叢成河 蒲敏 陳海波 李偉 王麗

摘 要：介紹的高強(qiáng)度、高流動(dòng)度混凝土的設(shè)計(jì)原理及試驗(yàn)方法過程。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面的分析和論證，并提出了配制高強(qiáng)度、高流動(dòng)度混凝土試配前膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)之必要性。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度；高流動(dòng)度；混凝土；設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

隨著高層建筑日益增加，以及我國核電事業(yè)的興起發(fā)展，對混凝土強(qiáng)度等級的要求也越來越高。C70混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)是我公司為承建某核電站安全殼預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工而試配試驗(yàn)項(xiàng)目。在試配C70混凝土配合比中，我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，共進(jìn)行了水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)90組，混凝土試配38組，從中總結(jié)了一些規(guī)律，認(rèn)為高強(qiáng)度混凝土的設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)在于如何激發(fā)和提高水泥的活性，也就是膠砂強(qiáng)度的提高，還要考慮合適的粗和細(xì)骨料、級配、外加劑、填充料等。在研究過程中曾經(jīng)使用過多種高效減水劑及超細(xì)活性填充料，經(jīng)過試驗(yàn)及綜合分析比較，最終選擇了BS-N1（C80）型高效減水劑及貴州大鷹牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）和上海電廠生產(chǎn)的二級粉煤灰作為活性摻合料。經(jīng)過膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)及最終混凝土配合比試驗(yàn)，強(qiáng)度及其它各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 膠砂強(qiáng)度所用原材料

1.1 水泥

浙江三獅硅酸鹽525#水泥。細(xì)度0.08mm方孔篩篩余3.7%標(biāo)準(zhǔn)稠度24.5%，初凝2h45min，終凝4h25min，其力學(xué)性能見表1

表1 實(shí)測三獅硅酸鹽525#水泥強(qiáng)度表

齡期

項(xiàng)目 強(qiáng)度（MPa）

3天 7天 28天

抗壓 31.4 38.5 63.5

抗折 5.7 6.9 9.0

1.2 活性硅粉

貴州大鷹牌微硅粉（二氧化硅含量90%以上）

1.3 粉煤灰

上海Ⅱ級灰，45μm孔篩篩余<20%，燒失量<8%，需水量比<105%，SO3含量<3%，符合粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GBJ/T146-1990中各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4 外加劑

上海寶山運(yùn)榮建筑外加劑廠生產(chǎn)的BS-N1混凝土高效減水劑，減水率：15-20%，引氣量2-3%。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)砂

符合GB178-1997《水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂》的質(zhì)量要求。

1.6 水

自來水PH=6

2 膠砂強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

2.1 膠砂強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)首先要確定各種材料之間的比例

這種比例的確定經(jīng)試驗(yàn)要達(dá)到高強(qiáng)度、高流動(dòng)度混凝土的技術(shù)要求。其中灰砂比、水灰比、外加劑摻量、活性硅粉及粉煤灰摻量都對膠砂強(qiáng)度有直接的影響。由于高強(qiáng)度混凝土水灰比都比較低，一般在0.3左右，因此首先確定水灰比在0.3左右再確定其他參數(shù)。

2.2 灰砂比參數(shù)確定

水泥與標(biāo)準(zhǔn)砂按1：1，1：1.5，1：2，1：2.5來設(shè)計(jì)，經(jīng)過試配，認(rèn)為灰砂比為1：1.5左右比較合適。

2.3 活性硅粉摻量的確定

活性硅粉是提高水泥強(qiáng)度的主要材料。它的主要成分是SiO2，可與水泥中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更為堅(jiān)硬硅酸鹽，使得水泥膠砂強(qiáng)度得到提高；同時(shí)硅粉又特別細(xì)，可填充水泥空隙，使得水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)一步提高?；钚怨璺蹞搅堪磁c水泥重量的0%、5%、10%、15%、25%設(shè)計(jì)，經(jīng)試配，最佳摻量在5-10%之間，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用了5%的摻量，見表2。

表2 活性硅粉不同摻量膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

硅粉摻量%

項(xiàng)目 0 5 10 15 25

28d抗壓 9.1 13.0 13.2 12.8 13.4

28d抗折 60.0 77.6 80.0 79.2 72.6

流動(dòng)度 >300 >300 >300 >300 >300

水灰比 0.32 0.32 0.32 0.32 0.32

2.4 外加劑的摻量

外加劑的摻量經(jīng)試驗(yàn)確定為4%。

2.5 粉煤灰摻量

粉煤灰作為準(zhǔn)活性材料，摻入到水泥中后，能使其和易性得到改善，后期強(qiáng)度得到提高。它本身也含有一定量的SiO2，能與水泥中的Ca（OH）2反應(yīng)，生成硅酸鹽，同時(shí)也可降低水化熱，推遲凝結(jié)時(shí)間。對于大體積混凝土，是比較理想的填充料。但若摻入過量，則會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，脆性增加。經(jīng)試驗(yàn)，認(rèn)為配制C70混凝土粉煤灰摻入量以15%左右為宜。

2.6 膠砂強(qiáng)度配合比試驗(yàn)

表3 膠砂強(qiáng)度配合比

序號 灰砂比 水灰比 硅粉摻量% 粉煤灰摻量% 外加劑摻量%

1 1：1.5 0.41 0 0 0

2 1：1.5 0.31 0 15 4

3 1：1.5 0.31 5 0 4

4 1：1.5 0.31 5 15 4

5 1：1.5 0.31 5 15 4

6 1：1.5 0.31 5 15 4

7 1：1.5 0.31 5 15 4

8 1：1.5 0.31 5 15 4

從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，序號4-7均比空白試驗(yàn)及單摻粉煤灰的膠砂強(qiáng)度高，給混凝土配合比提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

表4 膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

項(xiàng)目

序號 抗折強(qiáng)度（MPa） 抗壓強(qiáng)度（MPa） 流動(dòng)度

7d 28d 7d 28d >300

1 8.1 9.6 38 56.7 >300

2 13.6 14.1 46.2 74.0 >300

3 14.2 15.2 76.2 87.2 >300

4 13.6 14.1 71.2 85.6 >300

5 13.5 15.4 86.2 94.0 >300

6 14.2 15.4 78.2 87.6 >300

7 13.4 15.2 68.1 94.4 >300

8 13.1 14.0 69.5 92.4 >300

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

由于高強(qiáng)度混凝土要突出“高強(qiáng)”和“高流態(tài)”，因此，高強(qiáng)度混凝土的配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土配合比有如下特點(diǎn)：（1）摻入高效減水劑或復(fù)合高效減水劑，減水率15%-30%，且90分鐘內(nèi)坍落度損失值不宜超過25%；（2）摻入粉煤灰及硅粉。粉煤灰應(yīng)符合GB1596-2005標(biāo)準(zhǔn)中的一級或二級粉煤灰，硅粉SiO2含量超過90%，比表面積大于或等于20m2/g；（3）選擇較小的水灰比；（4）粗骨料采用碎石，且最大粒徑不宜超過25mm，針片狀顆粒含量不宜超過5%，且含泥量﹤1%，軟弱顆粒盡量少，壓碎指標(biāo)值應(yīng)符合JGJ53-92要求，試模均采用100×100×100的試模，細(xì)骨料采用粗砂；（5）選擇合適的砂率，河砂為宜，中粗，細(xì)度模數(shù)≥2.5，含泥量﹤2%；（6）采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，振動(dòng)成型工藝；（7）濕養(yǎng)護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）。

3.1 確定水泥用量

選擇525#硅酸鹽水泥，水泥用量控制在500-550Kg范圍內(nèi)，因?yàn)檫^量的水泥用量會(huì)使單位體積骨料減少，從而使混凝土強(qiáng)度沒有明顯增加或不增加。此外過量的水泥用量還會(huì)導(dǎo)致混凝土后期裂縫，且也不利于降低成本。

3.2 水灰比

水灰比是控制混凝土強(qiáng)度的重要參數(shù)，水灰比高，雖然可以增大混凝土的坍落度，但強(qiáng)度下降，而采用外加劑如減水劑的辦法，可將水灰比（水/水泥+硅粉+粉煤灰）降低0.3左右，而坍落度仍保持在18-22cm，以便泵送。

3.3 骨料和砂率

粗細(xì)骨料的大小、形狀、強(qiáng)度對高強(qiáng)度的性能有著非常明顯的影響，如選擇不當(dāng)將導(dǎo)致較大的強(qiáng)度差。為此經(jīng)試驗(yàn)及調(diào)整后，采用浙江海鹽秦山采石廠5～30花崗巖碎石，壓碎指標(biāo)8.2%，砂采用粗砂（Mx=3.0）砂率40%左右。

3.4 活性硅粉摻量

摻活性硅粉可大幅度提高混凝土強(qiáng)度，使混凝土更加致密，堅(jiān)硬。硅粉采用細(xì)微硅粉，SiO2含量90%以上顆粒半徑0.1μm，經(jīng)試驗(yàn)摻量控制在5%。

3.5 粉煤灰摻量

粉煤灰摻量經(jīng)試驗(yàn)確定為70Kg/m3左右。

3.6 C70混凝土試驗(yàn)結(jié)果

表5 C70混凝土配合比Kg/m3

序號 配合比

水灰比 水泥 砂子 碎石 硅粉 粉煤灰 外加劑 砂率

1 0.37 520 696 1044 0 0 0 40

2 0.397 520 696 1044 0 0 0 40

3 0.317 520 664 996 0 62.4 20.8 40

4 0.317 520 664 996 26.0 62.4 20.8 40

5 0.286 520 679 967 26.0 52.0 20.8 41

6 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

7 0.242 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

8 0.261 520 658 937 26.0 104.0 20.8 41

9 0.256 520 669 952 26.0 78.0 20.8 41

表6 C70混凝土配合比強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

序號 抗壓強(qiáng)度（MPa） 坍落度cm 容重

7d 28d 60d

1 47.2 61.8 62.4 6.5 2.43

2 37.8 51.3 55.4 8.5 2.40

3 39.0 60.3 64.6 18.0 2.47

4 57.6 76.8 82.0 22.0 2.50

5 58.1 73.0 80.3 19.5 2.52

6 58.2 63.0 85.0 20.0 2.52

7 63.5 91.5 87.7 21.0 2.51

8 60.5 78.0 87.0 20.0 2.50

9 48.9 77.9 79.8 19.0 2.49

根據(jù)以上混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，摻硅粉及外加劑均比空白試驗(yàn)及單摻粉煤灰的強(qiáng)度有顯著提高，達(dá)到C70的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 重復(fù)性試驗(yàn)

從表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際攪拌的混凝土工作性情況最終確定施工配合比（選擇序號5）如下表7，并按規(guī)定進(jìn)行6次重復(fù)性試驗(yàn)。

表7 重復(fù)性試驗(yàn)混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果

施工配合比：

水灰比0.286 水泥：砂：碎石=1：1.28：2.0 水泥用量520 Kg/m3

外加劑4% 硅粉26 Kg/m3 粉煤灰87 Kg/m3 砂率41%

序號 坍落度（cm） 抗壓強(qiáng)度（MPa）

7d 28d 60d

1 22 56.1 83.4 86.5

2 21 57.0 85.6 90.1

3 22 60.0 78.4 86.0

4 20 59.0 84.3 91.0

5 19 60.5 77.5 82.0

6 18 61.2 80.3 90.3

按GBJ107-87D的規(guī)定，這批混凝土強(qiáng)度應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：

（1）mfcu≥1.15fcu.k

（2）fcumin≥0.95fcu.k

式中：mfcu——同一驗(yàn)收批混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值（N/mm2）

fcu.k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差（N/mm2）

fcumin——同一驗(yàn)收批混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的最小值（N/mm2）

按28天強(qiáng)度對試件進(jìn)行驗(yàn)收：

經(jīng)計(jì)算：mfcu=82.9 MPa fcu.k=70.0 MPa fcumin=77.5 MPa

1.15fcu.k=80.5 MPa 0.95fcu.k=66.5 MPa

所以mfcu>1.15fcu.k fcumin>0.95 fcu.k 即同時(shí)符合（1）、（2）式，判定合格。

另外對該批混凝土增加了碳化深度、抗?jié)B及坍落度損失試驗(yàn)，混凝土60天碳化深度<0.5mm，抗?jié)B>S40，坍落度90分鐘后平均損失小于85mm。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)，認(rèn)為對C70以上高標(biāo)號、高流動(dòng)度混凝土試配，不同于C70以下混凝土配制，必須首先解決膠砂強(qiáng)度大幅度增長的問題，因此必須對膠砂強(qiáng)度增長可能性試驗(yàn)，以便確定所用材料能否用于正式的混凝土試配，這樣可以系統(tǒng)地進(jìn)行各種原材料的質(zhì)量分析，避免盲目性，減小不必要人力、物力的投入。

這種由于小試到中試及最終試驗(yàn)的分級分步試驗(yàn)，具有可靠合理的科學(xué)性。試驗(yàn)證明，對C70高標(biāo)號、高流動(dòng)度的混凝土設(shè)計(jì)思路是正確的，技術(shù)是可行的，質(zhì)量是可靠的，完全可以用于施工現(xiàn)場中。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：叢成河（1955- ），男，中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司海陽核電項(xiàng)目部，高級工程師，從事建筑材料檢測及研究。