高强混凝土的配合比设计

摘　要:介绍了高强混凝土配合比设计必须满足的基本要求,阐述了水泥、骨料、高效减水剂和矿物质超细粉在高强混凝土中的作用,并提出了技术要求,对高强混凝土配合比的设计、试配和调整进行了论述。

关键词:高强混凝土,配合比设计,水灰比

中图分类号: TU528. 31 文献标识码:A

　　高强混凝土是指采用通用水泥、普通的砂石为原材料,使用一般的制作工艺,主要依靠掺加新型高效减水剂和矿物质超细粉,使新拌混凝土拥有良好的和易性,硬化后强度等级为C60 及其以上的混凝土。在道路与桥梁、隧道和工业与民用建筑等工程中应用高强混凝土,可以节约水泥用量,减少钢筋用量,缩小结构物截面尺寸和提高混凝土的耐久性等。

1 　高强混凝土配合比设计的基本要求

　　1) 满足结构物设计强度的要求。不论混凝土路面、桥梁或隧道等,在设计时都会对不同的结构部位提出不同的设计强度要求。为了保证结构物的可靠性,在设计混凝土配合比时,必须考虑到结构物的重要性、施工单位的施工水平等因素,采用一个比设计强度高的配制强度,才能满足设计强度的要求。

　　2) 满足高施工性的要求。高强混凝土大多用于大跨度桥梁、长隧道和高层钢筋混凝土建筑物等中,这些建筑物配筋率大,混凝土浇筑困难,坍落度若小于15 cm ,施工很困难,故一般都采用18 cm 的坍落度。

　　3) 满足高耐久性的要求。为了提高高强混凝土的抗碳化、抗渗性、抗冻性、耐磨性和抗化学腐蚀性等,要求高强混凝土必须具有高耐久性。

　　4) 满足经济的要求。在满足高强度、高施工性和高耐久性的前提下,配合比设计中应尽量降低高价材料的用量,降低工程造价,同时,尽量减少配合比设计中的试验次数,降低试验成本。

2 　高强混凝土的原材料

2. 1 　水泥

　　配制高强混凝土一般采用强度等级不小于42. 5 的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或特种水泥(球状水泥、调粒水泥和活化水泥) 。水泥和掺加的矿物质超细粉的总用量控制在500 kg/ m3 ～600 kg/ m3 范围内。

2. 2 　骨料

　　1) 骨料的品种应选择硬质砂岩、石灰岩、玄武岩等母岩的碎石为粗骨料;细骨料应选用河砂或碎石砂。2) 粗、细骨料的表观密度应控制在2. 65 kg/ m3 以上;粗骨料的吸水率应低于1. 0 % ,细骨料的吸水率应低于2. 5 %。3) 粗骨料的压碎值应低于10 % ,最大粒径不应大于25 mm ,针片状颗粒含量不宜大于5. 0 % ,含泥量不应大于0. 5 % ,泥块含量不宜大于0. 2 %。4) 细骨料的细度模数宜大于2. 6 ,含泥量不应大于2. 0 %,泥块含量不宜大于0. 5 %。

　　5) 粗、细骨料的级配必须良好,这样可以提高混凝土的密实度,从而提高混凝土的和易性和硬化后混凝土的强度。

2. 3 　高效减水剂

　　高强混凝土中应掺加高效减水剂或缓凝高效减水剂,这样就能在满足施工要求的和易性条件下,显著降低混凝土的用水量,降低水灰比,使混凝土更密实,从而提高硬化后混凝土的强度等。

2. 4 　超细矿物质掺合料

　　高强混凝土常用的超细矿物质掺合料主要有硅粉、磨细矿渣、粉煤灰和天然沸石粉等,其作用主要有:

1) 滚球润滑作用;

2) 微集料作用;

3) 火山灰反应作用。

3 　高强混凝土的配合比设计

3. 1 　试配强度的确定

　　混凝土试配强度必须超过设计强度标准值,以满足强度保证率的需要,我国现行行业标准J GJ 5522000 普通混凝土配合比设计规程中规定了普通混凝土强度的保证率为95 %时,混凝土的试配强度f cu , o与混凝土的设计强度标准值f cu , k之间的关系为f cu , o= f cu , k + 1. 645σ,而对高强混凝土没有规定,按日本规范规定,配制高强混凝土的试配强度公式为:

f cu , o = ( f cu , k + T) + K1σ。

　　式中: f cu , o ———混凝土试配强度,MPa ;

　　　　f cu , k ———混凝土设计强度标准值,MPa ;

　　　　T ———温度修正系数,即不同气温下的强度修正值,一般为4 MPa～6 MPa ;

　　　　K1 ———常数,取2. 0～2. 5 ;

　　　　σ———混凝土强度标准差,取3. 5 MPa。

3. 2 　水灰比W/ C

　　高强混凝土一般都要采取增密措施,水灰比一般在0. 4 以下,其强度变化规律已经与鲍罗米公式相差较远,它们的基准水灰比只能按现有试验资料确定,然后通过试配予以调整。

3. 3 　单位用水量W

　　硬化后混凝土的强度通常与用水量成反比,因此,在施工和易性允许的条件下,混凝土的单位用水量应尽可能小。对于高强混凝土由于其骨料最大粒径波动范围很小为10 mm～25 mm ,坍落度波动范围也很小为18 cm～21 cm ,每立方米混凝土单位用水量的取用见表1 。

表1 　混凝土单位用水量的取用

3. 4 　水泥用量C

　　由上述得到的水灰比W/ C 和单位用水量W ,可计算出水泥用量C = W/ ( W/ C) 。但应注意当水泥用量超过某一最佳值后,在等流动性下,混凝土强度将不会再提高。

3. 5 　超细矿物质掺合料的种类与掺量

　　经验表明:硅粉、磨细矿渣和天然沸石粉可等量替代水泥。保持混凝土的单位用水量和坍落度不变,混凝土中以5 %～7 %的硅粉置换相应的水泥,强度提高10 %左右;以5 %～10 %的天然沸石粉置换相应的水泥,强度提高10 %左右;以25 %的磨细矿渣置换相应的水泥,强度也能提高10 %左右;而粉煤灰应采用超量取代法掺入,超量取代系数K = 1. 2～1. 4 ,也即以1. 2 kg～1. 4 kg的粉煤灰取代1. 0 kg 水泥,才能使28 d 强度与其准混凝土相同。

　　当超细矿物质掺合料的掺入增加了胶凝材料的绝对体积时,应相应减少砂的用量。超细矿物质掺合料若以复合形式掺加时,效果会更好。

3. 6 　粗骨料用量

　　在干燥捣实状态条件下,每立方米混凝土的粗骨料体积含量为0. 4 m3 左右,即每立方米混凝土中的粗骨料为1 050 kg～1 100 kg。

3. 7 　砂率

　　由于高强混凝土中水泥浆体积相对较大,故砂率通常偏高。对于28 d 抗压强度为60 MPa～120 MPa 的高强混凝土,砂率波动在34 %～39 %之间,且随混凝土强度的增高,砂率呈减少的趋势。

3. 8 　高效减水剂的品种和掺量

　　不同品牌的高效减水剂在与水泥和超细矿物质掺合料的兼容性上相差很大,因此,对给定的水泥和超细矿物质掺合料,需要通过试验来选择高效减水剂的品牌。高效减水剂的掺量增加,混

　　凝土单位用水量可相应减少,用水量的减少与高效减水剂的品牌和质量有关。以固体用量计,高效减水剂的掺量为胶凝材料总重的0. 8 %～2. 0 %。

3. 9 　高强混凝土的试配与配合比调整

　　1) 试配。试配用的粗、细骨料称量均以干燥状态为基准,搅拌方法应尽量与施工时相同,试配时每盘混凝土的用量不应少于15 L 。

　　2) 和易性调整。当混凝土过于干硬,可逐渐增大高效减水剂或单位用水量的用量,直到满足施工要求的和易性。

　　3) 强度检验。如果混凝土抗压强度低于配制强度,可通过提高水泥强度或水泥用量、降低单位用水量和掺入超细矿物质掺合料等来解决。

4 　结语

　　1) 高强混凝土应选用质量稳定、强度等级不低于42. 5 级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,每立方米混凝土中的胶凝材料总用量500 kg～600 kg。

　　2) 为了达到高强度,混凝土的水灰比一般要在0. 4 以下,这样可使水泥石具有足够的密实度。

　　3) 高效减水剂是高强混凝土不可缺少的组分,是降低混凝土水灰比的必须材料,掺量为胶凝材料总重的0. 8 %～2. 0 %。

　　4) 超细矿物质掺合料是高强混凝土的功能组分之一。其可以调整水泥颗粒级配,起到增密、增塑、减水和火山灰效应,改善骨料界面效应,提高混凝土的强度。硅粉和天然沸石粉的适宜掺量约10 % ,磨细矿渣约25 % ,粉煤灰约32 %。

　　5) 混凝土随粗骨料最大粒径、针片状颗粒含量和含泥量的减少混凝土强度会增大。配制高强混凝土的粗骨料最大粒径不应大于25 mm ,针片状颗粒含量不应大于5. 0 % ,含泥量不应大于0. 5 % ,每立方米混凝土中的粗骨料用量1 050 kg～1 100 kg。

　　6) 细集料中的含泥量、泥块和颗粒较细都会加大混凝土的用水量和高效减水剂的用量,加大混凝土干缩,降低混凝土的强度。细集料的细度模数宜大于2. 6 ,含泥量不应大于2. 0 % ,砂率在34 %～39 %。

参考文献:

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