C60高強度微膨脹混凝土配合比設計研究

程小娟

(中交路建交通科技有限公司 北京市 100121)

0 引言

混凝土配合比就是根據施工要求與工程需求，選擇所需的各種原材料，在保證混凝土工作性能和經濟性的條件下，確定各種材料比例組成以及相應的材料用量。良好的配合比是獲得高強度耐用混凝土的必備條件。目前，雖然混凝土配合比設計已經有很大的發展，創建了相應的國標和行標，以及地方標準和企業標準[1]，但在不同的建設工地中，每個工地的環境不同，各地所產的原材料也不同，導致了混凝土配合比設計不能完全按照標準規定的公式和方法進行計算配制。隨著對節能減排、可持續發展要求的不斷提高，對混凝土性能的要求也越來越高[2]。鑒于此，對高強度混凝土進行實驗研究，設計了不同水膠比的混凝土，測試其坍落度、抗壓強度等各項性能指標，掌握水膠比對混凝土7d、28d齡期強度的影響規律，研究水膠比對混凝土各項性能的影響，進而確定最經濟、高效的施工方案，選擇滿足工程要求的配料比進行施工，實驗結論對混凝土在工程實踐中的應用具有重要意義。

1 工程概況

甘肅某機場航站樓連接線橋面板采用C60微膨脹混凝土，設計方量2500m3，采用現澆混凝土施工工藝。該地區氣候相對干燥，常年受季風影響，晝夜溫差大，水分蒸發較快。項目附近碎石供應相對豐富，水泥、外加劑等摻和料選擇空間較小。根據現有條件需要試配出一種性能穩定、適用于拌和、運輸、現場澆筑的C60混凝土。

2 混凝土的技術要求

對于新拌混凝土要使之具有良好的和易性，同時不泌水、不分層、不會出現離析現象。新拌混凝土的坍落度要求為160～200mm，而且要確保60min坍落度的損失小于30mm。混凝土形態體積穩定時，21d限制膨脹率大于0。硬化后混凝土的強度會顯著提高，混凝土28d抗壓強度不小于設計強度等級的1.15倍。

3 混凝土原材料選擇

混凝土是一種必不可少的建筑材料，只有充分利用本地特色的原材料，才有實際的應用價值，要對本地混凝土原材料的品質，有一個客觀的、全面的認識，以經濟適用、方便運輸為前提，找出適合配制C60微膨脹混凝土的原材料。

3.1 水泥

本試驗選擇中材甘肅的賽馬牌P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥。水泥的品種、礦物所含成分、調凝劑、堿含量、細度等方面都會影響外加劑的使用效果。

3.2 集料

混凝土拌和物的和易性受砂石級配和粒型的影響。潤昌砂場產的天然中砂作為細集料，細度模數2.94，含泥量1.8%，泥塊含量0.2%，粗集料選擇王峴產的4.75～19mm的連續級配碎石；碎石針片狀含量為5.3%，含泥量0.2%，泥塊含量0.1%，壓碎值9.6%。

3.3 外加劑

C60混凝土具有大量的膠結材料，水灰比低，強度要求高，并且混凝土坍落度大。為了滿足混凝土的性能和施工要求，提高混凝土的和易性，減少水泥用量并節省成本，外加劑的選擇尤為重要[3]。在選擇摻和料時，應考慮摻和料的適應性和保水性，以有效控制混凝土拌和料的坍落度損失，提高混凝土拌和料的保水率，并減少混凝土拌和料的離析和泌水。高性能減水劑是高強度高性能混凝土最常用的外加劑。減水率一般要求大于20%[4]。故選用山西TJXC-B聚羧酸高性能減水劑(標準型)，減水劑性能見表1。

表1 減水劑性能

3.4 粉煤灰和礦渣

在配制高強混凝土時，應加入具有良好活性的礦物摻和料，特別是效果好的復合摻和料，活性摻和料的火山灰效應能進一步促進混凝土水化，提高混凝土強度；其形態和微集料效應提高了混凝土的流動性和保塑性，減小了坍落度的經時損失，可泵性好，并能顯著改善混凝土的孔結構和耐久性，選用鑫凱F類I級粉煤灰和福順通S95級礦渣粉。

3.5 膨脹劑

微膨脹混凝土就是在普通的混凝土中添加一種膨脹劑，使混凝土在水化期間能夠依靠膨脹劑的作用而發生一定膨脹，從而彌補了混凝土的收縮，達到防治混凝土收縮的性能，膨脹劑的化學成分及物理性能見表2。

表2 膨脹劑化學成分和物理性能

選用湖北順遠HEA型膨脹劑，HEA型抗裂膨脹劑可與水泥水化產物結合生成大量的礦物微膨脹晶體，可以降低混凝土在靜水壓力下的透水性，同時具有堵塞和切斷毛細通道的功能，進一步減少混凝土的泌水性，提高混凝土的密實度，提高混凝土的抗裂性能；此外，HEA型抗裂膨脹劑摻進混凝土中，能提供一種特殊的憎水涂層，減小壓力作用下的水分遷移，有效提高混凝土對有害物質的耐腐蝕性和耐久性，使混凝土具有結構自防水和抗裂防滲的性能，從而提高混凝土的耐久性。

3.6 水

選用生活飲用水-自來水。

4 混凝土配比設計

C60微膨脹混凝土的水灰比低，混凝土的流動性是一項重要的指標。當混凝土強度等級在C60級以上時，水膠比與混凝土強度的線性關系較差，分散性較大，鮑羅米公式只對C60等級以下的混凝土適用。但對于高強混凝土鮑羅米公式適用性不大，其水膠比的確定只能按現有的試驗資料來參照，然后通過試配進行調整，高強混凝土水膠比計算仍可采用鮑羅米公式，但與普通混凝土不同的是其回歸系數有所改變。混凝土的強度值見表3。

表3 C60混凝土強度值

(1)

式中，aa，ab—回歸系數；

fb—膠凝材料28d膠砂抗壓強度實測值(MPa)；

fcu,o—混凝土配制強度(MPa)。

4.1 水膠比的確定

C60微膨脹混凝土屬于高性能混凝土。根據《高強混凝土結構設計與施工指南》第二版要求混凝土的施工配制強度不能低于設計強度的1.15倍，因此根據規范可得出該混凝土配制強度不小于69MPa。目前無完善的公式可以選用，故根據資料統計水膠比可采用0.28～0.32。

4.2 摻合料用量

水泥為硅酸鹽水泥，粉煤灰摻量取10%，礦渣粉摻量取15%。依據廠家說明HEA型膨脹劑摻量取6%。試驗方法為外摻法。

主要考核指標：按填充用膨脹混凝土配制，分析其不同齡期內豎向自由膨脹率及7d、28d的抗壓強度；按補償收縮混凝土配制，考慮其在水中及空氣中的限制膨脹率及28d抗壓強度[5]。

對試驗成果進行多方面的比較，最終確定膨脹劑摻量是6%。

摻量計算，確定每立方米用水量(mwo)。設計坍落度160～200mm，根據碎石及砂樣品情況，查表確定用水量217kg，由于摻入了減水劑，經試配確定減水劑的減水率為32%，調整后選用用水量為217×(1-32%)=148kg/m3；每立方米混凝土拌和物用量見表4。

表4 每立方米混凝土拌和物用量

4.3 確定砂率(βs)

根據碎石及砂樣品情況，初步暫定砂率為βs=37%。

4.4 計算粗、細集料、膨脹劑的摻量

按質量法計算粗細集料的質量，假定水泥混凝土的表觀密度(mcp)為2450kg/m3。通過以下計算公式：

mco+mfo+mko+mgo+mso+mwo+mwj=mcp

(2)

(3)

(4)

(5)

解得：mso=647kg/m3，mgo=1102kg/m3，結合表4每立方米混凝土拌和物的用量，可得到基準配合比見表5。

表5 基準配合比(單位：kg/m3)

4.5 混凝土配合比的試配、調整與確定

按計算水泥混凝土基準配合比(W/B=0.27)，同時以基準配合比的水膠比為基準分別減少0.03和增加0.03，用水量與基準配合比保持一致。砂率分別減少1%和增加1%進行試拌。經試驗，混凝土拌和物和易性良好，各材料用量及其拌和物坍落度、表觀密度見表6，各材料用量及其混凝土7d、28d強度見表7。

表6 各材料用量及其拌和物坍落度、表觀密度

表7 各材料用量及其混凝土強度

不同水膠比情況下7d、28d的混凝土抗壓強度變化見圖1，隨著水膠比的增大，混凝土的抗壓強度呈現線性降低的趨勢。

圖1 混凝土抗壓強度與水膠比關系曲線

5 混凝土的養護

C60微膨脹混凝土需要充分濕養護才能更好地發揮其膨脹效應，施工期間，應保持一定的環境溫度。如果環境溫度低于5℃時，要采取保溫措施。夏季天氣酷熱，砂石要采用一定的遮陽措施，當混凝土澆注完成后，其應避免在烈日下暴曬，或遭受雨水侵襲；在常溫下，膨脹水泥混凝土澆注后4h應進行遮蓋，8～12h要開始澆水養護，當拆模后需大量的水進行澆水養護，使混凝土保持在潮濕或半濕潤狀態。養護時間不能低于14d，同時應快速檢測限制膨脹率。

6 結語

C60微膨脹混凝土在配合比設計過程中，受到原材料品質、環境溫度、拌和工藝等多方面因素影響，需要多崗位協同作戰才能確保混凝土的質量。

通過對原材料的化學和物理性能進行對比，挑選出適合的原料；對摻和料的設計計算，得出每個材料的基準配合比。按基準配合比的基準，對水膠比分別減少0.03和增加0.03，砂率分別減少1%和增加1%進行試拌；通過試驗分析結果表明，隨著水膠比和砂率的增加，混凝土的7d、28d抗壓強度和坍落度呈線性降低的趨勢。由此可見，水膠比對混凝土強度起到關鍵作用。

研究表明，在微膨脹混凝土的配合比設計、生產、施工等方面必須嚴格控制與管理，并進一步加強混凝土的養護和檢測，不斷總結和改進，高標號微膨脹混凝土施工質量完全可控。