基于工作性能的纤维纳米混凝土配合比设计方法

赵亮平，高丹盈，王丽，周长伟

（1.郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州 450002；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北武汉 430034）

基于工作性能的纤维纳米混凝土配合比设计方法

赵亮平1，高丹盈1，王丽2，周长伟1

（1.郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州 450002；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北武汉 430034）

采用基于工作性能的纤维纳米混凝土配合比设计方法，测定了纳米材料和钢纤维体积率对水泥浆体富余系数和砂浆富余系数的影响，提出了纤维纳米混凝土的最优配合比．结果表明，该方法具有试验量小、适用性广的优点，能为纤维纳米混凝土的工程应用提供参考．

配合比设计;工作性能;纳米材料;水泥浆体富余系数;砂浆富余系数

近年来，纤维在细观层面的增强增韧效果得到了广泛的认可．纳米材料在微观层面对混凝土的改善作用也得到越来越多的关注．在纤维混凝土中加入纳米材料，配制而成的纤维纳米混凝土兼具了二者的优点，实现了细观增强和微观增强的复合化．然而目前纤维混凝土和纳米混凝土配合比设计方面的研究都比较少．因此，有必要针对性地研究和探讨纤维纳米混凝土的配合比设计．

纤维混凝土的配合比设计较之于普通混凝土更加复杂，离散性也更大，不同研究者的试验结果往往有较大差异．相比纤维混凝土，纤维纳米混凝土中影响配合比设计的因素更多，应用传统配合比设计方法试验量较大，且所得结果的广泛适用性难以保证．鉴于此，本文采用基于工作性的配合比设计方法，研究纳米材料和纤维对混凝土工作性的影响，进而得到满足工作性能要求的纤维纳米混凝土的最优配合比．

1 基于工作性的配合比设计方法

基于工作性能的纤维纳米混凝土配合比设计分为3步[1]：

第1步：确定水胶比．按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[2]选定水胶比．

式中：mw为拌合水质量，mb为胶凝材料（包括纳米材料）质量．

第2步：确定砂浆中水泥浆体富余系数．

式中：Vp为水泥浆体体积，m3；Vos为细骨料松堆时的空隙体积，m3．

第3步：确定混凝土中砂浆富余系数．

式中：Vm为砂浆体积，m3；Vog为粗骨料松堆时的空隙体积，m3．

显然，为了保证砂浆和混凝土的工作性，水泥浆体富余系数和砂浆富余系数都应大于1．纳米材料的加入会影响水泥浆富余系数，而钢纤维的加入则会影响砂浆富余系数．

2 试验概况

试验采用42.5普通硅酸盐水泥；粒径为5～20 mm、连续级配的碎石；级配良好的中砂，细度模数为2. 68；端钩型钢纤维，长径比55，抗拉强度1 250MPa；纳米SiO2（NS）：平均粒径30 nm，比表面积(200 ±10)m2/g，表观密度40～60 g/L，杂质含量＜0.5%；纳米CaCO3（NC）平均粒径15～40 nm，pH值8.0～9.0，比重2.5～2.6 g/cm3，杂质含量2.5%；拌合水为饮用自来水；聚羧酸盐高效减水剂，减水率20%～30%．2.1水泥浆体富余系数

按JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》选定C40、C60、C80混凝土的水胶比分别为0.47、0.31、0.27，相应减水剂掺量分别取水泥质量的0.75%、1.0%、1.25%．C40、C60、C80混凝土分别取水泥浆体富余系数2.4、2.6、2.8作为初始值，计算对应的砂子质量，以及水泥浆体富余系数每降低0.1对应的砂子质量．

按确定的水胶比和初始浆体富余系数配制砂浆并测定砂浆扩展度．水泥浆体富余系数降低0.1，加入对应的砂子，再次搅拌并测定扩展度，如此往复，直至砂浆的扩展度有非常显著的下降，取前一次的值作为最佳水泥浆体富余系数．以C60混凝土为例，最佳水泥浆体富余系数为1.9，见图1．

图1 不同水泥浆体富余系数对应的砂浆扩展度Fig.1 The slump flow ofmortar for differentsurplus coefficientof paste

考虑Nano-SiO2的影响，分别用0.5%、1.0%和1.5%的Nano-SiO2替代水泥，用相同的方法测定相应的水泥浆体富余系数，从而得出Nano-SiO2掺量对水泥浆体富余系数的影响．以有资料表明，Nano-CaCO3对混凝土流动性的影响较小，作为验证，仅测定3.0%的Nano-CaCO3替代水泥时的水泥浆体富余系数．

2.2 砂浆富余系数

按水泥浆体富余系数试验确定的最优砂浆组分作为基质，取砂浆富余系数2.4作为初始值，计算出相应的石子质量，及砂浆富余系数每降低0.2对应的砂子质量．按初始砂浆富余系数，将水泥、水、砂子和石子放入强制式混凝土搅拌机中配制混凝土．按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌和物性能试验》[3]的要求测定混凝土拌和物的坍落度和扩展度．

砂浆富余系数降低0.2，再次搅拌并测定坍落度和扩展度，如此往复，直至混凝土的坍落度和扩展度不满足工作性能的要求，取前一次的砂浆富余系数作为最佳砂浆富余系数值．以C60混凝土为例，最佳砂浆富余系数为1.8，见图2．

考虑钢纤维体积率的影响分别掺加0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的钢纤维，用相同的方法测定相应的砂浆富余系数，从而得出钢纤维体积率对砂浆富余系数的影响．

图2 不同砂浆富余系数对应的混凝土扩展度Fig.2 The slump flow of concrete fordifferentsurp lus coefficientofmortar

3 试验结果分析

3.1水泥浆体富余系数

混凝土基体强度等级和Nano-SiO2掺量对水泥浆体富余系数的影响分别见图3和图4．由图3和图4可见，随混凝土强度等级和Nano-SiO2掺量增大，浆体富余系数均明显增大．已有研究表明，Nano-CaCO3对混凝土流动性的影响不大，本文的试验结果也验证了这一点，如图3a）所示，Nano-CaCO3掺量达到3%，但其流动性与未掺加时相比没有明显变化．

图3 混凝土基体强度等级对水泥浆体富余系数的影响Fig.3 The influence ofmatrix strength gradeon surplus coefficientof paste

图4 Nano-SiO2对水泥浆体富余系数的影响Fig.4 The influenceof Nano-SiO2on surplus coefficientof paste

3.2 砂浆富余系数

未掺加Nano-SiO2和钢纤维时，强度等级对砂浆富余系数的影响见图5．可以看出，C40和C60混凝土的扩展度和坍落度相近，C80混凝土则有明显降低．掺加1.0%的Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的砂浆富余系数见图6．加入Nano-SiO2后，C40和C60混凝土的扩展度和坍落度均有所减小，砂浆富余系数越低，降幅越明显．

钢纤维体积率超过1.0%后，混凝土的扩展度很小，因此，钢纤维对体积率对砂浆富余系数的影响仅测定了混凝土的坍落度，见图7．随钢纤维体积率增大，混凝土的坍落度明显降低．C40混凝土按坍落度不小于50 mm来确定砂浆富余系数，钢纤维体积率每增大0.5%，砂浆富余系数增大0.1．C60混凝土按坍落度不小于35mm来确定砂浆富余系数，钢纤维体积率每增大0.5%，砂浆富余系数增大0.1．

3.3 纤维纳米混凝土配合比

在普通混凝土配合比的基础上，纤维纳米混凝土的配合比可按如下方法设计：对于C40混凝土，钢纤维体积率每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加7 kg，砂率不变．对于C60混凝土，钢纤维体积率每增大0.5%，用水量增加4 kg，砂率增大1.2%．Nano-SiO2每增大0.5%，用水量增加5 kg，砂率不变．

图5 混凝土基体强度等级对砂浆富余系数的影响Fig.5 The influence ofmatrix strength grade on surpluscoefficientofmortar

图6 Nano-SiO2对砂浆富余系数的影响Fig.6 The influenceofNano-SiO2on surpluscoefficientofmortar

图7 钢纤维体积率对砂浆富余系数的影响Fig.7 The influence of volume fraction of steel fiber on surp lus coefficientofmortar

4 结论

1）基于工作性能要求，提出了纤维纳米混凝土配合比设计方法．该方法通过引入浆体富余系数和砂浆富余系数，将部分混凝土的工作性试验转化为水泥砂浆的试验，减少了试验量．

2）水泥浆体富余系数和砂浆富余系数的值稳定，应用于其他试验或工程时只需测出方便量测的材料基础数据即可，具有普遍适用性．

3）试验结果既反映出纳米材料和钢纤维对水泥浆体富余系数和砂浆富余系数的影响，也可换算成纳米材料和纤维对用水量和砂率的影响，得出纤维纳米混凝土的最优配合比．

[1]韩小华．基于工作性的混凝土配合比设计方法研究[D]．北京：清华大学，2010：60-63．

[2]JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011：9-16．

[3]GB/T50080-2002，普通混凝土拌和物性能试验[S]．北京：中国建筑工业出版社，2003：9-10．

[责任编辑 杨屹]

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concrete based onworkability

ZHAO Liang-ping1，GAO Dan-ying1，WANG Li2，ZHOU Chang-wei1

(1.Research Centreof New StyleBuildingM aterialand Structure,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou450002,China;2.Hubei ShuizongWater Resource and Hydropower Construction Co Ltd,HubeiWuhan 430034,China)

M ix proportion design of fiberand nanometermaterials reinforced concretebased onworkabilitywasadopted to determine theeffectsofnano-materialsand volume fraction ofsteel fiberon surpluscoefficientofpasteand surpluscoefficientofmortar.Theoptimalmix proportion of fiberand nanometermaterials reinforced concretewasproposed.The resultsshow thatthismethod can provide reference forengineeringapplication of fiberand nanometermaterials reinforced concretew ith less testsbutaw ideapplicability.

m ix proportion design of concrete;workability;nanometermaterials;surplus coefficientof paste;surplus coefficientofmortar

TU 528.572

A

1007-2373(2014)06-0089-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.023

2014-06-17

国家自然科学基金（51178434）

赵亮平（1986-），男（汉族），博士生．Email：zhaolp19862@163.com．