C35自密实混凝土配合比的设计及性能研究

孟 刚 吴 超 张凯峰 黄义雄 李预奇 贺桂田

1. 中建商品混凝土西安有限公司 西安 710116；2. 中建商品混凝土有限公司 武汉 430070

一般认为自密实混凝土作为一种高性能混凝土，胶材总量至少达到500 kg/m3以上，或者设计强度等级应在C50以上，才可能达到自密实的效果，对于低强度等级低胶凝材料用量的自密实混凝土研究较少，工程应用更少。查阅相关文献资料显示[1,2]，目前低胶凝材料下的自密实混凝土胶材总量一般不低于480 kg/m3，但行业内研究比较超前的仅有巴斯夫公司的智能动力混凝土，但其价格昂贵，并未大规模推广应用[3,4]。

西安迈科商业中心位于西安高新技术产业开发区，占地约20 007 m2，总建筑面积达到19.8 万m2，地上建筑高度217.9 m，总层数43 层，项目定位为超高层国际5A甲级写字楼、五星级酒店、大型商业综合体。本工程要求C35自密实混凝土能够顺利通过Ⅰ型U型箱B型（简称L型箱），然而，C35自密实混凝土粉料用量较少，黏度偏低，容易造成粗集料沉降堵塞钢筋，难以达到自密实效果，制备满足要求的C35自密实混凝土，其技术难度大。

1 原材料及试验方案

1.1 试验原材料

水泥用冀东牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，各项性能指标检测合格；细骨料为西安渭河中砂，细度模数2.6；粗骨料为粒径5～10 m、粒径10～20 mm的碎石；掺合料为陕西渭河电Ⅱ级粉煤灰，陕西韩城电厂德龙牌S95级矿渣粉；外加剂为大连西卡缓凝型聚羧酸减水剂；拌合水为自来水。

1.2 试验方案

选用级配良好、含泥量等达标的粗细集料及合适砂率，保证混凝土的均匀性和优异工作性能；复合掺加不同的优质矿物掺和料，确定合适的粉料比例度达到混凝土适宜的黏度；选用高性能减水剂，对减水剂中引气和增稠组分的种类、掺量进行试验与调整，保证自密实混凝土优质的工作性能和保持度；通过分析，确定关键指标，包括粉料总量、胶材之间的比例、砂率、用水量及外加剂，并最终确定试验配合比。

2 配合比设计[5-8]

2.1 关键指标确定

（a）粗骨料。粗集料最大粒径不宜超过20 mm；单位体积粗集料参照自密实混凝土技术规程，适宜选取0.28～0.35。

（b）单位体积用水量、水胶比和单位体积胶材总量。单位体积用水量宜选择155～180 kg；水胶比根据粉料的种类和掺量有所不同，按体积比宜选取0.8～1.15；根据单位体积用水量和水胶比计算得到单位体积粉体总量宜为0.16～0.23 m3；自密实混凝土单位体积的浆体量宜为0.32～0.40 m3。

2.2 配合比设计

2.2.1 确定单位体积粗骨料体积用量Vg

根据自密实混凝土应用技术规范等级要求，选取为0.35，单方混凝土粗骨料体积用量为350 L，质量为960 kg。

2.2.2 确定单位体积用水量Vw、水粉比w/p和粉体体积

考虑到通过掺加粉煤灰和S95矿粉配制C35强度等级的自密实混凝土，参照普通混凝土配合比设计规程，碎石最大粒径20 mm的塑性混凝土最大单方用水量为215 kg，聚羧酸外加剂减水率约20%，综合考虑《自密实混凝土应用技术规程》（CECS203—2006），混凝土用水量宜为155～180 kg/m3，不掺加外加剂的基准混凝土单方用水量为212 kg，实际单方用水量选定170 kg，胶材体积为0.188 m3，水粉比为0.9，介于0.8～1.15之间，单位体积浆体量为0.358 m3，介于0.32～0.40 m3；

2.2.3 确定含气量

根据自密实混凝土相关资料和外加剂性能，确定含气量为2.0%，即20 L。

2.2.4 计算单位体积细骨料量

假手术组大鼠血清LDH、CK活力分别为990.12、516.33 U/L，模型组动物血清LDH、CK活力升高至2 784.60、1 688.41 U/L，与假手术组比较差异显著（P＜0.01）；与模型组比较，丹酚酸B预处理可显著降低动物血清LDH和CK活力，低、高剂量组血清LDH活力分别降低为1996.28、1890.77U/L（P＜0.05），CK活力分别降低为1123.80、1050.66U/L（P＜0.05、0.01）。见图2。

Vs=1 000-Vg-Vw-Vp-V气=1 000-320-170-200-20=272 L，Gs=750 kg。

2.2.5 计算水胶比和理论水泥用量

参照普通混凝土配合比设计规程，混凝土标准抗压强度为35.0 MPa，混凝土标准偏差取 5.0 MPa，确定混凝土配制强度为43.2 MPa。结合水泥性能实际情况，水泥抗压强度取50.0 MPa，确定混凝土水胶比为0.51。碎石最大粒径20 mm的塑性混凝土最大单方用水量为215 kg，外加剂减水率约20%，综合考虑《自密实混凝土应用技术规程》（CECS20—2006），混凝土用水量宜为155～180 kg/m3，实际单方用水量选定170 kg，不掺加外加剂的基准混凝土单方用水量为212 kg。理论纯水泥用量为334 kg，体积0.108 m3。

2.2.6 计算单位体积掺和料量和实际水泥用量

根据自密实混凝土配合比设计计算粉体总体积188 L，理论水胶比计算粉体108 L，通过矿粉和粉煤灰超量取代水泥，达到满足粉体总量的要求。综合考虑满足混凝土强度要求，同时为了达到较好的流动性适当的黏聚性，同时满足耐久性要求，维持适当的胶凝材料总量，确定矿粉和粉煤灰在胶凝材料中比例不超过40%，选取40%，最小胶凝材料用量为433 kg。调整后单方水泥用量为260 kg，单方混凝土中水泥体积为0.081 m3。

确定C35自密实混凝土基准配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶河砂∶碎石∶水∶外加剂为260∶100∶75∶750∶960∶170∶7.6。

3 试验结果与分析

3.1 粉料体系总量对自密实混凝土工作性能的影响

表1 不同胶凝材料总量下的自密实混凝土配合比（kg/m3）

表2 不同胶凝材料总量下自密实混凝土工作性能测试结果

3.2 水胶比和砂率对自密实混凝土工作性能的影响

试验研究了不同的用水量和砂率对其工作性能的影响，试验配合比及测试结果如表3、表4所示。

从试验测试结果来看，改变砂率、用水量和外加剂掺量，对新拌混凝土的坍落度/扩展度影响较小，基本能够达到260/620。但对于混凝土的出机状态、黏聚性和包裹性影响较大。

在体系本身胶凝材料总量有限的情况下，用水量和外加剂掺量稍大容易造成粗集料分层和泌浆。增大砂率可以在一定程度上增大细颗粒的总量，增大浆体总量，提高浆体粘度，有利于达到自密实性能。

3.3 粗集料尺寸和粒形对自密实混凝土工作性能的影响

试验研究了泾阳县连续级配的碎石粒径5～20 mm、粒径5～16 mm碎石单掺，粒径5～10 mm及粒径5～16 mm不同比例复配情况下对自密实混凝土工作性能的影响。试验配合比及测试结果如表5、表6所示。

表3 不同砂率和用水量的自密实混凝土配合比（kg/m3）

表4 不同砂率和用水量的自密实混凝土工作性能测试结果

表5 骨料对性能影响的自密实混凝土配合比（kg/m3）

表6 骨料对自密实混凝土的性能影响

从测试结果来看，粒径5～20 mm连续级配石子最大粒径过大，L型箱的钢筋间距约40 mm，试验中钢筋处卡塞较多的大粒径石头导致难以达到自密实的效果。单独采用粒径5～16 mm连续级配石子，由于石头本身的粒形和级配较差，L型箱高度差较大，自密实效果一般。通过调整粒径5～16 mm和粒径5～10 mm碎石的比例，在85∶15的比例下，具有较好的工作性能。

3.4 确定自密实混凝土配合比

综合考量以上各项指标，适当调整外加剂组分，最终确定了试验研究配合比为水泥∶掺合料∶砂∶石1（粒径5～16 mm）∶石2（粒径5～10 mm）∶水∶外加剂为304∶76∶912∶699∶79∶137∶7.2。

4 自密实混凝土性能检测分析

依据试验确定配合比，开展了自密实混凝土制备试验，测试了其新拌混凝土工作性能及龄期力学性能，测试结果如表7，图1、图2所示。通过测试结果可以发现，制备的混凝土性能良好，各项指标均满足要求。

5 结语

（a）从整个试验过程来看，由于C35自密实粉料相对较低，且要求通过5 根钢筋的L型箱，对混凝土的自密实性能要求高，而粉料和集料与普通的混凝土没有区别，重要设计点在于外加剂及砂率调整，同时由于钢筋间距为40 mm，故要求严格粗集料的最大粒径不大于16 mm，宜采用粒径5～13 mm连续级配碎石。

表7 自密实混凝土性能检测结果

图1 新拌混凝土工作性能

图2 混凝土通过L型箱试验

（b）由于粉料用量较少，浆体黏度小，在钢筋的阻塞下容易造成浆体与粗集料分层无法达到自密实，需要增大浆体黏度。首先，适当提高粉料中水泥和矿粉的用量，增强浆体本身黏度，其次是适当增大砂率，增大细颗粒的总量，提高黏度，最重要的在于外加剂的调整，包括引气剂和增稠剂的掺量等。

（c）试验制备了满足工程要求的C35自密实混凝土，其初始工作性能的坍落度与扩展度达到260 mm、650 mm，倒坍时间3.48 s，且经时状态良好。能较好地完成L型箱测试，T50为4.7 s，28 d强度值达到42.9 MPa。