鐵砂混凝土配合比設(shè)計

劉水建

中交三航局廈門分公司

1 工程概況

吳興區(qū)經(jīng)三路八里店互通改建工程建設(shè)項目，以湖鹽公路八里店大橋主橋處北側(cè)位置為起點，跨G318向北，終點接已建經(jīng)三路，主線路線全長820m，設(shè)互通立交一座，主線路線通過A1、A2、B、C各匝道與G318國道連接，其中C匝道為橋梁，其他匝道為地面匝道,主要改建內(nèi)容為:北側(cè)引橋和互通區(qū)橋梁及匝道改建，主要結(jié)構(gòu)物有跨G318國道橋，新建C匝道橋,另經(jīng)三路跨越區(qū)域規(guī)劃河流，新建經(jīng)三路橋。主線跨G318國道橋下部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用灌注樁基礎(chǔ)、柱式墩臺，上部為鋼-混組合梁；組合梁U型端橫梁內(nèi)設(shè)置填料配重，配重鐵砂混凝土容重40kN/m3,混凝土強度不低于C25混凝土強度指標(biāo)。

2 鐵砂混凝土的設(shè)計思路

本次鐵砂混凝土設(shè)計的首要任務(wù)是保證混凝土容重達到設(shè)計要求，然后兼顧它的工作性能、力學(xué)性能等指標(biāo)；因此，經(jīng)過材料商比對，決定采用產(chǎn)自上海的鋼鐵廠煉鋼時的廢料鐵砂作為細集料，以澳洲進口的鐵礦石作為粗集料。用以上重集料來配制混凝土，以滿足混凝土的重要指標(biāo)容重的要求，通過鐵砂混凝土的配合比設(shè)計試配過程，取得鐵砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能和容重的相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)鐵砂混凝土的設(shè)計要點，為類似工程的實際應(yīng)用提供參考。

3 原材料的選擇

3.1 水泥

水泥的選用以滿足混凝土強度和和易性為原則，鑒于本工程采購的水泥性能穩(wěn)定，故采用工程現(xiàn)有的自湖州南方水泥有限公司采購的P?0 42.5普通硅酸鹽水泥，相關(guān)指標(biāo)見表1。

表1 水泥檢測結(jié)果

3.2 細集料

細集料的選用以鋼鐵廠煉鋼時的廢料鐵砂組成，產(chǎn)地上海，主要指標(biāo)見表2。

表2 細集料檢測結(jié)果

3.3 粗集料

粗集料的選用以澳洲進口的鐵礦石經(jīng)破碎分選而成，組成5mm～31.5mm連續(xù)粒級，級配良好，其主要指標(biāo)見表3。

表3 粗集料檢測結(jié)果

3.4 粉煤灰

以粉煤灰對混凝土工作性能產(chǎn)生的影響為基礎(chǔ)，摻加粉煤灰可促使鐵砂混凝土的粘聚性、保水性有效改善，降低鐵砂混凝土的離析現(xiàn)象，減少泌水，使混凝土具有更好的流動性、密實性、勻質(zhì)性，便于混凝土的施工，故采用工程現(xiàn)有的湖州雙豐物資再生利用有限公司Ⅱ級粉煤灰，各項性能指標(biāo)可滿足施工要求。

3.5 減水劑

在混凝土中摻減水劑，可促使混凝土單位用水量顯著降低，顯著增加混凝土密實性、在增大混凝土流動性中起到重要的作用，所以選擇合適的減水劑也是關(guān)鍵所在，因此減水劑選用浙江五龍新材股份有限公司生產(chǎn)的ZWL-A-IX型標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸系高效減水劑，各項性能指標(biāo)可滿足施工要求。

3.6 拌和用水

為自來水，符合拌和用水的要求。

4 配合比計算

根據(jù)設(shè)計要求配重鐵砂混凝土容重40kN/m3，混凝土強度不小于C25，C25強度不難達到，難的是如何達到規(guī)定的容重，因此，本次設(shè)計以滿足混凝土容重為主要目的，由于沒有專門的鐵砂混凝土設(shè)計規(guī)程，故參考《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）予以計算，因重集料所具有的表觀密度同工程所用普通集料所具有的表觀密度差異較大，用質(zhì)量法無法用歷史經(jīng)驗確定假定容重，所以用體積法進行計算較為精確合理，從而得出初步配合比。

（1）考慮到鐵砂表面較為光滑且吸水率小，鐵砂、鐵礦石質(zhì)量均較普通集料大，拌出來的混凝土集料容易離析，需要增加膠結(jié)料質(zhì)量以增加粘聚性和保水性，根據(jù)混凝土設(shè)計強度等級，按照選定的水泥強度等級和經(jīng)驗，確定初步的水膠比為：W/B=0.40。

（2）根據(jù)施工工藝要求，混凝土為泵送，設(shè)計坍落度120±20mm，鐵礦石粒徑最大為31.5mm，進行查表，得單位用水量220kg/m3,參考外加劑減水率，可以確定單位用水量為：W=160kg/m3。

（3）膠結(jié)料用量按：B=160/0.4=400kg/m3計算。

（4）《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50146—2014）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定粉煤灰最大摻量不超過35%，本實例取25%。

（5）粉煤灰用量：F=400×0.25=100kg/m3。

（6）水泥用量：C=400-100=300kg/m3。

（7）因砂率可在較大程度上影響混凝土所具有的保水性、流動性、粘聚性等工作性能,故砂率的選定較為關(guān)鍵,對于合理的砂率來說，砂子在將粗集料空隙填滿外，且有多余量,多余的砂漿在粗集料間形成適當(dāng)厚度，促使粗集料間所具有的摩阻力減小，進而為混凝土的和易性、流動性提供保障，依據(jù)泵送混凝土砂率宜采用35%～45%的規(guī)定和鐵砂表觀密度最大的情況，考慮到鐵砂的吸水率比普通集料要小，可以適當(dāng)增加砂率，在滿足和易性的基礎(chǔ)之上應(yīng)盡量增加鐵砂的用量方可滿足混凝土的容重要求，因此確定砂率為上限45%。

（8）按下列式子計算粗細集料用量：

式中：

水泥密度取3100kg/m3；

粉煤灰密度取2200kg/m3；

水密度取1000kg/m3。

上式聯(lián)立計算出：

配合比計算結(jié)果為：水泥：水：細集料：粗集料：粉煤灰：外加劑=300:160:1582:1933:100：4.80。

5 配合比試拌、比對

在初始配合比計算的基礎(chǔ)上，開展試拌工作，試拌結(jié)果以拌和物和易性良好為特征、其所具有的各項性能符合施工要求，因此按規(guī)范要求采用0.45、0.40、0.35三個水灰比進行試拌，測其強度、容重、坍落度等各項指標(biāo)，結(jié)果見表4。

表4

6 試驗結(jié)果分析

通過各項試驗的結(jié)果表明：（1）混凝土拌和物的各項工作性能滿足施工需要。（2）各水膠比混凝土的7天、28天抗壓強度均滿足要求。（3）編號1、2水膠比的混凝土實測濕容重符合40kN/m3≈4080kg/m3的設(shè)計要求，編號3水膠比的混凝土實測濕容重不符合設(shè)計要求。依據(jù)試驗結(jié)果的比對分析，選擇編號2的混凝土配合比在本次施工中使用。

7 工程應(yīng)用和質(zhì)量控制

因工程用鐵礦石及鐵砂具有較大的表觀密度，在攪拌時存在較大難度，故在對鐵砂混凝土進行攪拌時，宜以雙臥軸強制式攪拌機開展施工作業(yè)，為保證重混凝土的容重，需嚴格依據(jù)確定的重混凝土施工配合比展開拌料操作，為保證重混凝土的和易性、穩(wěn)定性，應(yīng)對原材料品質(zhì)進行嚴格控制，在集料倉搭建防雨、防曬棚，確保集料溫度和含水量保持穩(wěn)定；對于聚羧酸減水劑而言，其對集料所具有的含泥量、溫度所呈現(xiàn)出較高的敏感性，因此要嚴控鐵砂、鐵礦石的含泥量、泥塊含量，同時每批進場的聚羧酸減水劑應(yīng)進行混凝土試拌；滯水法拌料可使減水劑所具有的減水效果顯著增強，降低混凝土坍落度損失，改善混凝土的和易性，因此試拌時減水劑采用滯水法，在集料、水泥和適量水?dāng)嚢?0s后予以摻入，直至攪拌均勻。在本工程實際施工時，鐵砂混凝土呈現(xiàn)出較好的工作性能，現(xiàn)場鐵砂混凝土實測出盤濕容重平均為4010 kg/m3，現(xiàn)場對立方體抗壓強度試件進行取樣，于標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件下養(yǎng)護28天抗壓試驗，平均強度達45.3MPa，所涉主要指標(biāo)均滿足C25配重混凝土設(shè)計要求。

8 結(jié)論

通過以上試驗比對結(jié)果，可總結(jié)以下結(jié)論：鐵砂混凝土屬于重混凝土，起穩(wěn)定建筑或構(gòu)筑物平衡的作用，在配合比設(shè)計時相對于普通的混凝土配合比設(shè)計有較大的差異，普通的混凝土由于集料質(zhì)量相對較輕，應(yīng)用廣，在解決集料下沉、離析等情況時有很多經(jīng)驗可以參考，但對于泵送重混凝土集料質(zhì)量大、鐵砂表面光滑，吸附能力差，坍落度大的特性，各物料間摩擦力小引起混凝土粘聚性差，水泥砂漿包裏不住集料，重集料很容易出現(xiàn)下沉的情況，引起混凝土離析分層，造成嚴重泌水，進而對整個混凝土工作性能構(gòu)成影響，所以在重混凝土的配合比設(shè)計中，應(yīng)重點考慮混凝土抗離析的能力，嚴格選料，精心選擇砂率，合理摻配，同時為了防止重集料下沉而導(dǎo)致離析情況的發(fā)生，重混凝土中也可以摻入其他一些抗離析的摻合料，以增加混凝土的粘聚性、保水性，得到經(jīng)濟、合理、符合設(shè)計要求的重混凝土配合比。