原材料对高自密实混凝土性能影响的研究

曾 旭，罗 鑫，张文胜，张全意

(1.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000；2.北京华石纳固科技有限公司，北京 100085)

0 前言

国内早期许多完建的堆石混凝土项目，在工程初期并未对混凝土各项原材料的品质、生产提出要求，考虑到原材料性能差异大，为保证做出符合设计要求的高自密实性能混凝土(以下简称HSCC)配合比，往往需要对配合比参数做较大调整，普遍通过提高水粉比、减少骨料用量、增大粉体用量尤其是水泥用量的方式来提高混凝土工作性能。以安徽大龙潭水库为例，C9015HSCC的水粉比达到1.2，水泥单方用量接近200 kg，这无疑大大提高了坝体混凝土水化热，更不利于材料成本控制[1]。

因此，在配合比设计之前对原材料品质、生产提出要求，为下一步配合比设计优化、降低水泥用量提供条件，是十分有必要的[2]。

1 试验原材料

试验原材料见表1。

2 试验成果分析

本次试验流程见图1，汇总相关试验成果见表2～表6。

图1 试验流程图

表1 试验原材料一览

表2 1#～11#组试验成果汇总表

续表2

(1)不同强度等级水泥对混凝土水泥用量的影响

分别采用P.S.A 32.5水泥(单价380元/t～400元/t)、P.O 42.5水泥(单价420元/t～440元/t)配制各龄期抗压强度相似的混凝土，详见1#、2#配合比。结果表明P.S.A 32.5水泥虽然单价便宜但用量高，其材料成本55元也高于P.O 42.5水泥的45元。

(2)水泥用量对混凝土立方体抗压强度的影响

对比2#、3#、4#、5#，及X1、X2配合比，混凝土单方水泥用量与混凝土立方体抗压强度的关系曲线见图2。结果表明抗压强度随着水泥用量不断增大，但不是线性趋势[3]。以满足C9015强度指标为例，最优水泥用量可控制在约105 kg。

图2 混凝土抗压强度与水泥用量关系

图3 混凝土各龄期抗压强度与28 d抗压强度相对值

(3)石粉取代粉煤灰混凝土立方体抗压强度的影响

设计4组石粉取代粉煤灰量分别为0%、25%、50%和75%的配合比(详见2#、6#、7#、8#)，检测混凝土各龄期抗压强度，表明当石粉取代量不超过粉煤灰掺量的50%时，不会对混凝土强度产生显著影响；当石粉取代量超过粉煤灰掺量的75%时，混凝土强度会显著降低。

(4)粉煤灰品质对混凝土水泥用量的影响

1)针对不同品质粉煤灰对混凝土水泥用量的影响进行试验，数据见表3。结果表明原状灰的净浆水粉比低于磨细灰，Ⅱ级灰低于Ⅲ级灰；细度、烧失量是影响需水量、外加剂吸附量的指标[4]；需水量比不能完全体现粉煤灰对浆体粘性以及外加剂吸附量的影响，应检测粉煤灰净浆扩展度和V漏斗时间方能准确评价粉煤灰性能。

表3 粉煤灰试验成果

2)统计四组配合比(2#、9#、10#、11#)抗压强度相对值见图3。4种粉煤灰性能、等级虽然存在差异，但各龄期强度发展规律相似，表明粉煤灰水化活性接近。混凝土水泥用量随混凝土用水量的增大而提高[5]。由于各组混凝土骨料用量相同，混凝土用水量只与混凝土水粉比相关，因此混凝土水粉比是决定混凝土水泥用量的主要影响因素。

3)性能良好的粉煤灰能显著降低浆体水粉比。应采用II级以上的原状粉煤灰；建议增加粉煤灰净浆试验，以V漏斗时间2 s～3 s、净浆水粉比小于0.85的粉煤灰性能为宜。

(5)粗骨料超径率、逊径率、针片状含量对HSCC工作性能的影响

1)选用粒径在20 mm～25 mm碎石作为粗骨料超径颗粒，设计4组超径率分别为10%、20%、40%和60%的配合比(见12#、13#、14#、15#)，试验数据见表4。随着石子超径率的不断增加，混凝土间隙通过性显著降低、流动性小幅提高，骨料外露情况显著增多。当粗骨料超径率不超过20%时，对混凝土工作性能无不利影响。

表4 粗骨料超径、逊径试验成果

2)选用粒径在2.5 mm～5 mm碎石作为粗骨料逊径颗粒，设计4组逊径率分别为5%、10%、15%、20%的配合比(见16#、17#、18#、19#)。随着逊径率的增加，混凝土流动性、间隙通过性出现显著下降，且下降幅度大于超径率对于混凝土性能的影响[6]。因此粗骨料逊径率不应大于10%。

3)设计4组针片状含量分别为0%、10%、15%、20%的配合比(见20#、21#、22#、23#)，试验数据见表5。随着粗骨料针片状含量提高，混凝土V漏斗通过时间增长[7]。当针片状含量超过10%时，虽然抗压强度没有受到显著影响，但混凝土V漏斗性能显著降低。

表5 粗骨料针片状含量试验成果

(6)细骨料MB值对HSCC工作性能的影响

以2区中砂为基准，向砂中掺入适量泥土模拟不同MB值(见24#、25#、26#、27#)，试验数据见表6。随着MB值不断增加，混凝土外加剂用量显著提高，V漏斗通过时间延长，当MB值达到2.0时抗压强度下降明显。

表6 细骨料MB值试验成果

(7)细骨料细度模数对HSCC配合比的影响

设计三种砂细度模数分别为2.0、2.7、3.4的配合比(见28#细砂、24#中砂、29#粗砂)，试验数据见表5。与中砂相比，细砂混凝土的水粉比较大、水泥用量高、外加剂掺量高，材料成本高；粗砂混凝土的粉体总量、骨料总量、外加剂掺量相近，材料成本最为合理。

3 结论

(1)采用P.O 42.5水泥混凝土的材料成本及水泥用量低于P.S.A 32.5水泥；抗压强度随着水泥用量增加而增大；模拟满足C9015强度混凝土的最优水泥用量约105 kg。

(2)当石粉取代量不超过粉煤灰掺量的50%时，不会对混凝土强度产生显著影响。

(3)应采用Ⅱ级以上的原状粉煤灰；现有规范不能完全体现粉煤灰对浆体粘性的影响，可增加粉煤灰净浆试验，以V漏斗时间2 s～3 s、净浆水粉比小于0.85为宜，可显著降低混凝土(浆体)水粉比和水泥用量。

(4)在不影响HSCC工作性能条件下，粗骨料超径率不超过20%、逊径率不大于10%、针片状含量不大于10%；细骨料MB值不超过2.0、中粗砂材料成本最为合理。