自密实混凝土配合比设计方法和步骤

2017-09-19罗建平

东北水利水电 2017年9期

关键词：离析水胶外加剂

罗建平

（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江杭州310004）

自密实混凝土配合比设计方法和步骤

罗建平

（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江杭州310004）

自密实混凝土与普通混凝土相比，自密实混凝土关键性能特征是能够依靠自重作用冲模、密实，而不需要外力振捣，这不仅要求混凝土有较大的流动性，而且还要求有较好的粘聚性。文章从自密实混凝土原材料的选择以及自密实混凝土的配合比设计原则来研究探讨配合比设计方法，总结出了自密实混凝土的配合比设计步骤，并通过试验进行验证。

自密实混凝土；自密实性；配合比设计；设计步骤

自密实混凝土具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣或少振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。由于自密实混凝土对振捣的消除，显著降低了普通振捣混凝土施工中的噪音污染，明显改善混凝土的施工性，降低劳动成本；节约振捣机具和能耗，从而减少机械费用及人工费用，具有较好的经济效益。且在生产中需大量添加粉煤灰、粒化高炉矿渣等工业废料，又有利于资源得到有效的利用。

1 原材料的选择

1.1 水泥

配制自密实混凝土一般采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，应符合国家标准GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的规定。而对于有温控要求的大体积自密实混凝土需要选用矿渣硅酸盐水泥、中热或低热水泥，水泥需具有较低的需水性，并能与所用的高效减水剂有较好的相容性。

1.2 掺和料

自密实混凝土中掺加掺和料主要目的是改善混凝土的工作性、提高混凝土耐久性和降低混凝土水化热。可选用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等作为矿物掺和料。粉煤灰应符合国家标准GB/ T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定，自密实混凝土优先使用I级粉煤灰，也可以使用II级粉煤灰，但要控制需水量比不超过100%。粒化高炉矿渣粉应符合国家标准GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的规定，自密实混凝土宜使用S95级矿渣粉。

1.3 骨料

粗骨料宜采用连续级配或2个及以上单粒径级配搭配使用，最大公称粒径不宜大于20 mm；对于结构紧密的竖向构件、复杂形状的结构以及有特殊要求的工程，粗骨料的最大粒径不宜大于16 mm。粗骨料中的针片状颗粒含量对自密实混凝土间隙通过性影响较大，其含量不宜超过8%，粗骨料含泥量及泥块含量应分别小于1.0%，0.5%。

细骨料宜采用级配II区的中砂，天然砂的含泥量、泥块含量以及人工砂的石粉含量应符合标准JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的规定。

1.4 外加剂

外加剂性能应符合GB8076-2008《混凝土外加剂》和GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》中的有关规定。外加剂应具有较大的减水率、较好的缓凝保塑性。

对于有抗冻要求的自密实混凝土需掺加引气剂，其掺量应控制含气量不超过5%为限，含气量过大不仅会严重降低混凝土强度，而且会影响到自密实混凝土的流动性。

自密实混凝土拌合物因流动度大常有离析现象，一般在外加剂中掺加增稠剂来解决，增稠剂应用最多的有纤维素醚和甲基纤维素两种。

2 自密实混凝土拌合物性能试验方法

自密实混凝土拌合物除应满足普通混凝土拌合物工作性外，还应满足自密实性能要求。自密实混凝土自密实性能包括：填充性能、抗离析性能、间隙通过性能。其中填充性能是自密实混凝土拌合物的必检项目，对高流动高填充性的自密实混凝土，应有抗离析性能要求。

填充性能：用坍落扩展度和扩展时间T500检测与判别。填充性能是自密实混凝土拌合物控制性指标，按施工难易程度分为3个性能等级，①无配筋或少配筋的混凝土结构物、泵送浇筑施工的工程、截面较小无需水平长距离流动的竖向结构物，坍落扩展度要求在550～655 mm；②一般的普通钢筋混凝土结构，坍落扩展度要求在660～755 mm，扩展时间T500不小于2 s；③结构紧密的竖向构件、形状复杂的结构，粗骨料最大粒径不大于16 mm，坍落扩展度要求在760～850 mm，扩展时间T500不大于2 s。

抗离析性能：用离析率判别。抗离析性能是自密实混凝土拌合物自密实性能可选指标，按流动距离和钢筋密集程度分为2个性能等级，①混凝土流动距离小于5 m、钢筋净距大于80 mm的薄板和竖向结构，离析率不大于20%；②混凝土流动距离大于5 m、钢筋净距大于80 mm的竖向结构，离析率不大于15%；当混凝土流动距离大于5m、钢筋净距小于80 mm的竖向结构，离析率宜小于10%。

3 自密实混凝土配合比设计原则

配制自密实混凝土主要平衡高流动性和抗离析性之间的矛盾，通过试验正确选择砂、石体积是自密实混凝土配合比设计中的主要参数指标。自密实混凝土配合比设计原则主要包括以下4条：

和易性要求：自密实混凝土不仅具有流动性、粘聚性和保水性，而且要具有自密实性。

强度要求：符合设计要求的强度等级。

耐久性要求：自密实混凝土由于胶凝材料和用水量较大，导致收缩也大，因此必须处理好自密实性、力学性和体积稳定性等方面的关系。

经济性要求：在确保和易性、强度和耐久性要求的前提下，尽量减少水泥和外加剂用量。

4 自密实混凝土配合比设计方法和步骤

4.1 确定单方混凝土中粗骨料和细骨料用量

配制自密实混凝土配合比时，在水胶比、用水量与胶凝材料用量确定的情况下，粗骨料的体积是影响混凝土拌合物和易性的重要因素。经过大量试验成果表明，中低强度自密实混凝土每方用量中粗骨料密实体积宜控制在0.28～0.35 m3。粗骨料体积含量过小时，会显著降低混凝土弹性模量等力学性能；粗骨料体积含量过大时，则会显著降低混凝土拌合物的和易性，不能满足自密实性能的要求。

除粗骨料外，自密实混凝土中的砂浆性质对混凝土拌合物和易性起到关键作用。而砂浆中砂的体积分数能显著影响砂浆的稠度，从而影响到混凝土拌合物的和易性。通过试验统计，中低强度自密实混凝土砂浆中砂的体积分数在0.42～ 0.45之间为宜。过大会降低混凝土的强度和影响混凝土自密实性能；过小则会造成混凝土收缩，体积稳定性差。

1）粗骨料用量确定

选定每立方米混凝土中粗骨料体积，测定粗骨料的表观密度，可求出每方混凝土中粗骨料用量。计算公式为：

式中：Mg——每方混凝土中粗骨料用量，kg；ρg——粗骨料的表观密度，kg/m3；Vg——每方混凝土中粗骨料体积，m3。

2）细骨料用量确定

式中：Vm——每方混凝土中砂浆体积，m3；Vg——每方混凝土中粗骨料体积，m3。

选定砂浆中砂的体积分数θs，测定细骨料的表观密度ρs，可求出每方混凝土中砂的体积Vs和质量Ms。计算公式：

式（3）（4）中：VS——每方混凝土中砂的体积，m3；Vm——每方混凝土中砂浆体积，m3；θs——砂浆中砂的体积分数，取值在0.42～0.45；Ms——每方混凝土中砂的质量，kg；ρs——细骨料的表观密度，kg/m3。

4.2 计算自密实混凝土配制强度及水胶比

根据自密实混凝土的设计强度等级，按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的规定选取混凝土强度标准差,可得出自密实混凝土配制强度,计算公式如下：

式中：fcu，o——混凝土配制强度，MPa；fcu，k——混凝土设计强度等级，MPa；σ——混凝土强度标准差，MPa。

自密实混凝土水胶比与混凝土配制强度以及工程所用的原材料密切相关，可通过试验建立水胶比与自密实混凝土抗压强度关系式求得。当不具备上述试验统计资料时，也可按下式计算：

式中：W/B——混凝土水胶比；fce——水泥实测抗压强度，MPa；β——矿物掺合料掺量质量分数；y——矿物掺合料胶凝系数；粉煤灰（≤0.3）可取0.4，矿渣（≤0.4）可取0.9；fcu，o——混凝土配制强度，MPa。

4.3 计算单方混凝土用水量

单方混凝土中水泥浆体积Vp等于1 m3混凝土拌合物中砂浆体积Vm减去砂体积Vs求出，计算式如下：

单方混凝土用水量按照体积计算法的公式来计算，如下式所示：

式中：Vw——单位用水量体积，m3；Vp——水泥浆体积，m3；Vo——拌合物含气量，可考虑2%的含气量，m3；ρc，ρm——水泥、矿物掺和料表观密度，g/ cm3；β——矿物掺合料掺量质量分数；B/W——胶水比，即水胶比的倒数。

根据求出的单位用水量体积Vw，乘以水的密度(1 000 kg/m3)算出单方混凝土中的用水量Mw。

4.4 计算胶凝材料用量

通过以上公式得出的水胶比和单位用水量，即可求出单方混凝土中胶凝材料总用量，根据胶凝材料中矿物掺和料的质量分数，得到单方混凝土中矿物掺和料质量和水泥的质量。如下式所示：

式中：Mb——单方混凝土胶凝材料总用量，kg；Mw——单方混凝土用水量，kg；W/B——水胶比；Mm—单方混凝土矿物掺合料用量，kg；β——矿物掺合料掺量质量分数；Mc——单方混凝土水泥用量，kg。

4.5 外加剂掺量

由于每种外加剂对自密实混凝土工作性能的影响各不相同，试验中可按照经验及自密实混凝土的工作性能来调整掺量。

4.6 自密实混凝土配合比的试配、调整

根据上述计算得到初步混凝土配合比进行试拌，检查拌合物自密实性能的填充性、间隙通过性和抗离析性。当自密实性能满足要求时，需制作28 d龄期混凝土抗压强度试件，如果拌合物自密实性能不能满足要求时应加以调整，应在保证水胶比不变的原则下合理调整胶凝材料用量、外加剂用量或砂的体积分数，直到符合要求为止。

5 自密实混凝土配合比设计实例

5.1 自密实混凝土性能设计要求

强度等级：C40

坍落扩展度：650 mm±50 mm

5.2 原材料性能

台泥重庆水泥厂生产的台泥牌P.O42.5级水泥，实测强度为49.0 MPa，水泥密度为3.08 g/cm3；重庆华珞电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰密度为2.24 g/cm3；粗骨料为碎石，5～20 mm连续级配，表观密度2.65 g/cm3；细骨料为河砂，细度模数2.70，表观密度2.65 g/cm3；外加剂为江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；拌合用水为饮用水。

5.3 初步配合比设计

按照上文自密实混凝土配合比设计方法和步骤，1 m3自密实混凝土中粗骨料密实体积取0.32 m3，砂浆中砂的体积分数取0.42，粉煤灰掺量质量分数为0.3，减水剂掺量通过试验确定，经过计算，得到C40自密实混凝土初步配合比如下：水胶比为0.34，水泥为368 kg/m3，粉煤灰为158 kg/m3，石子为848 kg/m3，砂子为768 kg/m3，单位用水量为179 kg/m3，苏博特聚羧酸高效减水剂掺量为1.2%。

5.4 试验验证

按照上文计算得到的初步自密实混凝土配合比进行混凝土试拌，测试拌合物的自密实性能以及28 d龄期硬化抗压强度，验证结果表明：混凝土拌合物自密实性能优良，混凝土拌合物坍落扩展度为660 mm，扩展时间T500为2.3 s，离析率为17.5%，28 d立方体抗压强度为48.5 MPa，达到了配制强度要求，同时满足自密实混凝土工作性能要求。