C40鋼管自密實混凝土的配比設(shè)計與性能研究

劉育成 徐 清 周曾洪

(1.昆明理工大學(xué)土木工程學(xué)院，云南昆明 650500;2.云南省建工集團第五建筑公司，云南昆明 650000)

近年來發(fā)展起來的一種以高工作性為其突出特點的高性能混凝土——自密實混凝土，滿足了復(fù)雜形狀、配筋密集、不易振搗以及在各種特殊情況下建筑施工的苛刻要求。由于不用或少用振搗，混凝土不易離析，有利于耐久性的提高，可降低噪聲，減少環(huán)境污染，節(jié)省勞動力，提高經(jīng)濟效益，加快施工速度，當用于難以澆筑甚至無法澆筑的部位，可避免振搗不足而造成的蜂窩、空洞、麻面等質(zhì)量缺陷。自密實混凝土的材料成本要略高于普通混凝土，成為應(yīng)用自密實混凝土的主要障礙。論文進行了C40鋼管自密實混凝土的配制及性能研究，其目的是通過選材、優(yōu)化配比，研究C40自密實鋼管混凝土，使其在各方面性能都能滿足施工技術(shù)要求的前提下，經(jīng)濟效果較好。

1 原材料對自密實混凝土性能的影響

1.1 粉體材料

在自密實混凝土中可以使用的粉體除了水泥外，還包括粉煤灰、磨細高爐礦渣、磨細石灰石粉和硅灰等礦物摻合料。

1.1.1 水泥

選用云南國資水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標如表1所示。

表1 云南國資水泥廠42.5普通硅酸鹽水泥性能指標

1.1.2 礦物摻合料

在實際工程應(yīng)用中，粉煤灰是最常用的自密實混凝土礦物摻合料。品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰可以改善混凝土的工作性能，降低混凝土拌合物流動性的經(jīng)時損失率，并且可以提高混凝土的后期強度和耐久性。本文選用昆明陽宗海火力發(fā)電廠的Ⅱ級粉煤灰，其性能指標如表2所示。

表2 Ⅱ級粉煤灰性能指標 %

1.2 粗細骨料

生產(chǎn)自密實混凝土一般采用第Ⅱ級配區(qū)的中砂較為適宜。本文采用山砂和機制砂按6∶4比例混合，混合后砂的性能指標如表3所示。

由于自密實混凝土常常用于薄壁構(gòu)件、密集配筋等場合，所以粗骨料的粒徑不宜過大，否則將影響混凝土的間隙通過性。本文選用5 mm～20 mm粒級碎石，其性能指標如表4所示。

表3 混合砂的性能指標

表4 石子性能指標

1.3 外加劑

1.3.1 高效減水劑

一般情況下，配置自密實混凝土優(yōu)先選用聚羧酸高效減水劑。

本文選用PCA聚羧酸高效減水劑，摻量為1.5%。其性能指標如表5所示。

表5 PCA聚羧酸高效減水劑的性能指標

1.3.2 膨脹劑

由于混凝土在凝結(jié)硬化的過程中會有收縮，所以，為了避免收縮引起受力的不利情況，在拌制自密實混凝土的過程中除了加入高性能減水劑外，還加入膨脹劑以避免收縮。加膨脹劑的另一個原因就是在混凝土凝結(jié)硬化的過程中微膨脹，使鋼管對混凝土事先就施加了一個力進行約束，使得二者聯(lián)合工作的可能增大，這就相當于是事先施加了一定的預(yù)應(yīng)力一樣，還可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力。本文選用JM膨脹劑，其性能指標如表6所示。

表6 JM膨脹劑的性能指標

1.4 水

自密實混凝土的拌合用水與常規(guī)混凝土一樣，按行業(yè)標準JGJ 63-89混凝土拌合用水標準的規(guī)定執(zhí)行。

2 自密實混凝土的配制及性能實驗

2.1 自密實混凝土的基準配合比

一般規(guī)定:自密實混凝土的設(shè)計宜采用絕對體積法。自密實混凝土的水膠比宜小于0.45，膠凝材料宜控制在400 kg/m3～355 kg/m3。鋼管自密實混凝土配合比設(shè)計時，必須采取減少收縮的措施。本文自密實混凝土的基準配合比參照CECS 203-2006，JGJ 55-2011進行。

2.2 試驗所用配比及性能檢測結(jié)果

試驗所用配比及性能檢測結(jié)果分別如表7及表8所示。

2.3 試驗結(jié)果分析

1)配比參數(shù)對和易性的影響。根據(jù)表9試驗結(jié)果可得，砂率為45%，水膠比0.33，水粉比(體積比)1.00 ～1.03，單位粗骨料絕對體積0.33～0.34，粉煤灰摻量10% ～30%，外加劑摻量1.5%，自密實混凝土拌合物的和易性能可滿足施工要求。

表7 鋼管自密實混凝土試驗配比

表8 各種配比物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

原因分析，砂率對和易性的影響:在水泥漿數(shù)量一定的情況下，砂率過小時雖然顆粒間有足夠的水泥漿層，但由于砂少石子多，砂與水泥漿組成的砂漿數(shù)量不夠填滿石子顆粒間的間隙，更不能在石子表面形成足夠的潤滑層，因而會降低拌合物的流動性。因此，該次實驗的砂率變化不大，都基本保持在45%左右。

水粉比對和易性的影響:當理論水膠比不變的情況下，水粉比越大流動性越好，但是當水粉比較小時會影響拌合物的粘聚性、保水性。

粉煤灰摻量對和易性的影響:當粉煤灰的摻量較高時，拌合物的粘聚性、保水性都很好，但是流動性會稍微差一些。

2)粉煤灰摻量對自密實混凝土收縮的影響。在粉煤灰摻量不同的情況下，混凝土的收縮也不同。粉煤灰摻量對混凝土收縮的影響情況如表9及圖1所示。粉煤灰的水化反應(yīng)很慢，它在混凝土中相當長的時間內(nèi)以固體微顆粒存在，具有填充骨料空隙的作用，可以提高混凝土的密實性。所以，在一定的范圍內(nèi)，對于常規(guī)混凝土，當粉煤灰的摻量越多時收縮越小。

表9 粉煤灰摻量對形變的影響

圖1 粉煤灰的摻量對混凝土收縮的影響

3)粉煤灰摻量對強度的影響。當其他配比參數(shù)(如水膠比、砂率、單位用水量、減水劑摻量、單位粗骨料絕對體積)基本不變時，粉煤灰摻量由30%調(diào)到10%，對混凝土強度的影響如表10，圖2，圖3所示。當粉煤灰摻量超過30%時，混凝土早期強度和后期強度都會受到影響。

表10 不同粉煤灰摻量對混凝土強度的影響

4)膨脹劑對自密實混凝土物理力學(xué)的影響。比較配比一和配比二，其他配比參數(shù)(如水膠比、砂率、單位用水量、減水劑摻量、單位粗骨料絕對體積)不變時，膨脹劑的加入對自密實混凝土的收縮及強度影響結(jié)果如表11，表12，圖4所示。

圖2 粉煤灰摻量對混凝土早期強度（3 d）的影響

圖3 粉煤灰對混凝土28 d強度的影響

表11 加膨脹劑與不加膨脹劑的收縮比較

表12 加膨脹劑與不加膨脹劑對混凝土的強度影響

圖4 加膨脹劑與不加膨脹劑對混凝土強度的影響

3 結(jié)語

1)為了保證自密實混凝土的和易性、自密實性等，材料的選用很重要。尤其是砂石的選用。石子在選用時不應(yīng)該選用粒徑太大的，一般不超過25 mm，通常都用5 mm～20 mm的。砂子一般用中砂，這樣的砂子能與石子鑲嵌密實，能有效的保證混凝土的密實度及強度。同時，為保證流動性，河砂機制砂和山砂效果好。

2)自密實混凝土是一種高流動性的混凝土，對于用水量十分的敏感。在不同的季節(jié)、一天不同的時候?qū)τ谟盟慷际遣煌摹?/p>

3)對于自密實鋼管混凝土必須加入膨脹劑。使得自密實混凝土在硬化過程中發(fā)生膨脹，二者在硬化過程中就相互擠壓，形成像預(yù)應(yīng)力構(gòu)件一樣的構(gòu)件，有利于提高結(jié)構(gòu)的安全性。

4)膨脹劑摻量在10%的情況下，混凝土早期的強度發(fā)展會受到影響，但是后期幾乎沒有影響。

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