C55高性能混凝土配合比優化設計
2015-04-29 00:00:00東星月
基層建設 2015年31期
深圳市港嘉工程檢測有限公司 廣東深圳 518000
摘要：高性能混凝土泛指具有高強度、高耐久性與高工作性的混凝土，因此，在建設工程中的應用廣泛?；诖?，本文中就混凝土配合比設計進行了探討，以期為相關的施工建設提供有益的參考與借鑒。
關鍵詞：C55高性能混凝土；設計計算；配合比優化設計；
0 引言
常規混凝土向高性能混凝土發展已成必然趨勢，高性能混合土針對不同用途的要求，對耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性等性能重點予以保證，具有長期的綜合經濟性。目前，建筑土建工程施工仍存在一些質量問題需要改進和完善。因此，本文分析了C55高性能混凝土的配合比的設計，希望為相關的建設工作提供幫助。
1 原材料與試驗方法
1.1 原材料
水泥：P·O42.5低堿水泥，經過檢測性能滿足相關規范要求。
細骨料：細度模數Mx=2.7。
粗骨料：5～20連續級配的碎石，其中5～10mm：10～20mm=30%：70%摻配成5～20mm連續級配碎石。
摻合料：F類粉煤灰，經過檢測性能滿足相關規范要求。
減水劑：JD-1減水劑，符合GB8076-19975《混凝土外加劑》要求。
拌合用水：地表水。
1.2 試驗方法
配合比設計參考《普通混凝土配合比設計規范》JGJ55-2000進行測試，《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》TB/T3043-2005，《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》鐵建設[2005]157號，《后張法預應力簡支T梁L=24、32m》通橋[2005]2101。
2 配合比設計計算
高性能混凝土作為一種現代混凝土最重要的發展方向之一，其在配制上的特點是選用優質原材料且具有明顯較低的水膠比，并除水泥、水和集料外，還須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效外加劑，并且強度、耐久性、工作性是其最主要的配制目標及其影響因素，從而該高性能混凝土T梁的配合比設計需充分考慮以上因素進行理論計算，主要步驟如下：
2.1 確定配制強度
根據《普通混凝土配合比設計規范》JGJ55-2000混凝土的配制強度公式：fcu，0≥+1.645Δ，根據現場混凝土的生產水平，強度標準差Δ取6.0MPa，則
fcu，0=55.0+1.654×6.0=64.9MPa
2.2 水膠比計算
由《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》以及高性能混凝土配合比要求可知，T梁每立方米混凝土膠凝材料用量不宜小于300kg，混凝土膠凝材料總量不應超過500kg，水膠比應控制在0.35左右。從而預應力混凝土中粉煤灰的摻量不宜大于30%，取基準水膠比W/B=0.30。
2.3 配合比初步設計
根據《普通混凝土配合比設計規范》JGJ55-2000，假設T梁混凝土容重為2400kg/m3，取基準砂率βs約為36%；每立方米混凝土膠凝材料用量為491kg，粉煤灰用量約占膠凝材料約25%，減水劑摻量約占膠凝材料的1.0%，主要調整細骨料、組骨料的配比關系以及砂率值，形成初步選定配合比見表1。
表1 C55高性能混凝土T梁配合比初步設計
標號水泥粉煤灰細骨料粗骨料減水劑水水膠比
5-10mm10-20mm
A3801276113417955.071470.29
B3681236343387904.911470.30
C3561196583367844.751470.31
2.4 混凝土總堿含量計算
當混凝土中的總堿含量過高時，將與集料的活性物質發生化學反應，使混凝土發生不均勻膨脹，產生裂縫，從而嚴重影響強度和彈性模量，縮短混凝土的壽命，危及工程安全。從而在進行配合比設計，特別是大體積混凝土配合比設計時特別需要對總堿含量進行計算，混凝土的總堿計算時，包括水泥、礦物摻合料、外加劑及水的堿含量總和。其中，礦物摻合料的堿含量以其所含可溶性堿含量計算。粉煤灰的可溶性堿含量取粉煤灰總堿量的16.7%，礦渣的可溶性堿量取礦渣總堿量的50%，硅灰的可溶性堿量取硅灰總堿量的50%，地表水通過檢測可知，其堿含量為0.00665，則該T梁混凝土配合比中總堿含量計算結果見表2。計算結果顯示，A、B、C三個配比總堿量計算值依次降低，且均小于3.0kg/m3符合規范設計。
表2 C55高性能混凝土T梁總堿含量計算結果
項目和材料 水泥粉煤灰減水劑水
混凝土中單項材料用量/（kg/m3）A3801275.07147
B3681234.91147
C3561194.75147
單項材料的堿含量/% 0.460.61.40.00665
混凝土中的堿含量/（kg/m3）A1.7480.1270.070980.0097755
B1.68280.1230.068740.0097755
C1.63760.1190.6650.0097755
混凝土中的總堿含量/（kg/m3）A2.0
B1.9
C1.8
2.5 混凝土中氯離子總含量計算
混凝土對T梁中鋼筋具有保護和阻止腐蝕的重要作用，然而在混凝土的生產過程中，由于組成混凝土的各種原材料中含有可溶性氯鹽，不可避免的使得所生產的混凝土含有一定量的氯離子，氯離子具有很強的穿透性會使得鋼筋加速銹蝕。為了避免在生產混凝土時引入更多的氯離子，在混凝土原材料及有關混凝土標準規范中都提出了氯離子含量的控制指標，從而需要T梁混凝土中氯離子總含量進行有效計算，作為配合比優選耐久性指標的參考依據之一?；炷林新入x子總含量來自水泥、礦物摻合料、骨料、水、外加劑等，計算結果見表3。A、B、C三個配合比氯離子總量均滿足規定要求，低于超過膠凝材料總量的0.1%，從而該配合比設計計算值具有較好的抗氯離子滲透性。
表3 C55高性能混凝土氯離子總含量結果
項目和材料 水泥粉煤灰粗骨料細骨料減水劑水
混凝土材料用量/（kg/m3）A38012711366115.07147
B36812311286344.91147
C35611911206584.75147
材料的Cl-含量/% 0.0340.0190.0010.0010.0930.0023
材料在混凝土中的Cl-含量/（kg/m3）A0.12920.024130.011360.006110.00471510.003381
B0.125120.23370.011280.006340.00456630.003381
C0.12040.022610.01120.006580.00441750.003381
混凝土中的Cl-總含量/（kg/m3）A0.1788961
B0.1740573
C0.1692285
混凝土中的Cl-占膠凝材料的百分比/%A0.04
B0.04
C0.04
3 C55高性能混凝土試驗
3.1 混凝土試配及拌合物性能試驗
為了使得混凝土具有良好的工作性，通常對新拌混凝土的坍落度、泌水率、含氣量、凝結時間等進行測試，作為最終確定配合比性能的重要依據，通常用水量會根據坍落度在160～200mm之間進行一個調整。通過反復試驗驗證，相應混凝土配合比的用水量拌合物性能見表4所示，從試驗結果可知，初步計算所得的混凝土配合比混合物新拌漿體塑性、含氣量、泌水率等性能良好，均能夠滿足規范設計和使用要求，并且隨著水膠比、細骨料、砂率的加量的增大而增大，混凝土的初凝和終凝時間都出現了縮短，這是因為拌合水加量的提高，使得水化反應更容易進行，同時細骨料和砂率含量的在一定范圍內的增大，也利于水泥更好的分散和包裹作用。其中C配合比，在提高水膠比和砂率的同時減少了膠凝材料的含量，使得漿體的包裹和潤滑性能下降產生了一定的孔隙，以及增大了裹挾的氣體含量，但是由于測量和配制工具的未得到及時的清洗和標定，使得配置過程中的漿體之間產生了相互污染和影響，從而造成了表觀密度實驗結果出現了一定范圍內的異常偏大。
表4 C55高性能混凝土拌合物性能結果
高性能
混凝土
等級項目用水量/kg坍落度
/mm含氣
量/%表觀密度
/（kg/m3）泌水
率/%壓力泌
水率/%凝結時間
/（h：min）
初始1h后初始1h后 初凝
時間終凝
時間
C55A1471901703.02.624100010：：411：55
B1472001903.02.524000010：0511：15
C1472001903.22.724200009：2510：30
3.2 混凝土力學性能試驗
本文主要對混凝土抗壓強度發展以及靜力受壓時的彈性模量展開的測試，混凝土試塊抗壓強度測試結果如圖1所示，隨著養護天數的增大，三個配合比都表現出了良好的增長趨勢，并達到設計要求，其中A和B試驗測試值均超過60MPa，具有較好的強度發展。由于水膠比和砂率的變化，隨著水膠比的增大以及粗骨料的降低，使得混凝土試塊強度略有一定的下降。各配合比彈性模量試驗結果如圖2所示，可見隨時養護天數的增加，混凝土試塊彈性模量顯著增大剛性增強，并且隨著水膠比的增大而有明顯的下降，說明水膠比以及骨料的級配的變化對混凝土力學性能影響顯著。
圖1 抗壓強度
圖2 彈性模量
3.3 混凝土耐久性試驗
參照相關規范要求，主要對混凝土試塊的電通量、抗滲性、護筋性、抗硫酸鹽侵蝕性等方面展開了實驗，測試結果見表5。結果顯示在3個配合比下混凝土耐久性指標均能達到相關規范要求，但C配合比電通量值偏大，這可能是由于水膠比較大，從而導致混凝土試件中孔隙較多，同時C配合比下骨料的量也較A和B有所增加，從而使得膠凝材料和骨料界面效應增大，增大了氯離子滲透的風險。對比實驗結果與計算值可知，通過的電量為A
表5 混凝土耐久性試驗結果
強度
等級項目電通量
56d（C）抗滲
性28d護筋性抗硫酸鹽
侵蝕系數抗裂性抗凍性
C55A393P22合格1.01合格200
B435P22合格1.01合格200
C652P22合格1.01合格200
綜上所述，A，B，C三個配合比設計雖然各配比參數僅發生了略微變化，但對其實驗結果和最終的配方選擇產量了顯著的影響。雖然，該高性能混凝土T梁配比設計的理論計算值與實驗結果顯示三個配方均能達到相關規范設計要求，但其中A和B工作性和強度發展良好，強度高且抗氯離子滲透性等耐久性指標相對較高，應優先考慮使用，而B配合比由于水泥的量較低，綜合成本和現場施工的條件，最終選定B配合比作為T梁混凝土配合比設計。
4 結論與建議
4.1 結論
（1）通過合理的配合比計算，并經過試驗驗證后，能夠得到滿足規范要求的混凝土T梁混凝土配合比，但混凝土中各配比設計參數的略微變化，會對實驗結果和最終的施工配方選擇產生顯著的影響。
（2）混凝土配合比設計中，水膠比、砂率、粗細骨料級配參數對新拌混凝土漿體凝結時間以及硬化后的水泥石力學性能產生較大的影響。
（3）簡單的通過加和的方式計算原材料氯離子含量，并不能反應混凝土中真實的自由氯離子含量和相關耐久性指標，需要結合實驗結果進行一定的修正。
（4）經過試驗結果對比分析，以及成本和現場施工的綜合考慮，得出B配比經濟節約、性能優良，能夠較好的滿足T梁混凝土要求。
4.2 建議
（1）實驗室中混凝土的配制和檢驗，與實際工程應用有顯著的區別，現場施工配制過程中，必須嚴格把關原材料質量，并定期抽檢和留樣處理，以保證其在整個施工中的穩定性。
（2）需及時清洗和標定相關的測量和配制工具，以確保配置過程中的漿體直接不會相互污染和影響。
（3）在施工過程中應加強振搗分散均勻，確?；炷撩芏群吞畛湫粤己?，并嚴格制定養護措施，以避免產生收縮裂縫或其他危害的發生。
5 結語
高性能混凝土具有強度高、耐久性好、抗滲性強、抗凍性好、流動性好等技術性能，實在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采取現代混凝土技術制作的混凝土，其應用也得到了大大的提升。因而要探討出科學的混凝土配合比，以不斷提高施工建材的整體質量，保障施工工程對的順利建設，提高經濟效益。
參考文獻：
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[2]米哲.高速鐵路橋梁高性能混凝土配合比設計[J].鐵道建筑技術.2014（s1）
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長施工工期，另一方面也會使老混凝土對新澆筑的混凝土產生較大的約束，從而在上下層混凝土結合面產生難以發現的垂直裂縫。若間歇時間過短，則正處于下層混凝土升溫階段，表面溫度較高，這時覆蓋上層混凝土，會明顯不利于下層混凝土的散熱，也容易導致上層混凝土升溫，可能超過混凝土要求的最高溫升，從而加大混凝土產生裂縫的可能性。因此，上層混凝土覆蓋的適宜時間應是在下層混凝土溫度己降到一定值時，即上層混凝土溫升倒入后，下層混凝土溫度回升值不大于原混凝土最高溫升。在每次澆筑中，又分幾層，其層間的間隔時間應盡量縮短，必須在上層混凝土初凝之前，開始澆筑下層混凝土。
四、混凝土的養護
大體積砼養護主要是濕度和溫度養護，夏天高溫季節要防止暴曬；冬季溫度較低要采取覆蓋保溫措施，以免產生急烈的溫度變化引起表面裂縫的出現。水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土強度和耐久性的微結構，溫度和濕度的養護對保證砼結構的耐久性及提高表層抗裂性起到很關鍵的作用。
為防止砼表面因失水造成的干縮裂縫，承臺模板側壁外包一層濕土工布進行保濕保溫；承臺上表面等砼初凝至收面再進行灑水并覆蓋塑料土工布及薄膜進行保溫保濕養護，土工布覆蓋層數增減應根據實測溫差情況及時進行調整，防止混凝土溫差過大和表面失水。也可采用蓄水養護，蓄水深度大于30cm。因承臺與封底混凝土交界處存在應力集中而較易開裂，應加強邊角點保溫，采用土工布封堵模板縫隙后加蓋保溫材料。
五、溫度監測
加強溫度監測的信息化控制管理，通過實時監測氣溫、混凝土入模溫度、進出水溫度、跟蹤內部最高溫度、表面溫度與內表溫差，及時調整保溫及養護措施，使混凝土的溫度梯度不至過大，以有效控制有害裂縫的出現，也為后期拆模、停水、養護提供依據。
各項測試工作在砼澆筑后立即進行，連續不斷，溫度監測過程要求：（1）澆筑塊混凝土澆筑過程中，每2h測量一次溫度；澆筑塊砼澆筑完畢后至水化熱升溫階段，每2h測量一次；水化熱降溫階段第一周，每4h測量一次，一周后每天選取氣溫典型變化時段進行測量，每天測量2～4次；（2）大氣溫度測量要與砼溫度同步觀測；（3）通水冷卻過程溫度測量與澆筑塊溫度場測量過程同步進行；（4）特殊情況下，如寒潮期間應適當加密測量次數。
六、結語
總之，控制溫度變形裂縫的發生是混凝土質量控制的重要環節，對大體積混凝土基礎的溫度場和裂縫控制的研究具有重要的工程意義。因此，施工單位必須對大體積混凝土進行系統的溫度控制研究，從而避免溫度裂縫的產生，保障大體積混凝土的施工質量，進而提高施工工程的整體效益。
參考文獻：
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[2]鄭秦生.大體積混凝土承臺施工溫度裂縫控制[J].城市建設理論研究.2013（13）
