基于砂浆流变性设计混凝土工作性的配合比设计方法在两伊铁路工程中的验证

2010-08-26杨保旭中铁十九局集团有限公司北京100176

中国建材科技 2010年3期

杨保旭（中铁十九局集团有限公司，北京 100176）

0 引言

由于混凝土组成及结构的复杂性和影响其性能的因素的多样性，对其性能（如工作性和耐久性）的设计一直未能很好实现。混凝土是由多种材料组成的多相复合材料，混凝土的性能首先决定于各组成材料的性能及其比例关系。因此，要对混凝土的性能进行设计，首先就要对混凝土配合比进行设计。没有合理的配合比是不可能获得预期性能的。经过近两百年的发展，各国都有了各自的配合比设计方法，但它们大都需要查阅大量的经验图表，并进行繁重的混凝土试配试验，这对于现代社会来说似乎不太合适。另外，化学和矿物外加剂在混凝土中的应用已有几十年的时间，已经发现掺入外加剂尤其是塑化剂之后，混凝土的配合比已经较不掺的有了很大变化（用水量减少、水泥用量减少、砂浆量增加等等），其性能也相应地发生了很大变化（工作性和耐久性等大幅度的改善）。然而并没有提出更加科学合理的配合比设计方法以适应这种变化。人们只不过是在无外加剂混凝土配合比的基础上另外考虑外加剂掺入所产生的变化。这意味着，要获得一个满意的掺减水剂混凝土的配合比，事实上要试配得出两个配合比：首先试配得到预期工作性的基准混凝土配合比；然后再向基准混凝土中加入外加剂并检测其工作性，若有一方面性能达不到要求就要做相应的调整或重配，直到各方面性能均达到要求。这样，可能就需要很多次的试验才能得到满意的目标混凝土配合比。虽然有经验的人员可能不需要这样操作，但大量的试配也是必须的。

作者在详细研读了彭杰的硕士学位论文《混凝土耐久性和工作性设计在相关方面的研究》后发现，他们在成功研制出砂浆流变性测试装置的基础上提出的通过砂浆流变性设计混凝土工作性的思路很新颖，如果能够实现将会是非常有意义的。所以，本文结合新建伊敏至伊尔施铁路的工程实际对该方法进行了试验分析和验证。

1 试验原材料

水泥：内蒙古自治区海拉尔水泥厂的蒙西32.5 复合水泥，密度3.18kg/L；长春亚泰水泥厂的52.5 普通硅酸盐水泥，密度3.22kg/L。

粉煤灰：内蒙古自治区伊敏电厂I 级灰，密2.65kg/L。

细集料：内蒙古自治区罕达盖地区河砂，筛除5mm 以上颗粒后细度模数2.6，视密度2.64kg/L。

粗集料：5～31.5 连续级配碎石，视密度2.72kg/L，振实容重1.76kg/L，振实空隙率35.3%；5～25 连续级配碎石，视密度2.77kg/L，振实容重1.76kg/L，振实空隙率36.5%。

外加剂：北京宏业九州科技发展有限公司的粉体低浓萘系减水剂，掺量1.0%～1.5%，推荐掺量1.2%。

2 试验仪器

砂浆流变性测试装置1 套[1]，其它相关仪器均为ISO 标准仪器或国标仪器。

3 试验方法

原材料相关参数的测定和新拌及硬化混凝土性能试验均按国标方法进行，粗集料振实空隙率和砂浆流变性的测定参见文献[1]。

4 结果分析

新建伊敏至伊尔施铁路工程位于内蒙古自治区东北部，气候严寒，冬季最低气温可达零下四五十度。考虑到混凝土的耐久性，工程监理单位要求除墩柱外，其它所有部位的混凝土均不得掺加粉煤灰和磨细矿渣。所以，在选择混凝土配合比时，仅在墩柱混凝土中掺加了粉煤灰，其它部位的混凝土均为纯水泥混凝土。根据我国现行的混凝土配合比设计方法设计了混凝土配合比，从中选择了几个列于表1，并在表1 中给出了有关基于砂浆流变性设计混凝土工作性的一些参数，同时还给出了验证试验的相关结果。

彭杰等人提出的基于砂浆流变性设计混凝土工作性的主要观点是：(1) 新拌混凝土的流动性主要决定于它的屈服应力，而该参数受粗集料的性质、其中砂浆的屈服应力及其填充系数支配；(2)新拌混凝土的稳定性和流动速率主要决定于它的塑性粘度，而该参数受粗集料的性质、其中砂浆的塑性粘度及其填充系数支配。

从表1 中数据可见，随着混凝土强度等级的提高，砂浆填充系数也逐步增大，这与传统经验是一致的：混凝土强度等级越高，砂率越低。在同一个强度等级时，随着混凝土坍落度的提高，砂浆填充系数也逐步增大。这与通过砂浆流变性设计混凝土工作性方法的理论观点也是一致的。

从表1 中的数据还可以看到，1、2、5 和6 号配合比混凝土的坍落度接近，它们的砂浆的相对屈服应力也是相近的；而3 号和4 号配合比混凝土的坍落度较大，它们的相对屈服应力则相应较小。

分析3 号和4 号配合比可见，实际上两个混凝土的砂浆配比是完全相同的，混凝土的区别仅在于砂浆填充系数的不同，坍落度的提高要求砂浆填充系数必须增大。这恰恰说明了通过砂浆流变性设计混凝土工作性方法的正确性。

表1 两伊铁路工程配合比分析

由表1 可见，6个配合比的混凝土的稳定性（和易性）都是可以的，只有3 号混凝土有轻度粗集料堆积。这是因为其它5个混凝土中砂浆的相对塑性粘度都较大，砂浆填充系数也都较为合适；而3号混凝土中，虽然砂浆相对塑性粘度也较大，但其填充系数偏低导致了粗集料轻度堆积。

彭杰等人提出的混凝土配合比设计方法是对我国现行的设计方法的补充和完善。因为，它首先也要依据水灰比定则计算水灰比，最后也要根据耐久性要求复核单方用水量和水泥用量。不同之处在于通过对水泥砂浆的流变性的设计结合砂浆填充系数实现对混凝土工作性的设计。而原材料和水灰比确定后，就只能通过外加剂、胶结材料组合和砂灰比的变化来调整砂浆的流变性能。砂浆流变性能确定后，通过试验就可以确定砂浆配合比了，再根据混凝土的工作性和耐久性要求确定砂浆填充系数即可得出混凝土配合比。选择表1 中的3 号和4号大流动性C30 混凝土为目标混凝土，按基于砂浆流变性设计混凝土工作性的配合比设计方法进行了设计和试验，结果见表2。

表2 C30 混凝土设计和试验结果

表2 中的1 号和2 号混凝土与表1 中的3 号和4 号混凝土是对应相同的，按两个配合比设计方法得出的混凝土配合比结果也是相同的。说明通过砂浆流变性设计混凝土工作性的配合比设计方法是准确的和可行的。新配合比设计方法的关键在于砂浆流变性的设计和砂浆填充系数的确定。文献1中尚未明确给出砂浆流变性和砂浆填充系数与混凝土流动性之间的对应关系，这一点尚需大量的试验后才能确定。