浅谈高强混凝土配合比设计中原材料的选择

2015-04-16廖振标

建材与装饰 2015年14期

关键词：高强减水剂原材料

廖振标

（南平市公路工程试验检测中心）

浅谈高强混凝土配合比设计中原材料的选择

廖振标

（南平市公路工程试验检测中心）

高强混凝土成品结构从原材料选择到最终成品要经历原材料选择、配合比设计、混合料搅拌、混合料运输、混合料振捣、成品养生、成品保护等环节。选材作为高强混凝土配合比设计的首要环节，原材料选择的好坏直接影响水泥混凝土的工作性和强度发展要求。

高强混凝土；原材料；选择

前言

水泥混凝土是一种复杂的非匀质材料，其硬化体至少包含粗、细集料、未水化的水泥颗粒、氢氧化钙及其它结晶颗粒、水泥凝胶、凝胶孔隙，毛细管、孔隙水及气泡等各种组分，要配制出高强度的混凝土，首先必须研究影响强度的主要因素及其规律，从而可以看出影响混凝土强度的因素也是非常复杂的。特别是原材料不同的混凝土，其强度差异高低也很大。

高强混凝土成品结构从原材料选择到最终成品要经历原材料选择、配合比设计、混合料搅拌、混合料运输、混合料振捣、成品养生、成品保护等环节。选材作为高强混凝土配合比设计的首要环节，原材料选择的好坏直接影响水泥混凝土的工作性和强度发展要求。笔者通过多年从事高速公路水泥混凝土配合比设计工作实践经验，就高强混凝土配合比设计中原材料的选择做些工作交流。

1　胶凝材料

胶凝材料是影响水泥混凝土强度的主要因素。从观察和研究水泥混凝土的破坏过程可知，对于采用优质骨料配制的混凝土，其破坏常常发生在水泥石与骨料的界面处。换而言之，水泥混凝土的强度主要取决于水泥石与骨料的粘结力。因此在水泥混凝土材料中，选择胶凝材料是非常重要的，它不仅要把骨料粘结在一起，而且本身硬化后还必须具有高的强度，以承受荷载，骨料能否发挥作用，与胶凝材料本身强度和粘结力有很大关系。

1.1水泥品质

配制高强混凝土，应采用矿物组成合理、细度合格的高强度等级的水泥，但并非所有的水泥都能用于生产高强混凝土。

1.1.1水泥的品种和强度等级

一般常选用品质稳定、强度等级较高的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，因为可以获得较高的最终强度。过去，配制高强混凝土时比较困难的，在选择水泥时，水泥的强度等级往往是水泥混凝土对应强度等级的0.9～1.5倍，也即是说水泥的强度等级一般应高于相对应得混凝土强度等级，或者是略低于混凝土的强度等级。现阶段在我国，随着材料性质及工艺方法的改进，尤其是外加剂的广泛应用，配制高强混凝土也将更加容易。

1.1.2水泥的矿物组成和细度

水泥的选择能影响混凝土的强度。要求水泥具有较高的C3S含量和细度（3500～4000cm2/g）的特性。水泥在使用前，磨得愈细，比表面积愈大，水化反应更充分，强度愈高。较高的硅酸三钙（C3S）含量和细度虽然是水泥强度的决定因素，但二者并非唯一的决定因素。合适的水泥理应通过试验确定。如果不说水泥均匀性比强度更为重要，至少均匀性也与潜在强度的获得具有同样的重要性。

1.2水泥用量

生产高强混凝土，胶凝物质的数量是至关重要的。它直接影响到水泥石与界面的粘结力。从施工要求讲，也应具有一定的工作度。为了增加砂浆中胶凝材料的比例，水泥用量要高，但一般不宜超过500kg/m3范围内，否则，易于引起水化期间散热太慢或收缩量过大等问题。日本的一项资料认为，当用高效减水剂配制高强混凝土，水泥用量超过450kg/m3时对强度增长的作用已不显著。只要经济上可行，就应减少水泥用量，最好是掺加一部分高质量的粉煤灰或者其它粉状硅质材料（水泥与混合材料的总量不超过550～600kg/m3，粉煤灰掺量不宜超过胶结料重量的15%，沸石粉不宜超过10%，硅粉宜控制在3～8%）来提高混凝土强度，把水化放热和干缩负作用减少到最低限度。

经验表明，通过对各种水泥进行试配，来确定制备高强混凝土所用水泥的种类和数量。在满足既定抗压强度的前提下，以经济适用作为选择水泥的依据。为了使水泥用量最小，要求集料应有最佳级配，并在拌制过程中保持均匀。

2　优质骨料

水泥混凝土的骨料有细集料和粗集料之分。配制高强混凝土，应选用坚硬、高强、密实而无孔隙和软弱杂质的优质骨料。

2.1细集料

在混凝土混合物中含砂量较大，相对地使用中砂或粗砂，最好是圆形颗粒级配良好的天然河砂，可以避免混凝土过于干硬。通常宜使用级配良好的中砂，细度模数宜控制在2.6～3.0之间，含泥量应不大于1.0%，并尽可能降低含砂率，高强混凝土的砂率宜根据现场施工需要控制在相关规范要求（采用现场预制工艺宜控制在34%以下，采用泵送现浇工艺宜控制在34～40%之间）的范围内。混凝土拌合物也不应太干硬，因为过于干硬的混凝土不便于现场浇筑。

在高强混凝土组成中，细集料所占比例同样要比普通强度混凝土所用的量要少些。另外，砂的化学成分含量也是非常重要，技术指标应严格控制，以采用洁净的石英质河砂为佳。

2.2粗集料

粗集料在混凝土的组织结构中起主要骨架作用。

粗集料对混凝土强度的影响主要取决于：水泥浆及水泥砂浆与集料的粘结力、集料的弹性性质、混凝土混合物中水上升时在集料下方形成的“内分层”状况、集料周围的应力集中程度等。对高强混凝土来说，粗集料的重要优选特性是：抗压强度、表面特性及最大粒径等。配制高强混凝土应选用硬质高强集料，粗集料应选择坚硬岩石轧制的碎石，碎石宜近似立方体，有棱角以及形成具有高内摩擦力的骨架，表面组织应粗糙，使其与水泥石具有良好的粘结力。

2.2.1粗集料的抗压强度

为了制备高强度混凝土，要优先采用抗压强度高的粗集料，以免粗集料首先破坏。当集料的母材抗压强度大于混凝土的强度时，集料的质量对混凝土的强度影响不大，但含有多量的软弱颗粒和针、片状石料时，混凝土的强度会大大降低。

在许多情况下，集料质量可以是限制得到高强混凝土的主要因素。所以，在试配混凝土之前，应合理地确定各种粗集料的抗压强度，并应尽量采用优质集料。按规范要求，配制高强混凝土时，必须采用岩石抗压强度指标大于2.0的粗集料，即：

强度指标=岩石抗压强度/混凝土强度等级≥2.0

所以，最好采用密致的花岗岩、辉绿岩、大理石等作集料，粒型应坚实并带有棱角，集料级配应在相关规范要求范围内，但是，值得一提的是，即是采用最坚硬的粗集料，也未必能配制出强度最高的混凝土，因为水化水泥与集料的粘结也必须考虑在内。

2.2.2粗集料的表面特性

因为混凝土初凝时，水化水泥与粗集料的粘结是以机械式为主，所以要配制高强混凝土，应采用立方体的碎石，针片状含量应不大于5%，同时碎石的表面必须干净而无粉尘，否则要影响混凝土内部的粘结力。必要情况下，应对集料进行冲洗，将含泥、含粉量降低到最低限度。

2.2.3粗集料的最大粒径

试验研究表面，用以制备高强混凝土的粗集料，其最大粒径与所配制的混凝土最大抗压强度有一定的关系。为使表面积增加的多（因而可改善总的粘结作用），集料最大粒径（方孔筛）一般要低于19mm。通常用粒径为4.75～16的集料可得到最大强度，采用4.75～9.5mm或4.75～16mm粒级的集料是最适宜的。

3　拌合用水

通常，拌合用水的数量应减到最低限度。在目前生产强度等级大部分为42.5～52.5的水泥条件下，为了节约水泥和正确利用水泥，在绝大多数情况下配制高强度混凝土，要求利用水灰比较小的干硬性混凝土。一般取水灰比0.24～0.38左右。

在拌制混凝土用的水中，不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，其质量应符合《混凝土拌合用水标准》（JGJ63-2006）的规定。一般来说，如果对水质有疑问时，应检验下列指标：

（1）硫酸盐含量（按SO42-计）小于0.0027mg/mm3；

（2）含盐量不得超过0.005mg/mm3；

（3）pH值不得小于5；

（4）不得含有油污、泥和其他有害杂质。

4　外掺料

用于高强混凝土的矿物掺合料可包括粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、钢渣粉和磷渣粉。粉煤灰应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596）中Ⅰ级或Ⅱ级的F类粉煤灰的规定要求，粒化高炉矿渣粉应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046）的规定，钢渣粉应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/ T20491）的规定，磷渣粉应符合现行行业标准《混凝土用粒化电炉磷渣粉》（JG/T317）的规定，硅灰应符合现行国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736）的规定。

5　减水剂

减水剂（又称塑化剂），特别是高性能减水剂，具有一定的引气性，较高的减水率和良好的坍落度保持性能，掺入混凝土中，特别是干硬性混凝土中，可提高混凝土的流动性。与其他减水剂相比，高性能减水剂在配制高强度混凝土和高耐久性混凝土时，具有明显的技术优势和较高的性价比。如果保持施工要求的流动性不变，则可通过减少单位用水量，降低混凝土混合物的水灰比，从而取得提高强度和密实度的效果，高效减水剂的掺量宜为胶结料的0.5～1.2%的范围内，减水率应大于28%以上。

无论选用何种高效减水剂，使用前一定要结合工程进行高效减水剂的质量复试以及和水泥的相容性试验。