高強混凝土配合比設計中對原材料的選擇與分析

(南平市公路工程試驗檢測中心，南平 353000)

高強混凝土配合比設計中對原材料的選擇與分析

■廖振標

(南平市公路工程試驗檢測中心，南平 353000)

高強混凝土配合比設計的首要環節為原材料選擇，其好壞直接影響水泥混凝土的工作性和強度發展要求。本文以某高速公路橋梁工程現澆梁片為工程背景，從水泥、骨料、外摻料、減水劑等材料原則和方法出發，對高強混凝土配合比設計中所用原材料的選擇進行初步分析，為同類工程提供借鑒。

高強混凝土 配合比設計 原材料選擇

1 引言

水泥混凝土是一種復雜的非勻質材料，其硬化體至少包含粗、細集料、未水化的水泥顆粒、氫氧化鈣及其它結晶顆粒、水泥凝膠、凝膠孔隙，毛細管、孔隙水及氣泡等各種組分，要配制出高強度的混凝土，首先必須找出影響強度的主要因素及其規律，特別是原材料不同的混凝土，其強度差異高低偏差很大。

高強混凝土成品結構從原材料選擇到最終成品要經歷原材料選擇、配合比設計、混合料攪拌、混合料運輸、混合料振搗、成品養生、成品保護等環節。選材作為高強混凝土配合比設計的首要環節，原材料選擇的好壞直接影響水泥混凝土的工作性和強度發展要求。

2 工程概況

某高速公路橋梁工程現澆梁片，采用泵送方法施工，現場有比水泥南方P.052.5級及南方P.042.5級普通硅酸鹽水泥供選擇、天然中砂，5～20mm碎石，外加劑為聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠結料的1.3%，減水率大于25%，，混凝土單方用水量為160kg。

3 原材料

3.1 水泥

水泥品種和膠凝物質的數量是影響水泥混凝土強度和工作性的主要因素。從試驗和觀察水泥混凝土的破壞過程可知，混凝土其破壞常常發生在水泥石與骨料的界面處，強度主要取決于水泥石與骨料的粘結力。因此水泥品種的確定非常重要，它不僅要把骨料粘結在一起，而且本身硬化后還必須具有高的強度，以承受荷載，骨料能否發揮作用，與水泥材料本身強度和粘結力有很大關系。在配制高強混凝土時，水泥的強度等級的選用要求應高于相對應的混凝土強度等級，或者是略低于混凝土的強度等級，最好控制在水泥混凝土對應強度等級的0.9～1.5倍范圍內，方能滿足《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T F50-2011)中膠凝物質的數量最高控制范圍要求。

為便于對試驗數據進行分析，結合工程概況中的數據，根據鮑羅米混凝土強度公式fcu.0=0.304fce(C/W+ 0.62)分別計算水膠比，基準水泥用量等參數如表1和表2所示。

表1 采用水泥強度等級最低強度計算水泥用量表

表2 采用水泥最低強度為砼設計強度等級0.9倍計算水泥基準用量表

通過上述表1和表2中數據比較，在相同用水量和高性能減水劑摻配比例的前提下，為保證混合料具有相同的工作度，采用南方P.042.5級水泥配制C50強度等級混凝土根據鮑羅米混凝土強度公式fcu.0=0.304fce(C/W+ 0.62)計算所得水泥用量遠遠大于《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T F50-2011)要求范圍，按照工程經驗需要通過摻入部分外摻料(硅粉和粉煤灰)在混凝土中兼起活性粘結料和填料的作用，以實現減低水泥用量，提高混凝土強度的目的；而采用南方P.052.5級水泥配制C50強度等級混凝土，水泥用量完全可以不借助摻入外摻料(硅粉和粉煤灰)就可以滿足規范用量要求。從施工實踐證明可知，水泥混凝土中膠凝物質的數量直接影響到水泥石與界面的粘結力，為保證具有一定的工作度，應增加砂漿中膠凝材料的比例，水泥用量要高，但一般不宜超過橋涵規范要求范圍內，否則，易于引起水化期間散熱太慢或收縮量過大等問題。從經濟上考慮，就應減少水泥用量，最好是摻加一部分高質量的粉煤灰或者其它粉狀硅質材料來提高混凝土強度，把水化放熱和干縮負作用減少到最低限度。

綜合上述，對水泥品種及強度等級的選用，應根據項目工程自身特點結合周邊附近水泥供應情況，制定符合本項目施工要求的技術指標以彌補我國現階段大部分水泥廠家28天水泥強度富余系數不足之缺點，并通過項目材料招標合同得以實現。

3.2 骨料

水泥混凝土的骨料有細骨料和粗骨料之分。配制高強混凝土過程中，骨料選用應按以下幾點原則進行選取。

3.2.1 細骨料

細骨料可分為天然砂和機制砂，在高強混凝土組成中，細集料所占比例同樣要比普通強度混凝土所用的量要少些。作為混凝土填充材料，在地材相對豐富的地方，優先使用含泥、含粉量低，級配良好的天然中砂或粗砂，最好是圓形顆粒級配良好的天然河砂，以采用潔凈的石英質河砂為佳，可以避免混凝土過于干硬。在天然砂嚴重匱乏的情況下，可以考慮使用技術指標滿足相關規范及設計文件要求的機制砂。

3.2.2 粗骨料

粗骨料在混凝土的組織結構中起主要骨架作用，粗骨料的性能對混凝土的抗壓強度及彈性模量起到決定性的制約作用。混凝土強度的影響主要取決于骨料強度、表面特性、粒料級配及最大粒徑等四方面性能。

(1)骨料強度

作為混凝土骨架的材料，其強度的高低會對混凝土強度產生較大影響。若所選的骨料成為混凝土合格骨料，其抗壓強度是有一定要求的。一般情況下，所選的骨料抗壓強度要達到混凝土設計強度的1.5～2.0倍，才能在其本身材料上有效地保證混凝土強度。對于高強混凝土而言，從骨料作為混凝土骨架和抗變形的作用來說，若一味的增加水泥用量以及改變水膠比，不能很好地提高混凝土強度。因為骨料強度不高，不論如何改變水泥用量或水膠比，都不能達到高強混凝土的要求。

(2)骨料表面特性因素

作為混凝土骨架的碎石從加工特性上通常有球形、立方體形、針狀及片狀等，從實際工程的應用情況看，球形和立方體形的碎石拌制的混合料效果較好，而片狀和針狀效果較差。針片狀碎石會增加混凝土空隙率，影響混凝土攪拌時的和易性，降低骨料的粘結力，在受到外部的各種應力時，容易發生折斷；同時在高空隙率的條件下，混凝土容易發生泌水，坍落度損失較為嚴重，嚴重影響了混凝土的強度發展。所以要配制高強混凝土，應采用球形或立方體形的碎石，針片狀含量應不大于5%，同時碎石的表面必須干凈而無粉塵，否則要影響混凝土內部的粘結力。

(3)骨料最大粒徑

有關實驗證明，在較小的混凝土水膠比的情況下，碎石的最大粒徑會對混凝土強度產生較大影響。對于大部分的巖石而言，只要把最大粒徑控制在9.5～16mm范圍內，就能很好的控制骨料存在的缺陷，甚至可以消除。為使表面積增加的多(可改善總的粘結作用)，骨料最大粒徑(方孔篩)一般要低于19mm。通常用粒徑為4.75～16mm的骨料可得到最大強度，采用4.75～9.5mm或4.75～16mm粒級的骨料是最適宜的。

(4)骨料的粒料級配

骨料的級配對混凝土的力學性能有著很大的影響，好的骨料級配應該是在保證密實度的前提下能夠減少水泥用量，因而需要大堆積密度和小空隙率，通過減少表面積來減少潤滑骨料的用水。但為確保混凝土的和易性要求，需要一段的細骨料，粗骨料占石子總量70%時，堆積密度可達到最大，混凝土強度可達到最大。

綜合上述，粗骨料的選擇，應從骨料的本身巖性特性及加工特性方面綜合考慮。

3.3 外摻料

水泥混凝土中礦物摻合料可包括粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅粉等材料。配制高強混凝土用粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等量替代部分水泥可以改善工作度，降低水化熱，減少高效減水劑用量，減少坍落度隨時間的損失，并增加混凝土的強度。硅粉在混凝土中兼起活性粘結料和填料的作用，以實現減低水泥用量，提高混凝土強度的目的；工程實踐上，配制高強混凝土用礦渣或粉煤灰同時加入少量硅粉成為常態，當混凝土強度高于C80時，摻加硅粉幾乎成為獲得高強的唯一手段。因此，外摻料的選擇應視工程自身特點和要求及經濟性而定。

3.4 減水劑

減水劑(又稱塑化劑)，特別是高性能減水劑，具有一定的引氣性，較高的減水率和良好的坍落度保持性能，摻入混凝土中，特別是干硬性混凝土中，可提高混凝土的流動性。與其他減水劑相比，高性能減水劑在配制高強度混凝土和高耐久性混凝土時，具有明顯的技術優勢和較高的性價比。如果保持施工要求的流動性不變，則可通過減少單位用水量，降低混凝土混合物的水膠比，從而取得提高強度和密實度的效果。無論何種高效減水劑，使用前一定要結合工程自身特點進行質量復試及水泥的相容性等試驗。

4 結語

要配制出滿足工作性和強度發展要求的高強混凝土，原材料的選擇既要滿足項目工程經濟性上的要求，又要滿足使用高質量材料及執行更嚴格的質量標準要求，否則就會發生所配制的混凝土或者是強度不能滿足工程需要，或者是工作性能不能滿足工程要求，增加工程項目的施工風險。

[1]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]CECS104-1999，高強混凝土結構技術規程[S].北京：中國工程建設標準化協會，1999.

[3]GB175-2007，通用硅酸鹽水泥[S].北京：中國標準出版社，2007.