核电C70混凝土配合比设计及试验

丛成河 蒲敏 陈海波 李伟 王丽

摘 要：介绍的高强度、高流动度混凝土的设计原理及试验方法过程。对试验结果进行了全面的分析和论证，并提出了配制高强度、高流动度混凝土试配前胶砂强度试验之必要性。

关键词：高强度；高流动度；混凝土；设计及试验

随着高层建筑日益增加，以及我国核电事业的兴起发展，对混凝土强度等级的要求也越来越高。C70混凝土配合比设计及试验是我公司为承建某核电站安全壳预应力混凝土结构大体积混凝土施工而试配试验项目。在试配C70混凝土配合比中，我们进行了大量的试验，共进行了水泥胶砂强度试验90组，混凝土试配38组，从中总结了一些规律，认为高强度混凝土的设计主要难点在于如何激发和提高水泥的活性，也就是胶砂强度的提高，还要考虑合适的粗和细骨料、级配、外加剂、填充料等。在研究过程中曾经使用过多种高效减水剂及超细活性填充料，经过试验及综合分析比较，最终选择了BS-N1（C80）型高效减水剂及贵州大鹰牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）和上海电厂生产的二级粉煤灰作为活性掺合料。经过胶砂强度试验及最终混凝土配合比试验，强度及其它各项指标均达到设计要求。

1 胶砂强度所用原材料

1.1 水泥

浙江三狮硅酸盐525#水泥。细度0.08mm方孔筛筛余3.7%标准稠度24.5%，初凝2h45min，终凝4h25min，其力学性能见表1

表1 实测三狮硅酸盐525#水泥强度表

龄期

项目 强度（MPa）

3天 7天 28天

抗压 31.4 38.5 63.5

抗折 5.7 6.9 9.0

1.2 活性硅粉

贵州大鹰牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）

1.3 粉煤灰

上海Ⅱ级灰，45μm孔筛筛余<20%，烧失量<8%，需水量比<105%，SO3含量<3%，符合粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ/T146-1990中各项指标。

1.4 外加剂

上海宝山运荣建筑外加剂厂生产的BS-N1混凝土高效减水剂，减水率：15-20%，引气量2-3%。

1.5 标准砂

符合GB178-1997《水泥强度试验用标准砂》的质量要求。

1.6 水

自来水PH=6

2 胶砂强度配合比设计及试验

2.1 胶砂强度配合比设计首先要确定各种材料之间的比例

这种比例的确定经试验要达到高强度、高流动度混凝土的技术要求。其中灰砂比、水灰比、外加剂掺量、活性硅粉及粉煤灰掺量都对胶砂强度有直接的影响。由于高强度混凝土水灰比都比较低，一般在0.3左右，因此首先确定水灰比在0.3左右再确定其他参数。

2.2 灰砂比参数确定

水泥与标准砂按1：1，1：1.5，1：2，1：2.5来设计，经过试配，认为灰砂比为1：1.5左右比较合适。

2.3 活性硅粉掺量的确定

活性硅粉是提高水泥强度的主要材料。它的主要成分是SiO2，可与水泥中的Ca（OH）2发生化学反应，生成更为坚硬硅酸盐，使得水泥胶砂强度得到提高；同时硅粉又特别细，可填充水泥空隙，使得水泥胶砂强度进一步提高。活性硅粉掺量按与水泥重量的0%、5%、10%、15%、25%设计，经试配，最佳掺量在5-10%之间，从经济角度考虑，采用了5%的掺量，见表2。

表2 活性硅粉不同掺量胶砂强度试验结果

硅粉掺量%

项目 0 5 10 15 25

28d抗压 9.1 13.0 13.2 12.8 13.4

28d抗折 60.0 77.6 80.0 79.2 72.6

流动度 >300 >300 >300 >300 >300

水灰比 0.32 0.32 0.32 0.32 0.32

2.4 外加剂的掺量

外加剂的掺量经试验确定为4%。

2.5 粉煤灰掺量

粉煤灰作为准活性材料，掺入到水泥中后，能使其和易性得到改善，后期强度得到提高。它本身也含有一定量的SiO2，能与水泥中的Ca（OH）2反应，生成硅酸盐，同时也可降低水化热，推迟凝结时间。对于大体积混凝土，是比较理想的填充料。但若掺入过量，则会导致混凝土强度下降，脆性增加。经试验，认为配制C70混凝土粉煤灰掺入量以15%左右为宜。

2.6 胶砂强度配合比试验

表3 胶砂强度配合比

序号 灰砂比 水灰比 硅粉掺量% 粉煤灰掺量% 外加剂掺量%

1 1：1.5 0.41 0 0 0

2 1：1.5 0.31 0 15 4

3 1：1.5 0.31 5 0 4

4 1：1.5 0.31 5 15 4

5 1：1.5 0.31 5 15 4

6 1：1.5 0.31 5 15 4

7 1：1.5 0.31 5 15 4

8 1：1.5 0.31 5 15 4

从表4试验数据来看，序号4-7均比空白试验及单掺粉煤灰的胶砂强度高，给混凝土配合比提供了设计依据。

表4 胶砂强度试验

项目

序号 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 流动度

7d 28d 7d 28d >300

1 8.1 9.6 38 56.7 >300

2 13.6 14.1 46.2 74.0 >300

3 14.2 15.2 76.2 87.2 >300

4 13.6 14.1 71.2 85.6 >300

5 13.5 15.4 86.2 94.0 >300

6 14.2 15.4 78.2 87.6 >300

7 13.4 15.2 68.1 94.4 >300

8 13.1 14.0 69.5 92.4 >300

3 混凝土配合比设计及试验

由于高强度混凝土要突出“高强”和“高流态”，因此，高强度混凝土的配合比设计与普通混凝土配合比有如下特点：（1）掺入高效减水剂或复合高效减水剂，减水率15%-30%，且90分钟内坍落度损失值不宜超过25%；（2）掺入粉煤灰及硅粉。粉煤灰应符合GB1596-2005标准中的一级或二级粉煤灰，硅粉SiO2含量超过90%，比表面积大于或等于20m2/g；（3）选择较小的水灰比；（4）粗骨料采用碎石，且最大粒径不宜超过25mm，针片状颗粒含量不宜超过5%，且含泥量﹤1%，软弱颗粒尽量少，压碎指标值应符合JGJ53-92要求，试模均采用100×100×100的试模，细骨料采用粗砂；（5）选择合适的砂率，河砂为宜，中粗，细度模数≥2.5，含泥量﹤2%；（6）采用强制式搅拌机，振动成型工艺；（7）湿养护（标准养护）。

3.1 确定水泥用量

选择525#硅酸盐水泥，水泥用量控制在500-550Kg范围内，因为过量的水泥用量会使单位体积骨料减少，从而使混凝土强度没有明显增加或不增加。此外过量的水泥用量还会导致混凝土后期裂缝，且也不利于降低成本。

3.2 水灰比

水灰比是控制混凝土强度的重要参数，水灰比高，虽然可以增大混凝土的坍落度，但强度下降，而采用外加剂如减水剂的办法，可将水灰比（水/水泥+硅粉+粉煤灰）降低0.3左右，而坍落度仍保持在18-22cm，以便泵送。

3.3 骨料和砂率

粗细骨料的大小、形状、强度对高强度的性能有着非常明显的影响，如选择不当将导致较大的强度差。为此经试验及调整后，采用浙江海盐秦山采石厂5～30花岗岩碎石，压碎指标8.2%，砂采用粗砂（Mx=3.0）砂率40%左右。

3.4 活性硅粉掺量

掺活性硅粉可大幅度提高混凝土强度，使混凝土更加致密，坚硬。硅粉采用细微硅粉，SiO2含量90%以上颗粒半径0.1μm，经试验掺量控制在5%。

3.5 粉煤灰掺量

粉煤灰掺量经试验确定为70Kg/m3左右。

3.6 C70混凝土试验结果

表5 C70混凝土配合比Kg/m3

序号 配合比

水灰比 水泥 砂子 碎石 硅粉 粉煤灰 外加剂 砂率

1 0.37 520 696 1044 0 0 0 40

2 0.397 520 696 1044 0 0 0 40

3 0.317 520 664 996 0 62.4 20.8 40

4 0.317 520 664 996 26.0 62.4 20.8 40

5 0.286 520 679 967 26.0 52.0 20.8 41

6 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

7 0.242 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

8 0.261 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

9 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

表6 C70混凝土配合比强度试验结果

序号 抗压强度（MPa） 坍落度cm 容重

7d 28d 60d

1 47.2 61.8 62.4 6.5 2.43

2 37.8 51.3 55.4 8.5 2.40

3 39.0 60.3 64.6 18.0 2.47

4 57.6 76.8 82.0 22.0 2.50

5 58.1 73.0 80.3 19.5 2.52

6 58.2 63.0 85.0 20.0 2.52

7 63.5 91.5 87.7 21.0 2.51

8 60.5 78.0 87.0 20.0 2.50

9 48.9 77.9 79.8 19.0 2.49

根据以上混凝土强度试验数据看出，掺硅粉及外加剂均比空白试验及单掺粉煤灰的强度有显著提高，达到C70的强度设计要求。

4 重复性试验

从表6试验数据及实际搅拌的混凝土工作性情况最终确定施工配合比（选择序号5）如下表7，并按规定进行6次重复性试验。

表7 重复性试验混凝土配合比及试验结果

施工配合比：

水灰比0.286 水泥：砂：碎石=1：1.28：2.0 水泥用量520 Kg/m3

外加剂4% 硅粉26 Kg/m3 粉煤灰87 Kg/m3 砂率41%

序号 坍落度（cm） 抗压强度（MPa）

7d 28d 60d

1 22 56.1 83.4 86.5

2 21 57.0 85.6 90.1

3 22 60.0 78.4 86.0

4 20 59.0 84.3 91.0

5 19 60.5 77.5 82.0

6 18 61.2 80.3 90.3

按GBJ107-87D的规定，这批混凝土强度应同时满足下列条件：

（1）mfcu≥1.15fcu.k

（2）fcumin≥0.95fcu.k

式中：mfcu——同一验收批混凝土立方体抗压强度平均值（N/mm2）

fcu.k——混凝土立方体抗压强度的标准差（N/mm2）

fcumin——同一验收批混凝土立方体抗压强度的最小值（N/mm2）

按28天强度对试件进行验收：

经计算：mfcu=82.9 MPa fcu.k=70.0 MPa fcumin=77.5 MPa

1.15fcu.k=80.5 MPa 0.95fcu.k=66.5 MPa

所以mfcu>1.15fcu.k fcumin>0.95 fcu.k 即同时符合（1）、（2）式，判定合格。

另外对该批混凝土增加了碳化深度、抗渗及坍落度损失试验，混凝土60天碳化深度<0.5mm，抗渗>S40，坍落度90分钟后平均损失小于85mm。

5 结论

通过试验，认为对C70以上高标号、高流动度混凝土试配，不同于C70以下混凝土配制，必须首先解决胶砂强度大幅度增长的问题，因此必须对胶砂强度增长可能性试验，以便确定所用材料能否用于正式的混凝土试配，这样可以系统地进行各种原材料的质量分析，避免盲目性，减小不必要人力、物力的投入。

这种由于小试到中试及最终试验的分级分步试验，具有可靠合理的科学性。试验证明，对C70高标号、高流动度的混凝土设计思路是正确的，技术是可行的，质量是可靠的，完全可以用于施工现场中。

参考文献

[1] 李业兰.建筑材料[M].中国建筑工业出版社，1995.

[2] 高英力，周士琼，马保国.C60超细粉煤灰高性能泵送商品混凝土的配制与工程应用[J].建筑技术， 2009年03期.

[3] 路来军.C80高性能混凝土研制及应用[J].建筑技术，1997（01）.

作者简介：丛成河（1955- ），男，中国核工业二四建设有限公司海阳核电项目部，高级工程师，从事建筑材料检测及研究。