羅建平
(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江杭州310004)
自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計方法和步驟
羅建平
(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江杭州310004)
自密實(shí)混凝土與普通混凝土相比,自密實(shí)混凝土關(guān)鍵性能特征是能夠依靠自重作用沖模、密實(shí),而不需要外力振搗,這不僅要求混凝土有較大的流動性,而且還要求有較好的粘聚性。文章從自密實(shí)混凝土原材料的選擇以及自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計原則來研究探討配合比設(shè)計方法,總結(jié)出了自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計步驟,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
自密實(shí)混凝土;自密實(shí)性;配合比設(shè)計;設(shè)計步驟
自密實(shí)混凝土具有很高的流動性而不離析、不泌水,能不經(jīng)振搗或少振搗而自動流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。由于自密實(shí)混凝土對振搗的消除,顯著降低了普通振搗混凝土施工中的噪音污染,明顯改善混凝土的施工性,降低勞動成本;節(jié)約振搗機(jī)具和能耗,從而減少機(jī)械費(fèi)用及人工費(fèi)用,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。且在生產(chǎn)中需大量添加粉煤灰、粒化高爐礦渣等工業(yè)廢料,又有利于資源得到有效的利用。
配制自密實(shí)混凝土一般采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。而對于有溫控要求的大體積自密實(shí)混凝土需要選用礦渣硅酸鹽水泥、中熱或低熱水泥,水泥需具有較低的需水性,并能與所用的高效減水劑有較好的相容性。
自密實(shí)混凝土中摻加摻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熱??蛇x用粉煤灰、?;郀t礦渣粉等作為礦物摻和料。粉煤灰應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定,自密實(shí)混凝土優(yōu)先使用I級粉煤灰,也可以使用II級粉煤灰,但要控制需水量比不超過100%。?;郀t礦渣粉應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》的規(guī)定,自密實(shí)混凝土宜使用S95級礦渣粉。
粗骨料宜采用連續(xù)級配或2個及以上單粒徑級配搭配使用,最大公稱粒徑不宜大于20 mm;對于結(jié)構(gòu)緊密的豎向構(gòu)件、復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)以及有特殊要求的工程,粗骨料的最大粒徑不宜大于16 mm。粗骨料中的針片狀顆粒含量對自密實(shí)混凝土間隙通過性影響較大,其含量不宜超過8%,粗骨料含泥量及泥塊含量應(yīng)分別小于1.0%,0.5%。
細(xì)骨料宜采用級配II區(qū)的中砂,天然砂的含泥量、泥塊含量以及人工砂的石粉含量應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。
外加劑性能應(yīng)符合GB8076-2008《混凝土外加劑》和GB50119-2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定。外加劑應(yīng)具有較大的減水率、較好的緩凝保塑性。
對于有抗凍要求的自密實(shí)混凝土需摻加引氣劑,其摻量應(yīng)控制含氣量不超過5%為限,含氣量過大不僅會嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度,而且會影響到自密實(shí)混凝土的流動性。
自密實(shí)混凝土拌合物因流動度大常有離析現(xiàn)象,一般在外加劑中摻加增稠劑來解決,增稠劑應(yīng)用最多的有纖維素醚和甲基纖維素兩種。
自密實(shí)混凝土拌合物除應(yīng)滿足普通混凝土拌合物工作性外,還應(yīng)滿足自密實(shí)性能要求。自密實(shí)混凝土自密實(shí)性能包括:填充性能、抗離析性能、間隙通過性能。其中填充性能是自密實(shí)混凝土拌合物的必檢項(xiàng)目,對高流動高填充性的自密實(shí)混凝土,應(yīng)有抗離析性能要求。
填充性能:用坍落擴(kuò)展度和擴(kuò)展時間T500檢測與判別。填充性能是自密實(shí)混凝土拌合物控制性指標(biāo),按施工難易程度分為3個性能等級,①無配筋或少配筋的混凝土結(jié)構(gòu)物、泵送澆筑施工的工程、截面較小無需水平長距離流動的豎向結(jié)構(gòu)物,坍落擴(kuò)展度要求在550~655 mm;②一般的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),坍落擴(kuò)展度要求在660~755 mm,擴(kuò)展時間T500不小于2 s;③結(jié)構(gòu)緊密的豎向構(gòu)件、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),粗骨料最大粒徑不大于16 mm,坍落擴(kuò)展度要求在760~850 mm,擴(kuò)展時間T500不大于2 s。
抗離析性能:用離析率判別??闺x析性能是自密實(shí)混凝土拌合物自密實(shí)性能可選指標(biāo),按流動距離和鋼筋密集程度分為2個性能等級,①混凝土流動距離小于5 m、鋼筋凈距大于80 mm的薄板和豎向結(jié)構(gòu),離析率不大于20%;②混凝土流動距離大于5 m、鋼筋凈距大于80 mm的豎向結(jié)構(gòu),離析率不大于15%;當(dāng)混凝土流動距離大于5m、鋼筋凈距小于80 mm的豎向結(jié)構(gòu),離析率宜小于10%。
配制自密實(shí)混凝土主要平衡高流動性和抗離析性之間的矛盾,通過試驗(yàn)正確選擇砂、石體積是自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計中的主要參數(shù)指標(biāo)。自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計原則主要包括以下4條:
和易性要求:自密實(shí)混凝土不僅具有流動性、粘聚性和保水性,而且要具有自密實(shí)性。
強(qiáng)度要求:符合設(shè)計要求的強(qiáng)度等級。
耐久性要求:自密實(shí)混凝土由于膠凝材料和用水量較大,導(dǎo)致收縮也大,因此必須處理好自密實(shí)性、力學(xué)性和體積穩(wěn)定性等方面的關(guān)系。
經(jīng)濟(jì)性要求:在確保和易性、強(qiáng)度和耐久性要求的前提下,盡量減少水泥和外加劑用量。
配制自密實(shí)混凝土配合比時,在水膠比、用水量與膠凝材料用量確定的情況下,粗骨料的體積是影響混凝土拌合物和易性的重要因素。經(jīng)過大量試驗(yàn)成果表明,中低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土每方用量中粗骨料密實(shí)體積宜控制在0.28~0.35 m3。粗骨料體積含量過小時,會顯著降低混凝土彈性模量等力學(xué)性能;粗骨料體積含量過大時,則會顯著降低混凝土拌合物的和易性,不能滿足自密實(shí)性能的要求。
除粗骨料外,自密實(shí)混凝土中的砂漿性質(zhì)對混凝土拌合物和易性起到關(guān)鍵作用。而砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)能顯著影響砂漿的稠度,從而影響到混凝土拌合物的和易性。通過試驗(yàn)統(tǒng)計,中低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)在0.42~ 0.45之間為宜。過大會降低混凝土的強(qiáng)度和影響混凝土自密實(shí)性能;過小則會造成混凝土收縮,體積穩(wěn)定性差。
1)粗骨料用量確定
選定每立方米混凝土中粗骨料體積,測定粗骨料的表觀密度,可求出每方混凝土中粗骨料用量。計算公式為:
式中:Mg——每方混凝土中粗骨料用量,kg;ρg——粗骨料的表觀密度,kg/m3;Vg——每方混凝土中粗骨料體積,m3。
2)細(xì)骨料用量確定
式中:Vm——每方混凝土中砂漿體積,m3;Vg——每方混凝土中粗骨料體積,m3。
選定砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)θs,測定細(xì)骨料的表觀密度ρs,可求出每方混凝土中砂的體積Vs和質(zhì)量Ms。計算公式:
式(3)(4)中:VS——每方混凝土中砂的體積,m3;Vm——每方混凝土中砂漿體積,m3;θs——砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù),取值在0.42~0.45;Ms——每方混凝土中砂的質(zhì)量,kg;ρs——細(xì)骨料的表觀密度,kg/m3。
根據(jù)自密實(shí)混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級,按照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的規(guī)定選取混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,可得出自密實(shí)混凝土配制強(qiáng)度,計算公式如下:
式中:fcu,o——混凝土配制強(qiáng)度,MPa;fcu,k——混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級,MPa;σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,MPa。
自密實(shí)混凝土水膠比與混凝土配制強(qiáng)度以及工程所用的原材料密切相關(guān),可通過試驗(yàn)建立水膠比與自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系式求得。當(dāng)不具備上述試驗(yàn)統(tǒng)計資料時,也可按下式計算:
式中:W/B——混凝土水膠比;fce——水泥實(shí)測抗壓強(qiáng)度,MPa;β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù);y——礦物摻合料膠凝系數(shù);粉煤灰(≤0.3)可取0.4,礦渣(≤0.4)可取0.9;fcu,o——混凝土配制強(qiáng)度,MPa。
單方混凝土中水泥漿體積Vp等于1 m3混凝土拌合物中砂漿體積Vm減去砂體積Vs求出,計算式如下:
單方混凝土用水量按照體積計算法的公式來計算,如下式所示:
式中:Vw——單位用水量體積,m3;Vp——水泥漿體積,m3;Vo——拌合物含氣量,可考慮2%的含氣量,m3;ρc,ρm——水泥、礦物摻和料表觀密度,g/ cm3;β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù);B/W——膠水比,即水膠比的倒數(shù)。
根據(jù)求出的單位用水量體積Vw,乘以水的密度(1 000 kg/m3)算出單方混凝土中的用水量Mw。
通過以上公式得出的水膠比和單位用水量,即可求出單方混凝土中膠凝材料總用量,根據(jù)膠凝材料中礦物摻和料的質(zhì)量分?jǐn)?shù),得到單方混凝土中礦物摻和料質(zhì)量和水泥的質(zhì)量。如下式所示:
式中:Mb——單方混凝土膠凝材料總用量,kg;Mw——單方混凝土用水量,kg;W/B——水膠比;Mm—單方混凝土礦物摻合料用量,kg;β——礦物摻合料摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù);Mc——單方混凝土水泥用量,kg。
由于每種外加劑對自密實(shí)混凝土工作性能的影響各不相同,試驗(yàn)中可按照經(jīng)驗(yàn)及自密實(shí)混凝土的工作性能來調(diào)整摻量。
根據(jù)上述計算得到初步混凝土配合比進(jìn)行試拌,檢查拌合物自密實(shí)性能的填充性、間隙通過性和抗離析性。當(dāng)自密實(shí)性能滿足要求時,需制作28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度試件,如果拌合物自密實(shí)性能不能滿足要求時應(yīng)加以調(diào)整,應(yīng)在保證水膠比不變的原則下合理調(diào)整膠凝材料用量、外加劑用量或砂的體積分?jǐn)?shù),直到符合要求為止。
強(qiáng)度等級:C40
坍落擴(kuò)展度:650 mm±50 mm
臺泥重慶水泥廠生產(chǎn)的臺泥牌P.O42.5級水泥,實(shí)測強(qiáng)度為49.0 MPa,水泥密度為3.08 g/cm3;重慶華珞電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,粉煤灰密度為2.24 g/cm3;粗骨料為碎石,5~20 mm連續(xù)級配,表觀密度2.65 g/cm3;細(xì)骨料為河砂,細(xì)度模數(shù)2.70,表觀密度2.65 g/cm3;外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑;拌合用水為飲用水。
按照上文自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計方法和步驟,1 m3自密實(shí)混凝土中粗骨料密實(shí)體積取0.32 m3,砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)取0.42,粉煤灰摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3,減水劑摻量通過試驗(yàn)確定,經(jīng)過計算,得到C40自密實(shí)混凝土初步配合比如下:水膠比為0.34,水泥為368 kg/m3,粉煤灰為158 kg/m3,石子為848 kg/m3,砂子為768 kg/m3,單位用水量為179 kg/m3,蘇博特聚羧酸高效減水劑摻量為1.2%。
按照上文計算得到的初步自密實(shí)混凝土配合比進(jìn)行混凝土試拌,測試拌合物的自密實(shí)性能以及28 d齡期硬化抗壓強(qiáng)度,驗(yàn)證結(jié)果表明:混凝土拌合物自密實(shí)性能優(yōu)良,混凝土拌合物坍落擴(kuò)展度為660 mm,擴(kuò)展時間T500為2.3 s,離析率為17.5%,28 d立方體抗壓強(qiáng)度為48.5 MPa,達(dá)到了配制強(qiáng)度要求,同時滿足自密實(shí)混凝土工作性能要求。
文章根據(jù)自密實(shí)混凝土工作性的特點(diǎn)和配制原理,對配合比設(shè)計方法進(jìn)行了研究,提出了自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計步驟。得到結(jié)論如下:
1)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計主要從自密實(shí)性、力學(xué)性、體積穩(wěn)定性三方面要求確定了配合比設(shè)計參數(shù):每立方混凝土中粗骨料體積宜在0.28~0.35 m3之間,細(xì)骨料占砂漿中的體積比范圍為0.42~0.45,自密實(shí)混凝土水膠比宜小于0.45。
2)提出的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計步驟簡明,公式明確,計算簡便,且自密實(shí)混凝土性能可靠,其有效性得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。
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TV528.1 < class="emphasis_bold"> [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B
B
1002—0624(2017)09—0017—03
2017-01-20