī)定進行稱量，然后將碎石、砂均勻拌合，加入粉煤灰和水泥進行為時1min的干拌，最后加入水和高效減水劑濕拌2min。混凝土配合比設計參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55-2000）以及水泥混凝土應用技術規(guī)范規(guī)程執(zhí)行，混凝土的力學性能以及拌合物性能參照《公路工程水泥及混凝土試驗規(guī)程》（JIG E30-2005）進行試驗，混凝土的開裂試驗則參考《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中相關混凝土早期抗裂性試驗設計和評價方法進行。

2.2.2 結果與分析。水灰比、含氣量是影響混凝土耐久性的首要因素，在本試驗中，著重研究兩項控制指標。四個水平含氣量測定結果為：2.0%、5.5%、5.2%、4.9%。另外，抗折彈性模量是混凝土結構設計的主要指標，試驗結果表明，添加了高效減水劑和礦渣后，改性后的混凝土與普通混凝土的抗折彈性模量無較大差距，基本上持平。

混凝土的首要性能是強度，其抗彎拉強度越高，反復彎折作用就越強。由于礦渣的短期性能遠遠不如其長期性能，在試驗中重要考察混凝土40天的抗折強度、抗壓強度和壓折比，四個水平的試驗結果為：抗壓強度39.0MPa、46.8MPa、48.0MPa、49.3MPa，抗折強度為5.39MPa、6.67MPa、7.10MPa、7.15MPa，壓折比為7.28、7.02、6.76、6.92。通過對試驗結果進行分析，在摻入高效減水劑和礦渣后，混凝土的抗壓強度和抗折強度都逐漸增加，而抗折強度的增長率較高，壓折比則在一定范圍內呈現(xiàn)下降趨勢，這說明經過改性后的混凝土較普通混凝土具有更高的強度和柔性。在混凝土中摻入較高量的礦渣和減水劑，混凝土的耦合增折作用會降低，當礦渣量超過20%，混凝土抗壓強度和抗折強度增長不明顯，因而，外加劑產量要保持在規(guī)定摻量內，否則會影響混凝土力學性能，而礦渣摻量也不宜較大，否則會影響成型，降低混凝土強度。

對混凝土進行300次快速凍融循環(huán)，之后對其抗凍性進行劈裂抗拉強度試驗，試驗結果表明，在對水泥混凝土配合比進行優(yōu)化設計后，混凝土強度損失率和質量損失率大大降低，相較于普通混凝土，摻入高效減水劑和礦渣的混凝土的抗凍性更強。

3 結語

總之，如果沒有將水泥混凝土配合比設計控制好，材料性能就不能得以有效發(fā)揮，嚴重的話甚至會給工程帶來質量隱患。為了確保水泥混凝土的強度和抗裂性能，必須進行合理的配合比優(yōu)化設計。本試驗表明，在普通硅酸鹽混凝土中按照規(guī)定量摻入高效減水劑和礦渣，混凝土性能得到了顯著改善，其耐久性、強度、抗凍性、變形能力、和易性都得以增強，混凝土各項指標都得到了大幅度提高，這對于加快施工進度、提高工作效率、確保工程質量將發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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