高性能減水劑在機制砂混凝土配合比優化中的應用技術研究

摘要 減水劑是一種在混凝土中添加的化學添加劑，能夠顯著降低混凝土的水灰比，提高混凝土的流動性和工作性能，提高混凝土配合強度，減少膠凝材料用量，節約施工成本。文章研究了普通減水劑和高性能減水劑在機制砂混凝土配合比優化中的應用技術，考慮機制砂不同的砂率、不同的膠凝材料用量，通過對兩種減水劑的對比分析，探討了高性能減水劑在混凝土工程中的優勢和應用前景。

關鍵詞 高性能減水劑；機制砂；配合比優化；流動性；工作性能

中圖分類號 TU528.042.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0076-04

0 引言

混凝土是現代建筑中廣泛使用的建筑材料之一，其性能對工程質量和工期進展有著重要影響。在混凝土配制過程中，合理選用減水劑可以有效改善混凝土的特性，提高其施工性能和耐久性[1-3]。該文重點研究高性能減水劑在機制砂混凝土配合比優化中的應用技術，與普通減水劑進行對比分析，探討高性能減水劑的優勢和應用前景。

1 原材料的試驗

1.1 機制砂

貴州省納晴高速第10合同段，規格為0～4.75 mm。主要技術性能：亞甲藍值1%，石粉含量10%，壓碎指標值17%，表觀密度2.692 g/cm3，表觀相對密度2.699 g/cm3，

堆積密度1.681 g/cm3，堆積空隙率37.6%，粗細程度為中砂，細度模數2.9，級配區屬Ⅱ區。

1.2 碎石

貴州省納晴高速第10合同段，選取了4.75～9.5 mm、9.5～19 mm和19～31.5 mm三種規格的骨料作為混凝土中填充物的主要成分。主要技術性能：含泥量0.3%，針、片狀顆粒含量9.7%，壓碎值18.2%，表觀密度2.701 g/cm3，表干密度2.667 g/cm3，毛體積密度2.648 g/cm3，堆積密度

1.52 g/cm3，堆積空隙率43.5%，表觀相對密度2.076 g/cm3，表干相對密度2.373 g/cm3，毛體積相對密度2.653 g/cm3。

1.3 水泥

采用貴州海螺水泥品牌P.O42.5號水泥作為混凝土中黏結劑的主要組成部分。主要技術指標：密度3 020 kg/m3，比表面積330 m2/kg，初凝時間 235 min，經凝時間295 min，安定性合格，抗折強度3 d為5.5 MPa、28 d為8.7 MPa，抗壓強度3 d為28.5 MPa、28 d為46.8 MPa。

1.4 普通減水劑

WR-R技術參數：pH值7.0，含固量18.2%，總堿含量1.02%，氯離子含量0.02%，減水率17%，泌水率比60%，含氣量4.1%，抗壓強度比7 d為132%、28 d為133%。

1.5 高性能減水劑

為貴州科筑創品建筑技術有限公司生產的高性能減水劑，型號為HPWR-R。技術參數：pH值7.2，含固量20.3%，總堿含量1.22%，氯離子含量0.01%，減水率30%，泌水率比45%，含氣量2.6%，抗壓強度比7 d為169%、28 d為148%。

1.6 粉煤灰

國家能源集團福泉發電有限公司F類Ⅱ級，主要技術指標：密度2.50 g/cm3，細度（45 um方孔篩）16.6%，燒失量0.92%，需水量比96%、活性指數73%。

1.7 水

選用普通自來水作為混凝土生產和試驗的水源。

2 機制砂混凝土配合比設計

2.1 確定試配強度

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011），混凝土的試配強度按式（1）計算：

fcu.o≥fcu，k+1.645σ （1）

式中，fcu.o——混凝土配制強度（MPa）；fcu，k——混凝土立方體抗壓強度標準值（MPa）；σ——混凝土強度標準差（MPa），根據JGJ 55—2011要求C30混凝土σ取5 MPa，則fcu.o=30+1.645×5=38.2 MPa。

2.2 計算水膠比W/B

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011），計算水膠比：水泥強度fce=46.8 MPa；采用碎石取αa=0.53，ɑb=0.20，粉煤灰影響系數取值γf =0.75。

W/B=αa×γf×fb/（ fcu，0+αa×ɑb×γf×fb）=（0.53×46.8×0.75）/（38.2＋0.53×0.20×46.8×0.75）=0.44 （2）

式中，fce——水泥28膠砂抗壓強度（MPa）；W/B——混凝土水膠比；αa、ɑb——混凝土配合比計算公式中的回歸系數；γf ——粉煤灰影響系數；fb——膠凝材料28 d膠砂抗壓強度實測值（MPa）。

2.3 確定單位用水量

依據《普通混凝土配合比設計規程》表5.2.1-2，碎石最大粒徑31.5 mm，按施工要求塌落度為180 mm，根據查表取用水量232 kg/m3，但混凝土中摻入減水劑，可減少單位用水量29.9%，計算出單位用水量：

mw=mwo（1?β）=232×（1?29.9%）=163 （3）

式中，mw——每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；mwo——計算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；β——外加劑減水率（%）。

2.4 確定1 m3混凝土中單位膠凝材料用量

mCO=mwo/（W/B）=163/0.44=370 （4）

式中，mCO——計算配合比每立方米混凝土的水泥用量（kg/m3）。

2.5 選定砂率

依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）結合施工現場砂料實際情況，混凝土拌和物性能及施工要求，經適配取砂率βs=50%。其中，βs——砂率（%）。

2.6 計算1 m3混凝土中砂、石用量

采用質量法計算混凝土配比時，每立方米混凝土拌和物假定質量（kg），可取2 430 kg/m3，計算砂（mso）、石（mgo）用量，計算公式如式（5）：

mcp=mw+mso+mco+mgo βs=mso/（mso+mgo）×100%

2 430=163+mso+370+mgo

50%=mso/（mso+mgo）×100%

（5）

根據以上公式計算得：mso=949；mgo=948。

2.7 確定1 m3混凝土中粉煤灰用量

采用等量取代法mfo=mco×20%=370×20%=74。

2.8 確定1m3混凝土中水泥用量（mco）

mco=mbo?mfo=370?74=296

計算初步配合比為mco∶mfo∶mso∶mgo∶mao=296∶74∶849∶848∶3.70

用初步配合比進行試拌25 L，實測坍落度為190 mm，混凝土黏聚性、保水性、流動性良好，滿足配合比設計要求，實測容重為2 420 kg/m3，在假定容重（2 430 kg/m3）±2%誤差范圍內，混凝土容重可不調整。

確定基準配合比為mco∶mfo∶mso∶mgo：p減=296∶74∶849∶848∶3.70

式中，mcp——每立方米混凝土拌和物的假定質量（kg/m3）；mso——計算配合比每立方米混凝土的細骨料用量（kg/m3）；mco——計算配合比每立方米混凝土的水泥用量（kg/m3）；mgo——計算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量（kg/m3）；mbo——計算配合比每立方米混凝土的膠凝材料用量（kg/m3）；mfo——每立方米混凝土的礦物摻合料用量（kg/m3）；mao——計算配合比每立方米混凝土的外加劑用量（kg/m3）。

3 試驗數據整理

（1）第1輪試驗是普通減水劑和高性能減水劑對機制砂混凝土配合比影響，分為8次試驗，編號為試驗1、2、3、4、5、6、7、8，除普通減水劑和高性能減水劑用量不同外，其他材料都相同。用普通減水劑和高性能減水劑對機制砂混凝土配合比強度的影響，每立方米混凝土材料用量如表1所示。

（2）第2輪試驗是砂率對機制砂混凝土配合比影響，試驗分為8次，編號為試驗1、2、3、4、5、6、7、8，調整機制砂砂率、普通減水劑和高性能減水劑的用量，在水泥、粉煤灰、水不變，機制砂砂率、普通減水劑和高性能減水劑變化時，研究普通減水劑和高性能減水劑對機制砂混凝土配合比強度的影響。每立方米混凝土材料用量如表2所示。

（3）第3輪是膠凝材料對機制混凝土配合比影響，試驗分為8次，編號為試驗1、2、3、4、5、6、7、8，調整水泥、粉煤灰和普通減水劑、高性能減水劑的用量，在機制砂砂率、水不變，水泥、粉煤灰、普通減水劑和高性能減水變化時，研究普通減水劑和高性能減水劑對機制砂混凝土配合比強度的影響。每立方米混凝土材料用量如表3所示。

（4）第4輪是膠凝材料比例變化對機制砂混凝土配合比影響，試驗分為8次，編號為試驗1、2、3、4、5、6、7、8，調整水泥、粉煤灰和普通減水劑、高性能減水劑的用量，在機制砂砂率、水不變，水泥、粉煤灰、普通減水劑和高性能減水變化時，研究普通減水劑和高性能減水劑對機制砂混凝土配合比強度的影響。每立方米混凝土材料用量如表4所示。

4 試驗數據分析

（1）第1輪試驗試驗結果分析：通過試驗，普通減水劑和高性能減水劑用量不同，其他材料、試驗條件、試驗方法都相同，使用普通減水劑的機制砂混凝土配合比是不能滿足設計要求的，使用高性能減水劑機制砂混凝土配合比均滿足設計要求。

（2）第2輪試驗試驗結果分析：通過試驗、普通減水劑和高性能減水劑用量不同，機制砂砂率不同，試驗條件、試驗方法都相同，使用普通減水劑配合比28 d抗壓強度不能滿足設計要求，使用高性能減水劑配合比28 d抗壓強度滿足設計要求。

（3）第3輪試驗試驗結果分析：通過試驗、普通減水劑和高性能減水劑用量不同、膠凝材料的用量比例不同，試驗條件、試驗方法都相同，使用普通減水劑配合比28 d抗壓強度不能滿足設計要求，使用高性能減水劑配合比28 d抗壓強度滿足設計要求。

（4）第4輪試驗試驗結果分析：通過試驗、普通減水劑和高性能減水劑用量不同，膠凝材料的用量比例不同，試驗條件、試驗方法都相同，使用普通減水劑配合比28 d抗壓強度滿足設計要求，使用高性能減水劑配合比28 d抗壓強度比使用普通減水劑混凝土配合比要高出5 MPa左右。

5 結語

研究發現，高性能減水劑在機制砂混凝土配合比優化中具有很大的應用潛力。高性能減水劑在機制砂混凝土配合比中的應用可以顯著提高其流動性，在水膠比相同的情況下，用高性能減水劑的機制砂混凝土配合比強度比使用普通減水劑高；用高性能減水劑的機制砂混凝土配合比砂率變化時，強度也能滿足配合比的設計要求；用高性能減水劑的機制砂混凝土配合比膠凝材料變化時，強度也能滿足配合比的設計要求；高性能減水劑還可以有效控制混凝土的凝結時間，增加其施工操作性能，提高施工效率。

無論是在不同配合比下，還是在不同類型的機制砂中，高性能減水劑都能夠起到顯著的改善效果。這一發現在推廣應用上具有重要的理論意義和實用價值，為機制砂混凝土的生產提供了可靠的技術支持。

參考文獻

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