特殊混凝土配合比设计中的若干问题探讨

摘　要:配合比设计须分别从准备工作、选用合适材料、生产配合比调整及在施工中的控制、保证质量前提下注重经济效益等几个方面进行详细分析,文章主要对高强混凝土、水下混凝土、掺粉煤灰混凝土和喷射混凝土等几种特殊混凝土的设计施工中的若干问题进行了分析探讨。

关键词:高强混凝土;喷射混凝土;配合比

中图分类号:U414. 18 ; TU528. 31 ; TV544. 92 　　　文献标识码:A 　　　文章编号:167325781 (2007) 0120088203

1 　高强混凝土

　　强度等级为C60 及其以上的混凝土被称为高强混凝土。它是用优质集料,标号不低于52. 5 级的水泥,较低的水灰比,在强烈振动密实作用下制取的。决定混凝土强度的主要因素有: ①集料具有坚强的抗压能力,与水泥胶结性能良好,因此要采用优质集料和富水泥用量。② 胶结材料本身活性要高,硬化后形成的水泥石密实坚强,胶空比大,因此要采用高标号水泥,并强烈振捣密实。③ 混凝土混合物的水灰比小,因此要采用干硬性混凝土,同时掺入高效减水剂配合使用,使混凝土在极小的水灰比下能够浇灌密实。高强混凝土本身的容重可能较大,但用于结构物后,可以显著地减少断面尺寸,从而减轻结构自重、节约各种原材料。所以,单一从结构整体考虑,高强与轻质是一致的。高强混凝土配合比核心在于对混凝土的流动性和凝结时间的把握。

1. 1 　原材料的选择与应用

　　(1) 指定专人定期检查、测定各种原材料和生产状态,特别是对原材料的进料、储存、计量应实行全方位监控。

　　(2) 配制C60 等级高强混凝土,不需要用特殊的材料,但必须对本地区所能得到的所有原材料进行优选。除有较好的性能指标外,还必须质量稳定,即在一定时期内(至少在施工期内) 主要性能没有太大的波动。

　　(3) 强度等级在C80 或C80 以上的混凝土,在水泥水化时不可避免地会在内部形成细微的毛细孔。为确保混凝土强度,必须采取措施将毛细孔填满,以增加混凝土的密实性。因而,需要在混凝土配合比中,加入微米级径增密处理的超细活性颗粒。使其在水泥浆微细空隙中水化,减少和填充毛细孔,达到增强和增密作用。

　　(4) 高强混凝土要求低水灰比、高坍落度,这就需要掺入高性能的外加剂。目前,混凝土的外加剂品种较多,但高性能复合型外加剂国内尚不多见,故应作对比试验后确定。

1. 2 　混凝土配合比方案的优选

　　(1) 高强混凝土正式生产时应进行试配,选定不同的配比和投料顺序,施行优选方案。

　　(2) 试配必须严格模拟实际生产条件,在原材料有变动时应再次试配。

　　(3) 搅拌必须均匀,采用强制式搅拌机,较普通混凝土延长50 %搅拌时间。

1. 3 　施工时质量控制

　　在试验室配置符合要求的高强混凝土比较容易,而在整个施工过程中,稳定质量水平较为困难。一些在普通情况下不太敏感的因素,在低水灰比情况下会变得相当敏感,这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素的变化,并且要根据变化,随时调整配合比和各种工艺参数[1～3 ] 。

　　(1) 严格水灰比控制:骨料的含水量应在用水量中扣除,每天需测定骨料含水量,每次配料时应采用水量自动测定仪连续测定砂子含水量,在任何情况下都不得添加额外水量。

　　(2) 探测混凝土拌和物温度,必要时测定混凝土水化热,控制温升,延长和保证工作时间。

　　(3) 合理安排工艺和工序,计算各阶段所需时间,合理缩短混凝土从搅拌到浇捣完毕的时间。

　　(4) 所有参与操作人员进行技术交底,完善各项记录文件。

2 　水下混凝土

　　水下混凝土是直接浇筑于水下结构部位并就地成型硬化的混凝土。在桥梁工程桩基混凝土施工时,有时由于水位的原因地下水渗量大,大量抽水又会影响地基质量时,通常采用水下混凝土。水下混凝土要受到环绕水的浸渍、扰动和稀释,受到施工方法的影响,为了减少和避免这些不利因素,不仅要求采用特殊的施工方法,而且还要对水下混凝土拌和物的性质、混凝土凝结硬化后的强度有一定要求。对水下混凝土拌和物要求具有较好的施工和易性;具有一定的湿滩体积,具有足够混凝土与钢筋的粘结强度。由于水下施工和质量检查的困难,以及水下环境的不利影响,设计高标号的水下混凝土是不明智的,设计强度应在C25 以内。确定混凝土配合比设计时,应符合节约水泥的原则。在施工条件许可范围内,尽可能降低用水量。

2. 1 　原材料的选择

　　(1) 可采用火山灰水泥、粉煤灰水泥、普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥,使用矿渣水泥时应采取防离析措施。水泥的初凝时间不宜少于2. 5 h ,水泥的强度等级不宜低于42. 5 级。

　　(2) 粗集料宜选用卵石,如采用碎石宜适当增加混凝土配合比的含砂率。集料的最大粒径不应大于导管内径的1/ 6～1/ 8 和钢筋最小净距的1/ 4 ,同时不应大于40 mm。并严格控制扁平碎石的含量。

　　(3) 细集料宜采用级配良好的中砂。

　　(4) 混凝土拌和物中宜掺用外加剂、粉煤灰等。

2. 2 　混凝土配合比方案的设计

　　(1) 混凝土配合比的含砂率宜采用40 %～50 % ,水灰比宜采用0. 5～0. 6 。有试验依据时含砂率和水灰比可酌情增大或减小。

　　(2) 灌注时应保持足够的流动性,其塌落度宜为190～220 mm。

　　(3) 每立方米水下混凝土的水泥用量不宜少于350 kg ,当掺有适宜数量的减水缓凝剂或粉煤灰时,可不少于300 kg。另外混凝土拌和物应有良好的和易性,在灌注过程中应无显著离析、泌水现象。

3 　掺粉煤灰混凝土

　　粉煤灰混凝土施工技术,与普通混凝土无多大差别,但从其材料组成、配制和性能方面考察,与普通混凝土有明显不同之处,因此工程中把它视为特种混凝土之一。过去较长时间内粉煤灰混凝土推广不甚理想,大都是混合料配合比组成设计不适当的缘故。近年来,粉煤灰混凝土配合比设计中有一个共同特点,就是要求粉煤灰混凝土与基准混凝土的和易性等同,要求28 d 龄期强度相当,即所配制等强度和等稠度的粉煤灰混凝土。这是因为只有粉煤灰混凝土性能不低于基准混凝土,才能引起工程技术人员的广泛接纳。在混凝土中掺粉煤灰,可以减少水泥用量,改善和易性,降低造价[ 4 ,5 ] 。

3. 1 　粉煤灰的选用原则

　　粉煤灰混凝土配合比设计的主要目的是确定一个经济的混合材料最佳组合。与基准混凝土配合比设计方法相比,由于粉煤灰混凝土组分中多了一种粉煤灰材料,因此选材和配料要相对复杂一些。粉煤灰按其品质分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级。粉煤灰混凝土中有时还要加入外加剂组分,其复杂性还要有所增加。

　　在普通钢筋混凝土中,粉煤灰掺量不宜超过基准混凝土水泥用量的35 % , 且粉煤灰取代水泥率不宜超过20 %。预应力钢筋混凝土中,粉煤灰最大掺量不宜超过20 % ,粉煤灰取代水泥率,采用普通硅酸盐水泥时不宜大于15 % , 采用矿渣硅酸盐水泥时不宜大于10 %。轻集料钢筋混凝土中,粉煤灰掺量不宜超过基准混凝土水泥用量的30 % , 其粉煤灰取代水泥率不宜超过15 %。无筋干硬性混凝土中, 粉煤灰可适当增加,其粉煤灰取代水泥率不宜超过40 %。粉煤灰宜与外加剂复合使用以改善混凝土拌和物的和易性,提高混凝土的耐久性。外加剂的合理掺量可通过试验加以确定。复合使用时,外加剂宜采用后掺法。

3. 2 　混凝土配合比方案的设计

　　粉煤灰普通混凝土的配合比设计以基准配合比为基础,按等稠度、等强度等级为原则,用超量取代法进行调整。超量取代法是粉煤灰占配合比设计的一种方法,即为达到粉煤灰混凝土与基准混凝土等强度的目的,粉煤灰的掺入量超过其取代的水泥量,其掺放量等于取代水泥质量乘以粉煤灰超量系数。粉煤灰取代水泥百分率的选取和粉煤灰的超量系数值可参考表1 和表2 。

　　具体步骤如下: ①确定试配强度Ryp :根据混凝土设计强度Ry ,按Ryp = Ry + 1. 645σ计算试配强度;其中σ为混凝土强度标准差。②按表1 选择粉煤灰取代水泥百分率βc 值;按βc 计算每立方米粉煤灰普通混凝土水泥用量: C = CO ·(1 - βc ) ,其中CO 是基准混凝土的水泥用量。③按表2 选取粉煤灰超量系数δc ;按δc 计算每立方米混凝土的粉煤灰掺量F =δc ·( CO - C) 。④计算每立方米粉煤灰普通混凝土中水泥、粉煤灰和细集料的绝对体积,求出粉煤灰超出水泥的体积。⑤按粉煤灰超出的体积,扣除同体积的细集料用量。⑥ 粉煤灰混凝土的用水量,按基准配合比的用水量选取。⑦根据计算的粉煤灰混凝土配合比,通过试配,在保证设计所需和易性的基础上,进行配合比的调整。⑧根据调整后的配合比,提出现场施工用的粉煤灰混凝土配合比。

4 　喷射混凝土

　　喷射混凝土是一种强度高、粘结力强和抗渗性好的材料,其施工工艺,可以不用模板,又能把混凝土的输送、浇灌、捣固等工序结合在一起。由于喷射混凝土与周围岩土紧密结合并共同工作,把围岩从荷载变为承载,提高了承载能力。

4. 1 　原材料选择

　　喷射混凝土所选用的粗集料最大粒径不得大于喷射系统输料管道最小断面直径的1/ 3～2/ 5 ;亦不宜超过一次喷射厚度的1/ 3 。目前,国内外大多数国家都趋向于15 mm 粒径作为喷射混凝土粗集料的最大粒径。喷射混凝土的粗集料,一般来说卵石、碎石均可,但可以选用卵石为优。在选择细集料方面,应该结合配合比确定砂率。砂粒粗时,砂率可以偏大;砂粒细时,砂率应当偏低。水泥一般选用32. 5 级和42. 5 级普通硅酸盐水泥。由于喷射混凝土所必需的工作特性,外加剂方面一般选择掺加速凝剂。

4. 2 　配合比设计

　　(1) 确定砂率。砂率为Sp = 140. 63Dmax- 0. 344 7其中,Dmax为粗集料最大粒径。

　　(2) 选择水泥用量。水泥用量为CO = 782. 4Dmax- 0. 237 7 ·B其中,B 为调整系数, 当用42. 5 级水泥时, B = 1 ; 当用32. 5 级水泥时, B = 1. 12 。

　　(3) 选择速凝剂用量。速凝剂用量一般为水泥用量的2 %～4 %。喷边墙可掺水泥重量的2 %～3 % ,喷拱顶可掺水泥重量的3 %～4 %。速凝剂用量为QO = Δg ·CO其中,Δg 为速凝剂占水泥用量的百分比% , CO 为水泥用量。

　　(4) 确定水灰比及其用量。水灰比为W/ C = 0. 45 Sp + 0. 247 5

　　(5) 按体积法计算出砂石用量。

5 　结束语

　　由于各工程的特殊性,需要混凝土具有不同的使用性能,因而特种混凝土被广泛使用。特种混凝土配合比设计,要保证混凝土强度、耐久性、施工工艺易于操作,选用合适材料及材料用量,对设计结果进行试配、调整,使之达到工程要求,设法降低成本。

〔参考文献〕

　　[1] 　李立权. 混凝土配合比设计手册[M] . 广州:华南理工大学出版社,2002.

　　[2] 　中国建筑科学研究院. 普通混凝土配合比设计规程[M] . 北京:中国建筑工业出版社,2001.

　　[3] 　徐培华,王安玲. 公路工程混合料配合比设计与试验技术手册[M] . 北京:人民交通出版社,2001.

　　[4] 　J TJ041 - 2000 ,公路桥涵施工技术规范[ S] .