基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設計方法

趙亮平，高丹盈，王麗，周長偉

（1.鄭州大學新型建材與結構研究中心，河南鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北武漢 430034）

基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設計方法

趙亮平1，高丹盈1，王麗2，周長偉1

（1.鄭州大學新型建材與結構研究中心，河南鄭州 450002；2.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北武漢 430034）

采用基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設計方法，測定了納米材料和鋼纖維體積率對水泥漿體富余系數和砂漿富余系數的影響，提出了纖維納米混凝土的最優配合比．結果表明，該方法具有試驗量小、適用性廣的優點，能為纖維納米混凝土的工程應用提供參考．

配合比設計;工作性能;納米材料;水泥漿體富余系數;砂漿富余系數

近年來，纖維在細觀層面的增強增韌效果得到了廣泛的認可．納米材料在微觀層面對混凝土的改善作用也得到越來越多的關注．在纖維混凝土中加入納米材料，配制而成的纖維納米混凝土兼具了二者的優點，實現了細觀增強和微觀增強的復合化．然而目前纖維混凝土和納米混凝土配合比設計方面的研究都比較少．因此，有必要針對性地研究和探討纖維納米混凝土的配合比設計．

纖維混凝土的配合比設計較之于普通混凝土更加復雜，離散性也更大，不同研究者的試驗結果往往有較大差異．相比纖維混凝土，纖維納米混凝土中影響配合比設計的因素更多，應用傳統配合比設計方法試驗量較大，且所得結果的廣泛適用性難以保證．鑒于此，本文采用基于工作性的配合比設計方法，研究納米材料和纖維對混凝土工作性的影響，進而得到滿足工作性能要求的纖維納米混凝土的最優配合比．

1 基于工作性的配合比設計方法

基于工作性能的纖維納米混凝土配合比設計分為3步[1]：

第1步：確定水膠比．按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[2]選定水膠比．

式中：mw為拌合水質量，mb為膠凝材料（包括納米材料）質量．

第2步：確定砂漿中水泥漿體富余系數．

式中：Vp為水泥漿體體積，m3；Vos為細骨料松堆時的空隙體積，m3．

第3步：確定混凝土中砂漿富余系數．

式中：Vm為砂漿體積，m3；Vog為粗骨料松堆時的空隙體積，m3．

顯然，為了保證砂漿和混凝土的工作性，水泥漿體富余系數和砂漿富余系數都應大于1．納米材料的加入會影響水泥漿富余系數，而鋼纖維的加入則會影響砂漿富余系數．

2 試驗概況

試驗采用42.5普通硅酸鹽水泥；粒徑為5～20 mm、連續級配的碎石；級配良好的中砂，細度模數為2. 68；端鉤型鋼纖維，長徑比55，抗拉強度1 250MPa；納米SiO2（NS）：平均粒徑30 nm，比表面積(200 ±10)m2/g，表觀密度40～60 g/L，雜質含量＜0.5%；納米CaCO3（NC）平均粒徑15～40 nm，pH值8.0～9.0，比重2.5～2.6 g/cm3，雜質含量2.5%；拌合水為飲用自來水；聚羧酸鹽高效減水劑，減水率20%～30%．2.1水泥漿體富余系數

按JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》選定C40、C60、C80混凝土的水膠比分別為0.47、0.31、0.27，相應減水劑摻量分別取水泥質量的0.75%、1.0%、1.25%．C40、C60、C80混凝土分別取水泥漿體富余系數2.4、2.6、2.8作為初始值，計算對應的砂子質量，以及水泥漿體富余系數每降低0.1對應的砂子質量．

按確定的水膠比和初始漿體富余系數配制砂漿并測定砂漿擴展度．水泥漿體富余系數降低0.1，加入對應的砂子，再次攪拌并測定擴展度，如此往復，直至砂漿的擴展度有非常顯著的下降，取前一次的值作為最佳水泥漿體富余系數．以C60混凝土為例，最佳水泥漿體富余系數為1.9，見圖1．

圖1 不同水泥漿體富余系數對應的砂漿擴展度Fig.1 The slump flow ofmortar for differentsurplus coefficientof paste

考慮Nano-SiO2的影響，分別用0.5%、1.0%和1.5%的Nano-SiO2替代水泥，用相同的方法測定相應的水泥漿體富余系數，從而得出Nano-SiO2摻量對水泥漿體富余系數的影響．以有資料表明，Nano-CaCO3對混凝土流動性的影響較小，作為驗證，僅測定3.0%的Nano-CaCO3替代水泥時的水泥漿體富余系數．

2.2 砂漿富余系數

按水泥漿體富余系數試驗確定的最優砂漿組分作為基質，取砂漿富余系數2.4作為初始值，計算出相應的石子質量，及砂漿富余系數每降低0.2對應的砂子質量．按初始砂漿富余系數，將水泥、水、砂子和石子放入強制式混凝土攪拌機中配制混凝土．按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌和物性能試驗》[3]的要求測定混凝土拌和物的坍落度和擴展度．

砂漿富余系數降低0.2，再次攪拌并測定坍落度和擴展度，如此往復，直至混凝土的坍落度和擴展度不滿足工作性能的要求，取前一次的砂漿富余系數作為最佳砂漿富余系數值．以C60混凝土為例，最佳砂漿富余系數為1.8，見圖2．

考慮鋼纖維體積率的影響分別摻加0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的鋼纖維，用相同的方法測定相應的砂漿富余系數，從而得出鋼纖維體積率對砂漿富余系數的影響．

圖2 不同砂漿富余系數對應的混凝土擴展度Fig.2 The slump flow of concrete fordifferentsurp lus coefficientofmortar

3 試驗結果分析

3.1水泥漿體富余系數

混凝土基體強度等級和Nano-SiO2摻量對水泥漿體富余系數的影響分別見圖3和圖4．由圖3和圖4可見，隨混凝土強度等級和Nano-SiO2摻量增大，漿體富余系數均明顯增大．已有研究表明，Nano-CaCO3對混凝土流動性的影響不大，本文的試驗結果也驗證了這一點，如圖3a）所示，Nano-CaCO3摻量達到3%，但其流動性與未摻加時相比沒有明顯變化．

圖3 混凝土基體強度等級對水泥漿體富余系數的影響Fig.3 The influence ofmatrix strength gradeon surplus coefficientof paste

圖4 Nano-SiO2對水泥漿體富余系數的影響Fig.4 The influenceof Nano-SiO2on surplus coefficientof paste

3.2 砂漿富余系數

未摻加Nano-SiO2和鋼纖維時，強度等級對砂漿富余系數的影響見圖5．可以看出，C40和C60混凝土的擴展度和坍落度相近，C80混凝土則有明顯降低．摻加1.0%的Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的砂漿富余系數見圖6．加入Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的擴展度和坍落度均有所減小，砂漿富余系數越低，降幅越明顯．

鋼纖維體積率超過1.0%后，混凝土的擴展度很小，因此，鋼纖維對體積率對砂漿富余系數的影響僅測定了混凝土的坍落度，見圖7．隨鋼纖維體積率增大，混凝土的坍落度明顯降低．C40混凝土按坍落度不小于50 mm來確定砂漿富余系數，鋼纖維體積率每增大0.5%，砂漿富余系數增大0.1．C60混凝土按坍落度不小于35mm來確定砂漿富余系數，鋼纖維體積率每增大0.5%，砂漿富余系數增大0.1．

3.3 纖維納米混凝土配合比

在普通混凝土配合比的基礎上，纖維納米混凝土的配合比可按如下方法設計：對于C40混凝土，鋼纖維體積率每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加7 kg，砂率不變．對于C60混凝土，鋼纖維體積率每增大0.5%，用水量增加4 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率不變．

圖5 混凝土基體強度等級對砂漿富余系數的影響Fig.5 The influence ofmatrix strength grade on surpluscoefficientofmortar

圖6 Nano-SiO2對砂漿富余系數的影響Fig.6 The influenceofNano-SiO2on surpluscoefficientofmortar

圖7 鋼纖維體積率對砂漿富余系數的影響Fig.7 The influence of volume fraction of steel fiber on surp lus coefficientofmortar

4 結論

1）基于工作性能要求，提出了纖維納米混凝土配合比設計方法．該方法通過引入漿體富余系數和砂漿富余系數，將部分混凝土的工作性試驗轉化為水泥砂漿的試驗，減少了試驗量．

2）水泥漿體富余系數和砂漿富余系數的值穩定，應用于其他試驗或工程時只需測出方便量測的材料基礎數據即可，具有普遍適用性．

3）試驗結果既反映出納米材料和鋼纖維對水泥漿體富余系數和砂漿富余系數的影響，也可換算成納米材料和纖維對用水量和砂率的影響，得出纖維納米混凝土的最優配合比．

[1]韓小華．基于工作性的混凝土配合比設計方法研究[D]．北京：清華大學，2010：60-63．

[2]JGJ55-2011，普通混凝土配合比設計規程[S]．北京：中國建筑工業出版社，2011：9-16．

[3]GB/T50080-2002，普通混凝土拌和物性能試驗[S]．北京：中國建筑工業出版社，2003：9-10．

[責任編輯 楊屹]

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concrete based onworkability

ZHAO Liang-ping1，GAO Dan-ying1，WANG Li2，ZHOU Chang-wei1

(1.Research Centreof New StyleBuildingM aterialand Structure,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou450002,China;2.Hubei ShuizongWater Resource and Hydropower Construction Co Ltd,HubeiWuhan 430034,China)

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concretebased onworkabilitywasadopted to determine theeffectsofnano-materialsand volume fraction ofsteel fiberon surpluscoefficientofpasteand surpluscoefficientofmortar.Theoptimalmix proportion of fiberand nanometermaterials reinforced concretewasproposed.The resultsshow thatthismethod can provide reference forengineeringapplication of fiberand nanometermaterials reinforced concretew ith less testsbutaw ideapplicability.

m ix proportion design of concrete;workability;nanometermaterials;surplus coefficientof paste;surplus coefficientofmortar

TU 528.572

A

1007-2373(2014)06-0089-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.023

2014-06-17

國家自然科學基金（51178434）

趙亮平（1986-），男（漢族），博士生．Email：zhaolp19862@163.com．