C30機制砂自密實混凝土的配合比優(yōu)化研究

馬 冬 哲

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

自密實混凝土(Self-Compacting Concrete,SCC)具有很高的流動性、勻質(zhì)性和鋼筋穿透性能，工作性能強于普通混凝土，在實際工程中有巨大的應(yīng)用[1,2]。自密實混凝土往往采用天然砂作為細(xì)骨料，隨著天然砂的匱乏，越來越多的工程開始使用機制砂，可以解決資源短缺問題。機制砂石粉含量高、級配較差、細(xì)度模數(shù)偏大，導(dǎo)致機制砂自密實混凝土穩(wěn)定性較差，對自密實混凝土的工作性能有較大的影響。因此優(yōu)化配合比，降低混凝土的造價和選材要求，改善機制砂自密實混凝土的工作性能是一個非常重要的問題[3]。混凝土的工作性能通常采用坍落擴展度、V漏斗、L形箱試驗來共同評價[4]。通過本次試驗，在滿足混凝土工作性能和強度要求的前提下，降低自密實混凝土的材料成本，降低工程造價[5]。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗采用P.O42.5級水泥，密度為3.27 g/cm3；Ⅰ級粉煤灰密度為2.41 g/cm3，Ⅱ級粉煤灰密度為2.33 g/cm3；細(xì)骨料采用機制砂，細(xì)度模數(shù)為2.42，屬于Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度為2.54 g/cm3，石粉含量為9.3%，石粉密度為2.5 g/cm3；粗骨料級配為粒徑5 mm～10 mm摻量60%，粒徑10 mm～19 mm摻量40%，混合石子表觀密度為2.78 g/cm3，堆積密度為1.53 g/cm3；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水劑與保塑劑的比例為1∶4。其中各原材料的成本如表1所示。

表1 混凝土各原材料成本 元/t

1.2 機制砂SCC工作性能試驗

SCC研究的重點之一就是保證SCC拌合物的工作性能，國內(nèi)外開發(fā)的許多測試方法中，通常采用坍落擴展度與V漏洞試驗、L形箱，我國協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中對SCC的工作性能評價指標(biāo)如表2所示[6]。

表2 機制砂自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)

1.3 機制砂自密實混凝土配合比

采用基于凈漿流變閾值理論的自密實混凝土配合比設(shè)計方法，混凝土配合比見表3，其中水粉比為水與粉體材料的體積比；砂率為砂與砂漿的體積比；粉煤灰摻量指的是膠凝材料體積不變的前提下，粉煤灰與膠凝材料的體積比。

表3 機制砂自密實混凝土配合比(一)

對本組機制砂自密實混凝土進(jìn)行坍落擴展度、V漏斗、L形箱、擴展度經(jīng)時損失、強度檢測試驗，其工作性能參數(shù)和強度如表4所示。

表4 機制砂自密實混凝土工作性能和強度(一)

結(jié)合表1的混凝土原材料成本，經(jīng)過計算，按照此配合比進(jìn)行試配，一方混凝土的價格為369元，其擴展度、0.5 h擴展度損失、L形箱比例、V漏斗時間均滿足工作性能評價指標(biāo)。28 d強度為43.8 MPa，強度偏高，進(jìn)一步優(yōu)化考慮增加石子摻量[7]，可以降低膠凝材料的用量。

2 配合比優(yōu)化

本次試驗的目的是在滿足混凝土工作性能評價指標(biāo)和強度的需求下，優(yōu)化混凝土的配合比，降低每方混凝土的成本，將試驗編號1中的石子摻量由300 L/方增加到330 L/方，其余各參數(shù)保持不變，優(yōu)化后的機制砂自密實混凝土配合比如表5所示，試驗參數(shù)如表6所示。

表5 機制砂自密實混凝土配合比(二)

表6 機制砂自密實混凝土工作性能和強度(二)

經(jīng)過計算，第2組混凝土的成本為364元/方，相較于第1組，每方混凝土節(jié)省了5元，且有效降低了強度，滿足C30混凝土的強度要求。第2組混凝土的流動性能降低，但是滿足機制砂自密實混凝土的工作性能評價指標(biāo)。V漏斗時間較長，混凝土的勻質(zhì)性較差，考慮將石子級配由小石子∶中石子=6∶4調(diào)整為小石子∶中石子=4∶6，同時將Ⅰ級粉煤灰替換為Ⅱ級粉煤灰，增加混凝土的勻質(zhì)性[8]，且降低混凝土的成本。第3組混凝土的配合比如表7所示，混凝土的工作性能和強度參數(shù)如表8所示。

表7 機制砂自密實混凝土配合比(三)

表8 機制砂自密實混凝土工作性能和強度(三)

第3組混凝土的成本僅為358元，每方混凝土較第2組可以節(jié)省6元，強度略有上升，混凝土的擴展度降低，V漏斗時間減少，均滿足混凝土的工作性能要求。本組混凝土的擴展度僅為620 mm，雖然滿足指標(biāo)要求，考慮到這一批Ⅱ級粉煤灰活性較差，吸水性比較大，導(dǎo)致混凝土的流動性略有降低，且保塑性能較差。將減水劑摻量增加至1.1%，增加混凝土的流動性能和保塑性能。優(yōu)化后的混凝土配合比如表9所示。

表9 機制砂自密實混凝土配合比(四)

第4組混凝土的工作性能和強度如表10所示。

表10 機制砂自密實混凝土工作性能和強度(四)

本組混凝土的成本為359元/方，流動性能和保塑性能大于第3組混凝土，強度略有減小，滿足混凝土的工作性能要求。為了進(jìn)一步減小混凝土的成本，將第4組混凝土中的砂率由45%調(diào)整為47%[9]，減小膠凝材料的用量，調(diào)整后的混凝土配合比如表11所示，工作性能和強度如表12所示。

表11 機制砂自密實混凝土配合比(五)

表12 機制砂自密實混凝土工作性能和強度(五)

通過比較，本組混凝土的成本為355元/方，均小于以上4組混凝土，且流動性、保塑性，強度均滿足C30混凝土的要求。相較于第1組基準(zhǔn)配合比的混凝土，每方混凝土節(jié)省了14元，成本較為可觀。

3 結(jié)語

本研究在機制砂自密實混凝土的基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，通過調(diào)整混凝土的水粉比、減水劑摻量、粉煤灰、石子摻量、石子級配、砂率，從而得到滿足自密實混凝土工作性能評價指標(biāo)和強度要求的混凝土配合比，得到以下結(jié)論：

1)優(yōu)化后的混凝土較基準(zhǔn)配合比的混凝土，每方混凝土成本減小了14元，從而減少了工程造價。

2)小石子∶中石子由6∶4調(diào)整為4∶6，混凝土的流動性能和勻質(zhì)性有所提高。

3)增加每方混凝土的石子摻量、砂率，雖然強度有所下降，但是可以有效減小膠凝材料的用量，從而減小混凝土的成本。