C60高强度微膨胀混凝土配合比设计研究

程小娟

(中交路建交通科技有限公司 北京市 100121)

0 引言

混凝土配合比就是根据施工要求与工程需求，选择所需的各种原材料，在保证混凝土工作性能和经济性的条件下，确定各种材料比例组成以及相应的材料用量。良好的配合比是获得高强度耐用混凝土的必备条件。目前，虽然混凝土配合比设计已经有很大的发展，创建了相应的国标和行标，以及地方标准和企业标准[1]，但在不同的建设工地中，每个工地的环境不同，各地所产的原材料也不同，导致了混凝土配合比设计不能完全按照标准规定的公式和方法进行计算配制。随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高，对混凝土性能的要求也越来越高[2]。鉴于此，对高强度混凝土进行实验研究，设计了不同水胶比的混凝土，测试其坍落度、抗压强度等各项性能指标，掌握水胶比对混凝土7d、28d龄期强度的影响规律，研究水胶比对混凝土各项性能的影响，进而确定最经济、高效的施工方案，选择满足工程要求的配料比进行施工，实验结论对混凝土在工程实践中的应用具有重要意义。

1 工程概况

甘肃某机场航站楼连接线桥面板采用C60微膨胀混凝土，设计方量2500m3，采用现浇混凝土施工工艺。该地区气候相对干燥，常年受季风影响，昼夜温差大，水分蒸发较快。项目附近碎石供应相对丰富，水泥、外加剂等掺和料选择空间较小。根据现有条件需要试配出一种性能稳定、适用于拌和、运输、现场浇筑的C60混凝土。

2 混凝土的技术要求

对于新拌混凝土要使之具有良好的和易性，同时不泌水、不分层、不会出现离析现象。新拌混凝土的坍落度要求为160～200mm，而且要确保60min坍落度的损失小于30mm。混凝土形态体积稳定时，21d限制膨胀率大于0。硬化后混凝土的强度会显著提高，混凝土28d抗压强度不小于设计强度等级的1.15倍。

3 混凝土原材料选择

混凝土是一种必不可少的建筑材料，只有充分利用本地特色的原材料，才有实际的应用价值，要对本地混凝土原材料的品质，有一个客观的、全面的认识，以经济适用、方便运输为前提，找出适合配制C60微膨胀混凝土的原材料。

3.1 水泥

本试验选择中材甘肃的赛马牌P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥。水泥的品种、矿物所含成分、调凝剂、碱含量、细度等方面都会影响外加剂的使用效果。

3.2 集料

混凝土拌和物的和易性受砂石级配和粒型的影响。润昌砂场产的天然中砂作为细集料，细度模数2.94，含泥量1.8%，泥块含量0.2%，粗集料选择王岘产的4.75～19mm的连续级配碎石；碎石针片状含量为5.3%，含泥量0.2%，泥块含量0.1%，压碎值9.6%。

3.3 外加剂

C60混凝土具有大量的胶结材料，水灰比低，强度要求高，并且混凝土坍落度大。为了满足混凝土的性能和施工要求，提高混凝土的和易性，减少水泥用量并节省成本，外加剂的选择尤为重要[3]。在选择掺和料时，应考虑掺和料的适应性和保水性，以有效控制混凝土拌和料的坍落度损失，提高混凝土拌和料的保水率，并减少混凝土拌和料的离析和泌水。高性能减水剂是高强度高性能混凝土最常用的外加剂。减水率一般要求大于20%[4]。故选用山西TJXC-B聚羧酸高性能减水剂(标准型)，减水剂性能见表1。

表1 减水剂性能

3.4 粉煤灰和矿渣

在配制高强混凝土时，应加入具有良好活性的矿物掺和料，特别是效果好的复合掺和料，活性掺和料的火山灰效应能进一步促进混凝土水化，提高混凝土强度；其形态和微集料效应提高了混凝土的流动性和保塑性，减小了坍落度的经时损失，可泵性好，并能显著改善混凝土的孔结构和耐久性，选用鑫凯F类I级粉煤灰和福顺通S95级矿渣粉。

3.5 膨胀剂

微膨胀混凝土就是在普通的混凝土中添加一种膨胀剂，使混凝土在水化期间能够依靠膨胀剂的作用而发生一定膨胀，从而弥补了混凝土的收缩，达到防治混凝土收缩的性能，膨胀剂的化学成分及物理性能见表2。

表2 膨胀剂化学成分和物理性能

选用湖北顺远HEA型膨胀剂，HEA型抗裂膨胀剂可与水泥水化产物结合生成大量的矿物微膨胀晶体，可以降低混凝土在静水压力下的透水性，同时具有堵塞和切断毛细通道的功能，进一步减少混凝土的泌水性，提高混凝土的密实度，提高混凝土的抗裂性能；此外，HEA型抗裂膨胀剂掺进混凝土中，能提供一种特殊的憎水涂层，减小压力作用下的水分迁移，有效提高混凝土对有害物质的耐腐蚀性和耐久性，使混凝土具有结构自防水和抗裂防渗的性能，从而提高混凝土的耐久性。

3.6 水

选用生活饮用水-自来水。

4 混凝土配比设计

C60微膨胀混凝土的水灰比低，混凝土的流动性是一项重要的指标。当混凝土强度等级在C60级以上时，水胶比与混凝土强度的线性关系较差，分散性较大，鲍罗米公式只对C60等级以下的混凝土适用。但对于高强混凝土鲍罗米公式适用性不大，其水胶比的确定只能按现有的试验资料来参照，然后通过试配进行调整，高强混凝土水胶比计算仍可采用鲍罗米公式，但与普通混凝土不同的是其回归系数有所改变。混凝土的强度值见表3。

表3 C60混凝土强度值

(1)

式中，aa，ab—回归系数；

fb—胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值(MPa)；

fcu,o—混凝土配制强度(MPa)。

4.1 水胶比的确定

C60微膨胀混凝土属于高性能混凝土。根据《高强混凝土结构设计与施工指南》第二版要求混凝土的施工配制强度不能低于设计强度的1.15倍，因此根据规范可得出该混凝土配制强度不小于69MPa。目前无完善的公式可以选用，故根据资料统计水胶比可采用0.28～0.32。

4.2 掺合料用量

水泥为硅酸盐水泥，粉煤灰掺量取10%，矿渣粉掺量取15%。依据厂家说明HEA型膨胀剂掺量取6%。试验方法为外掺法。

主要考核指标：按填充用膨胀混凝土配制，分析其不同龄期内竖向自由膨胀率及7d、28d的抗压强度；按补偿收缩混凝土配制，考虑其在水中及空气中的限制膨胀率及28d抗压强度[5]。

对试验成果进行多方面的比较，最终确定膨胀剂掺量是6%。

掺量计算，确定每立方米用水量(mwo)。设计坍落度160～200mm，根据碎石及砂样品情况，查表确定用水量217kg，由于掺入了减水剂，经试配确定减水剂的减水率为32%，调整后选用用水量为217×(1-32%)=148kg/m3；每立方米混凝土拌和物用量见表4。

表4 每立方米混凝土拌和物用量

4.3 确定砂率(βs)

根据碎石及砂样品情况，初步暂定砂率为βs=37%。

4.4 计算粗、细集料、膨胀剂的掺量

按质量法计算粗细集料的质量，假定水泥混凝土的表观密度(mcp)为2450kg/m3。通过以下计算公式：

mco+mfo+mko+mgo+mso+mwo+mwj=mcp

(2)

(3)

(4)

(5)

解得：mso=647kg/m3，mgo=1102kg/m3，结合表4每立方米混凝土拌和物的用量，可得到基准配合比见表5。

表5 基准配合比(单位：kg/m3)

4.5 混凝土配合比的试配、调整与确定

按计算水泥混凝土基准配合比(W/B=0.27)，同时以基准配合比的水胶比为基准分别减少0.03和增加0.03，用水量与基准配合比保持一致。砂率分别减少1%和增加1%进行试拌。经试验，混凝土拌和物和易性良好，各材料用量及其拌和物坍落度、表观密度见表6，各材料用量及其混凝土7d、28d强度见表7。

表6 各材料用量及其拌和物坍落度、表观密度

表7 各材料用量及其混凝土强度

不同水胶比情况下7d、28d的混凝土抗压强度变化见图1，随着水胶比的增大，混凝土的抗压强度呈现线性降低的趋势。

图1 混凝土抗压强度与水胶比关系曲线

5 混凝土的养护

C60微膨胀混凝土需要充分湿养护才能更好地发挥其膨胀效应，施工期间，应保持一定的环境温度。如果环境温度低于5℃时，要采取保温措施。夏季天气酷热，砂石要采用一定的遮阳措施，当混凝土浇注完成后，其应避免在烈日下暴晒，或遭受雨水侵袭；在常温下，膨胀水泥混凝土浇注后4h应进行遮盖，8～12h要开始浇水养护，当拆模后需大量的水进行浇水养护，使混凝土保持在潮湿或半湿润状态。养护时间不能低于14d，同时应快速检测限制膨胀率。

6 结语

C60微膨胀混凝土在配合比设计过程中，受到原材料品质、环境温度、拌和工艺等多方面因素影响，需要多岗位协同作战才能确保混凝土的质量。

通过对原材料的化学和物理性能进行对比，挑选出适合的原料；对掺和料的设计计算，得出每个材料的基准配合比。按基准配合比的基准，对水胶比分别减少0.03和增加0.03，砂率分别减少1%和增加1%进行试拌；通过试验分析结果表明，随着水胶比和砂率的增加，混凝土的7d、28d抗压强度和坍落度呈线性降低的趋势。由此可见，水胶比对混凝土强度起到关键作用。

研究表明，在微膨胀混凝土的配合比设计、生产、施工等方面必须严格控制与管理，并进一步加强混凝土的养护和检测，不断总结和改进，高标号微膨胀混凝土施工质量完全可控。