一種輕質高強混凝土配合比設計方案

張 浩

(廣州公路工程集團有限公司,廣東 廣州 510075)

隨著應用領域的不斷擴大,混凝土固有的表觀密度較大、比強度較低、承載能力較差等缺點,以及由其帶來的弊端也逐漸顯露了出來,這極大地限制了混凝土在工程界的進一步推廣和應用。

隨著混凝土技術的不斷創新和進步,大約六十年前,工程領域迎來了一項具有重要意義的技術突破——輕質混凝土的誕生。這一新型混凝土材料的問世填補了傳統混凝土的一些缺陷,帶來了一場真正的技術革命。輕質混凝土具備多項優越特性,包括較高的比強度、耐火性、隔音效果、保溫性能以及卓越的抗震性能,同時不易發生堿集料反應。在其初始發展階段,輕質混凝土相較于傳統混凝土仍存在一些局限,如強度和彈性模量較低等問題,限制了其廣泛應用[1]。

初期階段,輕質混凝土主要在工業和民用建筑領域被廣泛應用于保溫和結構保溫的場景。隨著現代建筑的不斷發展,尤其是在超高層建筑和大型橋梁等受力關鍵部位,對混凝土輕質高強屬性的需求逐漸凸顯,輕質高強混凝土因其獨特的性質成為解決工程挑戰和提升結構性能的理想選擇。

輕質高強混凝土,也稱為高強輕質混凝土(HSLC),由高強度的粗細集料、水泥和水混合而成。其干表觀密度不超過1 950 kg/m3,強度等級達到或超過LC30,是結構用途的典型輕質混凝土[2]。為滿足實際工程需求,研究團隊深入研究了輕質高強混凝土,成功配制出抗壓強度超過80 MPa的輕質高強混凝土,并提出了相關的配合比研究方案。這種混凝土材料為工程界帶來了新的可能性,為建筑結構的性能提升提供了有力支持。

1 技術路線

為達到輕質高強混凝土的設計目標,本混凝土配合比擬定以下技術路徑:采用P·O 52.5水泥作為基礎材料,其強度與性能符合要求;引入高質量的礦物摻合料,包括粉煤灰和硅灰,以改善混凝土的細致結構;舍棄粗集料,僅采用輕質細集料(如頁巖陶砂),以確保混凝土保持輕質高強的特性,同時盡量減小基體的孔隙率;選擇與水泥相容性良好的外加劑,以保證混凝土的施工性和充分水化,同時極力降低混凝土的水膠比[3]。這一設計路徑旨在在輕質高強混凝土的各項性能中取得平衡,以滿足實際工程的需求。

2 輕質高強混凝土原材料

輕質高強混凝土的配合比是一個涵蓋多種關鍵原材料的精心設計過程,以確保混凝土達到優異的性能標準。這種混凝土的配合比涉及到幾個核心成分,細致的搭配是其卓越性能的保證,其中主要包括以下幾種關鍵原材料。

細集料(頁巖陶砂):輕質高強混凝土的配比采用僅限細集料的集料,其中使用了高品質的頁巖陶砂。相比傳統混凝土,這一設計決策避免了采用粗集料,有助于提升混凝土的輕質性和整體性能。

外加劑:外加劑在混凝土中起到改良性能、提高施工性能和調整混凝土性狀的作用。通過合理使用外加劑,可以調控混凝土的流動性、凝結時間等關鍵特性,使得混凝土更適合不同的工程要求。

礦物摻合料(粉煤灰和硅灰):礦物摻合料是混凝土中取代部分水泥的材料,有助于減少碳排放、提高混凝土的抗裂性和耐久性。在輕質高強混凝土中,粉煤灰和硅灰等礦物摻合料被巧妙地引入,為混凝土的綜合性能提供了有益的影響。

拌和水:拌和水在混凝土中起到溶解水泥、促使混凝土硬化的重要作用。精心控制拌和水的用量和質量,是確保混凝土擁有理想強度和工程性能的關鍵步驟。

2.1 細集料

通過細致地從各種料源和不同產地中篩選集料,實現了對集料的多角度優化選擇。在這一配比方案中,仔細評估了來自不同供應商和產地的陶砂,并最終選擇了河南美賽克科技有限公司生產的陶砂作為主要集料。這個決策基于對多方面性能指標的全面分析,以確保混凝土在輕質高強的同時具備優越的工程性能。

選用的陶砂的技術性能如表1所示。該陶砂的細度模數為1.72,堆積密度為950 kg/m3,表觀密度為1 926 kg/m3。這些性能參數表明該陶砂具有適中的顆粒分布和輕質的特性,為混凝土的輕質化和高強度提供了有力的支持。

表1 陶砂技術性能

2.2 水泥

水泥作為混凝土中至關重要的膠凝材料,在混凝土的工作性、強度和耐久性方面發揮著關鍵的作用。在本配合比中,考慮到混凝土的高強度要求,結合以往的經驗選擇了“天鵝”P·O 52.5水泥作為膠凝材料。

選用的水泥的具體性能詳見表2,配合比設計充分考慮了水泥的特性,以確保混凝土在各個方面都能夠達到優異的性能標準。

實驗組實施頸椎前后路聯合手術治療。在對患者進行全身麻醉后,切開頸椎前切口,植入髂骨,并將前板用于內固定。然后在頸后路切口手術中途,實施人造骨移植或同種異體骨移植。

表2 水泥技術性能

2.3 粉煤灰

粉煤灰對混凝土產生的主要影響可以在多個方面得到概括,其作用包括但不限于:(1)通過引發“滾珠效應”,粉煤灰能夠顯著增強混凝土拌合物的流動性,使其更易于加工和澆筑。(2)通過發揮“微集料效應”,粉煤灰有助于提升混凝土拌合物的密實度,從而改善混凝土的整體結構。(3)通過激發“火山灰效應”,粉煤灰能夠增強混凝土的后期強度,為混凝土在使用過程中的長期性能提供支持[4]。

選用的粉煤灰的詳細技術性能見表3。在配合比設計中充分考慮了粉煤灰的有益特性,以確保混凝土能夠在各個方面發揮出色的性能。

表3 粉煤灰技術性能

2.4 硅灰

硅灰是一種常用的礦物摻合料,特別適用于配制高強混凝土。在本配合比中,選擇了上海“天愷”牌硅灰作為礦物摻合料。硅灰在混凝土中發揮著重要的作用,對混凝土的性能有著顯著的影響。

硅灰的技術性能詳見表4。該表列出了硅灰在多個方面的性能指標,選用“天愷”硅灰,旨在充分利用其在混凝土中的活性和優異的技術性能,以提高混凝土的綜合性能和耐久性。

表4 硅灰技術性能

通過對硅灰等礦物摻合料的精心選擇,致力于優化混凝土的配合比,確保其在各個方面都能夠達到設計要求,并在實際工程應用中取得良好的性能表現。

2.5 外加劑

在我國,雖然聚羧酸鹽系是外加劑市場的主流產品,但其品質參差不齊。經過全面的市場調研和多方面的考察,最終選擇了與“天鵝”牌P·O 52.5水泥兼容性更佳、減水率更高的科之杰Point聚羧酸鹽系緩凝高效減水劑,作為這一配比的首選外加劑。

2.6 拌和用水

在此配比中,選擇了飲用水作為混凝土的拌和用水,其各項性能均符合混凝土拌和用水的標準要求。

3 確定并優化混凝土的配比

3.1 試驗混凝土的配比方案

在綜合考量了原材料對混凝土的工作性、強度及耐久性的影響后,進行了廣泛的前期試驗,篩選出最佳配合比。本次試驗中,比較了三組(第一組至第三組)不同的粉煤灰和硅灰摻量。基于試驗結果,選擇了第一組中抗壓強度較高的配合比,進一步進行礦物摻合料的優化和驗證(第四組至第五組),見表5。

表5 輕質混凝土配合比匯總表

3.2 分析配合比試驗的結果

(1)水膠比的決定性影響:混凝土強度與水膠比成反比關系,即較低的水膠比會帶來更高的混凝土強度,而較高的水膠比則降低強度,這一規律在試驗數據中得到了清晰的體現[5]。

(2)礦物摻合料的作用:礦物摻合料對混凝土強度有一定的增強作用。

(3)水泥用量的考量:水泥的影響須與水膠比共同考慮。在固定水泥用量下,混凝土強度通常與水膠比成反比。在合理使用范圍內,水泥用量增加將提升混凝土強度,但超過某一最佳值后,強度反而會降低。

(4)配合比試驗的前期工作:在開展這5組配合比的試驗前,進行了廣泛的初步篩選。基于這些試驗結果,精選了這5組配合比進行進一步驗證,試驗成果基本符合預期的技術性能標準。

3.3 新拌混凝土的工作性能

在輕質高強混凝土的優化配比中,除了保證高強度和良好耐久性外,還特別注重其滿足施工工藝的工作性和保持性。因此,加大了工作性測試的頻率,并對新拌混凝土進行了坍落度、擴展度、60 min坍落度損失、黏聚性和保水性等一系列試驗,以確保優化后的配比達到預期效果,見表6。

表6 輕質高強混凝土工作性能 單位:mm

使用此配比的混凝土在60 min內坍落度損失控制在20%以內,滿足常規混凝土工程施工的需求。如遇特殊施工條件,可根據工藝要求適當調整坍落度損失。

考慮本配合比設計未使用粗集料,所以在進行工作性測定時,參考水泥砂漿工作性的常用檢測方法,增加了稠度(沉入度)的測試[6]。

3.4 確立混凝土的配比方案

基于以上試驗成果及其分析,最終確定了混凝土配合比(水泥用量為480 kg/m3),詳見表7。

表7 輕質高強混凝土配合比

4 結 論

在經過對混凝土原材料的精選以及大量試拌和優化后,深入研究了水膠比與強度之間的關系,最終確立了輕質高強混凝土的配合比。這一案例突破了傳統輕質高強混凝土的設計理念,并對該混凝土某些性能檢測方法進行了有益補充。

在集料的選擇上,摒棄了粗集料,僅使用細集料。這一決策的優勢體現在以下兩點。(1)避免了混凝土在攪拌和振搗過程中粗集料上浮的問題,極大提高了混凝土基體的均勻性,有利于提高混凝土的強度和耐久性。(2)不加入粗集料后,新拌混凝土的狀態更接近于砂漿,硬化后混凝土的性能更類似于活性粉末混凝土。基于這一特性,采用水泥砂漿沉入度測試方法來評估輕質高強混凝土的工作性能,并成功進行了這方面的嘗試。

在試件的強度和耐久性檢測方面,參考了活性粉末混凝土的養護制度和方法進行了相應的養護。這一實踐對于輕質高強混凝土的性能評估提供了新的視角和方法,為進一步深入了解和優化該混凝土的應用性能奠定了基礎。