牧原公司抗腐蚀混凝土配合比实验初步研究

马孟会 杜红伟

[摘 要]随着科学技术的不断发展，混凝土的用途也随之广泛，已经渗入到当今社会的各大领域。本论文主要介绍了混凝土配合比设计的基本原则和方法，并举例说明了混凝土配合比设计的整个过程及注意事项。通过大量的实验確定出满足工程各项技术经济指标要求的组成材料的用量。

[关键词]混凝土配合比；技术经济指标；抗压；抗磨；抗腐蚀；抗渗

中图分类号：G581 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0338-02

0 引言

混凝土配合比设计就是要确定出每立方米混凝土中各组成材料的用量。混凝土配合比设计主要有两个目的：（1）得到符合性能要求的混凝土；（2）在尽可能低的成本下获得满足性能要求的混凝土。

1 基准混凝土配合比的计算

为了进一步提高混凝土的各项性能，需要我们对牧原集团所提供的混凝土配合比进行更深一步的调整和设计，具体设计指标如下：

抗压强度要求：混凝土28d试配抗压强度≥40MPa；

耐磨性能要求：28d龄期单位面积磨损耗量不大于3.5kg/m2；

抗渗等级要求：P8；

抗酸腐蚀性能要求：180d时在硫酸的腐蚀下混凝土抗压强度下降率≤0.6；

坍落度要求：混凝土坍落度在75～90mm之间。

牧原公司的使用环境要求混凝土具有一定的耐磨性、抗渗性和抗腐蚀性。所用原材料情况如下：

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，水泥密度ρoc=3100kg/m3，强度等级标准值的富余系数为1.16；

粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，ρf=2200kg/m3；

骨料：粗骨料采用粒径范围为5～31.5mm的碎石，符合连续级配，石子的表观密度为ρog=2650kg/m3；细骨料采用细度模数为2.63的细砂，表观密度为ρos=2600kg/m3；

水：拌合水中各物质满足《混凝土用水标准》；

外加剂：选用木钙减水剂。

实验时所选用的实验方法如下：

抗压强度试验采用 GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的规定；

抗渗试验采用GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能耐久性能实验方法标准》中的规定采用逐级加压法；

耐磨试验采用JTGE3 0-200《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的规定；

抗硫酸腐蚀试验提高硫酸溶液浓度的加速腐蚀法；

混凝土坍落度、含气量、以及表观密度的测得采用GB50080-202《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的规定。

1.初步计算混凝土配合比

计算混凝土的配置强度（fcu，0）：fcu，0=30+1.645×5=38.225MPa。确定水胶比（W/B）：对于碎石，αa=0.53，αb=0.2，fb=1.16×42.5=49.3MPa。水胶比W/B=αafb/（fcu，0+αaαbfb）=0.53×49.3/（38.225+0.53×0.2×49.3）=0.6，参考文献[1]，由于建筑物所处环境情况，水胶比暂取0.53。计算用水量（mwa）：对于粒径为31.5mm的碎石混凝土，当所需坍落度为75～90mm时，1m3混凝土的用水量可选用205kg，参考表1[5]。计算混凝土的水泥用量（mco）：mco=mwa/（W/C）=205/0.53=387kg，查表2[5]，对应水胶比0.55，最小水泥用量300kg，故可取mco=387kg。 选择砂率（βs）：查文献砂率的取值范围一般为35%～40%，故暂取砂率为35%。体积法计算砂石用量（ms0，mg0）： mc0/3.1+mW0/2.65+mS0/2.6+mg0/1+101=1000，mS0/（mS0+mg0）×100%=35%，解此联立方程，mg0=1128kg，mS0=609kg。故mc0：mS0：mg0：mwa=387：609：1128：205，适配测得混凝土坍落度为81mm，符合要求，混凝土的表观密度为2367kg/m3，接近理论密度，含气量0.9%，不需调整。

2 在基配基础上加入减水剂和掺和料

（1）加入木钙减水剂

木钙减水剂的掺量为0.25%[6]，减水率为12%，计算配合比如下：水泥用量不变即为387kg；用水量mwa=205×（1-12%）=180kg；水灰比W/C=180/387=0.465；减水剂用量ma0=387×0.25%=0.97kg；仍按砂率35%计算，计算得mS0=633kg，mg=1175kg；经试拌，坍落度满足要求，测得混凝土表观密度为2338kg/m3，δ=2375/2338=1.016<1.02，含气量2.2%，标准养护下混凝土28d强度fcu，k=0.465×fce（W/C-0.07）=41.1MPa>30MPa，满足强度要求，因此不需调整，配合比为mc0：mS0：mg0：mw0=387：633：1175：180。

（2） 加入掺和料，采用等量取代法，采用12.5级普通硅酸盐水泥粉煤灰等量取代水泥百分率fm=30%。计算粉煤灰掺量F=mc0×fm=387×30%=116kg，C=387-116=271kg；用水量W=mw0/mc0×（C+F）=180kg；水泥和粉煤灰的浆体体积Vp=C/ρC+F/ρf+W/ρw=271/3.1+116/2.2+180/1=320kg；集料总体积VA=1000（1-α）-VP=1000×（1-2.2%）-320=658L，因加入了木钙减水剂，混凝土的含气量变为2.2%[3]，计算砂石用量S/2.65+G/2.6=658，S/（S+G）=35%，S=607kg，G=1124kg。掺入粉煤灰后混凝土的配合比为C：F：S：G：W=271：116：607：1124：180.测得表观密度为2455kg/m3，含气量2.2%，因加入粉煤灰会增加混凝土坍落度，经调整满足要求的混凝土配合比为C：F：S：G：W=241：103：640：1185：161。

（3）作用机理分析

减水剂主要是用来降低混凝土中水的比例，达到减水效果，降低水胶比，从而减少混凝土在水分蒸发后留下的空隙，增进了混凝土微观结构的密实性，即提高了混凝土的抗压强度；粉煤灰作為参和料不仅可以取代部分水泥，减少混凝土的水泥用量、降低成本，而且还可以减少混凝土的单位用水量，同时粉煤灰的微集料具有填充作用，从而改善混凝土的各项性能。

3 砂率对混凝土性能的影响

3.1 计算不同砂率混凝土的配合比

在规范允许范围内，改变砂率，实验观察测得混凝土性能的改变。分别再计算砂率为36%、37%、38%、39%、40%时混凝土的配合比。由加入减水剂和粉煤灰的配合比可知mc0=241kg，mw0=161，mf0=103kg，带入mc0/ρC+mf0/ρf+mW0/ρW+mS0/ρS+mg0/ρg+2.2×10=1000，mg0/（mg0+mS0）=36%，将数据代入方程式241/3.1+mg0/2.65+mS0/2.6+103/2.2+161/1+22=1000，mS0=0.56mg0，计算得C：F：S：G：W=341：103：657：1167：161。计算剩余砂率，并将数据计入表3。

3.2 不同砂率对混凝土性能的影响

对按不同砂率拌制的混凝土分别进行28d养护的抗压、抗渗、耐磨实验、180d养护的抗酸腐蚀实验，表4中的数据是同一个试验中6个试件实验数据的平均值。

（1）混凝土的抗压试验：试验表明：在合理的砂率范围内，随着砂率的提高混凝土的抗压强度先提高后降低，因此存在一个最佳砂率。砂率在最佳砂率的基础上减小，混凝土的黏聚性和保水性均下降，混凝土的抗压强度降低；砂率增大，抗压性和黏聚性提高，但是当砂率过大时，水泥砂浆不足以包括骨料表面，黏聚性反而下降，混凝土的抗压强度降低。混凝土主要用来承受压力，牧原集团要求的首项混凝土性能就是混凝土的抗压性能。抗压混凝土的配合比设计是根据实际工程对混凝土强度的要求、各种配合物的技术性能及现场施工时的施工条件，选择合理的材料、确定出抗压混凝土各配合物用量之间比例关系。

（2）混凝土的抗渗试验：试验表明：随着砂子的含量在混凝土中的增加，其抗渗强度不断增强。砂率的提高改变了混凝土中细颗粒的表面积，使混凝土的密实度增加。但增加砂率时需要考虑混凝土的和易性，黏聚性和坍落度[2].施工经验所得，在砂中加入一定量的石粉，有利于提高混凝土的抗渗性。抗渗混凝土又称为防水混凝土，抗渗混凝土在抗渗时的工作原理是：对普通混凝土内部存在毛细管和空隙造成渗水的现象，需采取一定的防护技术措施，提高混凝土的抗渗性、密实性和憎水性。

（3）混凝土的抗磨试验：试验表明：随着砂率的提高，混凝土的耐磨度逐渐减小，抗磨损性能降低。查阅资料可知，砂浆负责粘结和承载混凝土，在混凝土的磨损过程中首先被破坏，随着砂率的提高，混凝土磨损的表面中砂浆所占的比例增大表面砂浆的的耐磨性能比骨料差从而使混凝土的耐磨性能降低[1]。如果混凝土中砂的比例增大，混凝土内部的空隙就会增加，混凝土界面的有效受力面积减少，耐磨性能降低。所以提高混凝土耐磨性能的一般措施是在合理的砂率范围内，选择较低的砂率。

（4）混凝土的抗腐蚀试验：试验表明：砂率对混凝土的抗酸腐蚀性能影响不大，能确定是，在合理砂率范围内，随着砂率的增大，混凝土抗酸腐蚀性能增强。查阅大量的研究资料发现，当混凝土处于侵蚀性环境当中，会遭到化学侵蚀（酸腐蚀）而破坏。如果选择合适的砂率，能够在一定程度上提高混凝土的密实性和抗渗性，就能够在一定程度上抵抗外部侵蚀介质的破坏作用，有效降低化学腐蚀的程度和延缓化学腐蚀的发展速度。牧原集团所要求的的抗腐蚀混凝土主要是针对硫酸的腐蚀。耐酸混凝土往往也具有一定的耐热性，所以耐酸混凝土不仅可以解决一般建筑物的抗酸性腐蚀问题，而且以解决具有严苛腐蚀条件的工程问题[3]。建筑物几乎都要经受长时间的风吹雨淋，腐蚀也是建筑物需要解决的首要问题，当今工业生产中使用的强酸介质对建筑物的腐蚀性更大。为解决这一问题，粉煤灰与木钙减水剂一直被土木工程界用到抗酸混凝土中.

（5）确定合理的砂率：在满足坍落度要求的情况下，确定出合理的砂率。通过对混凝土抗压，抗渗，耐磨，抗腐蚀等性能的实验，综合砂率对它们的各种影响，确定出最为合适的砂率为37%，此时混凝土的配合比为mc0：mf0：mS0：mg0：mw0=241：103：674：1148：161，混凝土的性能达到最佳。

4 结语

在分析牧原集团所需的混凝土最佳配合比过程中，重点分析了砂率对混凝土各项性能的影响，确定出加了木钙减水剂和粉煤灰的混凝土最佳砂率为37%，此时混凝土的综合性能达到最优。同时在实验过程中发现砂率对混凝土的抗渗和耐腐蚀性能的影响不大，因此仍需做大量实验进一步确定混凝土的最佳配合比。

参考文献

[1] 翁中兴，张广显，砂率对道路混凝土性能的影响[J]，2013，45（2）：239-244

[2] 刘斌，砂率对混凝土抗渗性影响的研究[J]，2016（1）：44-46

[3] 张巨松 混凝土学[M]，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社2017-06-01

[4] 刘冬梅，邹凌彦水泥及混凝土检验员常用标准汇编[M]，北京：中国建材出版社，2016

[5] 李继业，混凝土配制实用技术手册[M]，北京：化学工业出版社，2008-3-1

[6] 杜红伟，混凝土性能与工程应用[M]，南阳：中国电力出版社，2017。

作者简介

马孟会（19960101），女，汉族，主要从事土木工程设计及施工方面的研究

杜红伟（19640117），男，汉族，教授，工程硕士，主要从事土木工程材料及施工技术方面的研究