特细砂混凝土配合比设计在利比亚工程中的应用

吴成军，王志山，丁萌

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

利比亚5 000套住房工程项目地处利比亚米苏拉塔市，距离首都黎波里200 km。利比亚是一个缺淡水、多细砂的国家，北部紧临地中海，南部为广袤的撒哈拉沙漠，属亚热带地中海气候。气候特点：冬暖多雨，夏热干燥；1月平均气温12℃，8月平均气温26℃；夏季常受来自南部撒哈拉沙漠干热风，气温可高达50℃以上；年平均降水量为100～600 mm，多集中于冬季。

该工程包括5 000套住宅和学校、医院、清真寺等公用建筑，总建筑面积约130万m2，总混凝土用量约45万m3，使用特细砂约17万m3。本工程主体混凝土主要使用C30普通混凝土，C25、C15混凝土也有少量应用，约90%为泵送混凝土。

受当地材料资源限制，用于混凝土工程的砂全部是沙漠特细砂，砂质干净，石质较差，无粉煤灰等掺合料，混凝土质量成为制约工程的重要因素，随着利比亚开放程度的进一步加大，基建规模也逐渐扩大，特细砂混凝土也成为各大承包商首要解决的重大问题，项目课题组经过大量的研究试验，取得了良好的效果。

1 原材料介绍

经过调查发现，利比亚北部沿海地区（如Tripoli，Misrata，Bengazi，Khoms，Surt）虽属亚热带地中海气候，但砂源均为沙漠特细砂，水泥为希腊进口的CEMI 42.5N硅酸盐水泥（相当于国内的42.5普通硅酸盐水泥），石子为火山沉积岩破碎后的碎石，吸水率高约4%，外加剂为埃及进口的Sikament-r2002型高效减水缓凝外加剂，拌和水为取自约300 m的深层地下水，且没有粉煤灰等掺合料。

特细砂的性能指标：细度模数为1.1～1.2，粒径主要分布在0.15～0.3 mm范围内，详细筛分数据见表1。

表1 特细砂筛分数据

含泥量（0.075 mm筛通过量）为0.8%～1.8%，表观密度为2.65～2.69 g/cm3，吸水率为1.7% ～1.9%，堆积密度：1.55～1.60 g/cm3。由于紧邻地中海，本地区的集料中可溶性离子含量偏高，氯离子含量0.008%～0.050%，平均0.023%；硫酸根含量0.004 6%～0.080 5%，平均0.027 4%。

碱活性是制约混凝土耐久性指标的重要因素，而集料的碱活性又是混凝土碱活性的主要控制因素。化学法检测特细砂无潜在碱活性。有机物含量为0.004%～0.030%。撒哈拉沙漠特细砂中不含贝壳。

2 特细砂混凝土配合比设计

混凝土配合比的设计方法有很多（如行业标准JGJ 55、北京工业大学的陈建奎教授的“全计算法”，等等），但都是普通混凝土的配合比设计，所用的砂也全部是以中粗砂为蓝本，很少有关于特细砂的介绍。本课题采用的是经过利比亚当地长期的施工经验反复论证过的美国混凝土协会的ACI 211标准，并结合国内的JGJ 55普通混凝土配合比设计规程，JGJ 51轻集料混凝土技术规程，以课题小组人员多年从事混凝土配合比设计的经验来设计的特细砂混凝土配合比，下面以C30混凝土为例介绍配合比的设计。

2.1 坍落度

坍落度的选择要在满足施工要求的前提下，尽量选择较低的值，同时应满足相关标准及技术规格书的要求。本工程选取坍落度为150 mm±25 mm，本坍落度的最终确定，完全取决并满足于施工条件，且经监理批准。

2.2 最大集料粒径

在其他条件相同的情况下，对于连续级配的集料，最大粒径越大，空隙率越小，单位体积的混凝土所需要填充的水泥浆体越少，越经济。由于受技术规格书的要求及当地条件限制，选用最大集料粒径为20 mm。

2.3 用水量及含气量

单位体积混凝土所需的水量要综合考虑坍落度、最大集料粒径、集料形状和级配、含气量、外加剂等因素，不同集料粒径及坍落度情况下拌和水用量见表2。

根据坍落度（150 mm±25 mm）及集料最大粒径的限制，此处选择自由水用量为216 kg，含气量为2%；外加剂选用1.5%的掺量（外加剂掺量的选定见表3），考虑到外加剂12%的减水率，实际自由水用量为216×（1-12%）=190 kg。

表3 不同外加剂掺量对混凝土抗压强度、和易性、泵送性的影响

2.4 水胶比

水胶比的选择要综合考虑强度及耐久性的要求，不同品种的水泥在水胶比相同的情况会产生不同的强度，所以有必要为所用的水泥建立强度与W/C的关系。如果掺加粉煤灰、火山灰、矿粉、硅灰等掺合料，计算水胶比时应该用水的重量比水泥与掺合料的总重，即W/（C+P）。此处水灰比的选取为0.47。

2.5 水泥用量

根据2.3和2.4节已经确定出的用水量与水灰比计算水泥用量为408 kg。

2.6 砂率

由于缺少相关的标准依据，需要通过试配来确定合适的砂率。经过前期针对性的试配，线性分析后确定砂率为34.9%，由于特细砂混凝土的强度对砂率的敏感度较大，因此，砂率选择在考虑混凝土拌合物的坍落度、黏聚性、保水性等特征时，更要根据混凝土的强度结果加以修正。试配结果如表4所示。

表4 不同砂率的混凝土试配结果

2.7 砂石用量（体积法）

采用下式计算砂石用量：

计算得出：ma=1 149 kg；ms=618 kg

式中：mW为每方混凝土自由水用量，kg； mC为每方混凝土水泥用量，kg； ma为每方混凝土石子用量，kg； ms为每方混凝土砂用量，kg；ρW为水的密度，kg/m3； ρC为水泥密度，kg/m3； ρa为石子表观密度，kg/m3；ρs为砂表观密度，kg/m3。

2.8 总用水量

由于受当地原材料的限制，砂石吸水率较高，而这部分水将以游离水的形式存在于砂石内部，并不参与水泥水化，在混凝土硬化后将会慢慢散失，所以需要将砂石吸收的水分计入总用水量中，按照检测的砂石吸水率计算，每方混凝土所用集料吸水34 kg。故总的用水量为190+34=224 kg。

2.9 每方混凝土中原材料用量

根据式（1）计算得出C30混凝土配合比，见表5。

表5 每方混凝土中原材料用量kg

2.10 试配与修正

试验室得出的配合比是在材料固定，没有计量误差、人为误差、设备功率误差（搅拌量少）、材料温度误差（室温）条件下进行的，还需经过生产实践验证，从运至现场的混凝土中取代表样品制作试件与试验室试配结果进行对比。按照对比结果和施工实际情况，多次进行修正、改进和优化，逐渐形成满足设计要求、保证工程质量的细砂混凝土配合比。

由于配合比设计中的主要参数均是经过大量试配，并经过在临建工程中近万m3的生产实际中得出的结果。因此，在经过计算得出的最终配合比，试配试验的检测结果基本符合配合比的设计要求。

在两年的混凝土施工过程中，按照材料品质检测以及经常变化的材料实际含水率，及时对配料中砂率、拌合水进行适当调整，满足了工程施工要求，保证了混凝土质量。

3 应用效果

根据上述方法设计出的特细砂混凝土的黏聚性良好，坍落度易于稳定，泵送性能良好，易振捣，无泌水、离析等现象出现，使用该配合比浇筑的混凝土28 d强度合格率超过100%，无有害裂缝出现，观感质量好。同时通过对特细砂在混凝土中应用的研究成果，成功地将特细砂用于混凝土空心砌块中，效果良好。

4 特细砂混凝土质量控制要点

1）特细砂混凝土的配合比设计原则，宜采用低砂率，同时尽量使用低坍落度、低水泥用量。泵送混凝土坍落度宜控制在130～150 mm，非泵送混凝土可根据浇注工艺和部位作适当调整，一般以30～50 mm为宜。由于特细砂的比表面积大，包裹相同重量的砂所需的水泥也就增加，因此，应尽量考虑用较低的水泥用量，因为较低水泥用量的水化热总量相对较小。

2）由于特细砂细度模数低，水泥用量大，混凝土黏聚性大，造成拌和困难，需要适当增加拌合时间（控制在60～90 s之间）以保证拌和混凝土的匀质性，同时在浇注时应加强机械振捣的控制力度。

3）受当地高温干燥等不利气候因素的限制，必需加强混凝土的生产调度，尽量做到不压车、不空点，连续浇注。

4）浇注结束后应采用二次抹面工艺并及时覆盖，洒水保湿养护，降低昼夜温差大、气候干燥对混凝土产生的危害，减少混凝土温度裂缝。

5 实施效益评估

本着就地取材的原则，充分利用了施工现场的砂源，既解决了264万m3的粉细砂施工中车辆运输的难题，也消除了弃土清运给当地环境造成的破坏，社会效益与经济效益突出。

6 结语

由于国内外均没有专门针对特细砂的配合比设计规范，课题组综合了行业标准JGJ 55、JGJ 51以及美国的ACI 211等标准，成功借鉴了轻集料混凝土配制过程中对陶粒、陶砂吸水率大的处理方法，在特细砂混凝土中引入了自由水、自由水灰比的概念，有效解决了因集料吸水率过高在配合比设计过程中遇到的用水量计算不准确的问题。本课题融合了中美两国在混凝土配合比设计方面的科学方法，以及利比亚当地前期利用特细砂的经验，成功配制出C40、C30等强度等级的混凝土。

通过本课题的研究，也改变了人们对混凝土的传统认识，通过利比亚工程3 a多的施工实践，证明使用特细砂完全可以配制出高质量、满足设计要求和保证工程质量，且具有良好耐久性能的混凝土。

[1]JGJ 55—2011，普通混凝土配合比设计规程[S].

[2]陈建奎，王栋民.高性能混凝土（HPC）配合比设计新法——全计算法[J].硅酸盐学报，2000，28（2）：194-198.

[3]建筑施工手册编写组.建筑施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]ACI 211，美国混凝土设计规程[S].