石紅

摘 要：水泥混凝土由水泥、粗集料、細(xì)集料和水按照一定比例配比而成，是道路、橋梁等建筑工程中的重要應(yīng)用材料。水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)和施工的先導(dǎo)環(huán)節(jié)，不僅與工程的成本控制相關(guān)，還直接影響工程質(zhì)量，是決定工程技術(shù)性能、工程結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵要素。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土；配合比；試驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

水泥混凝土是一種剛性材料，具有良好的力學(xué)性能，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性和整體性好、剛度大、抗凍性好的優(yōu)點(diǎn)，其在建筑工程比如道路、橋梁中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，在當(dāng)前混凝土配合比設(shè)計(jì)中，盲目追求高強(qiáng)度，高溫抗裂能力和低溫抗凍能力較差，為了在增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高其抗裂性、抗凍性和耐久能力，確保工程建設(shè)質(zhì)量，有必要運(yùn)用合理的配比技術(shù)和試驗(yàn)進(jìn)行水泥混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題

水泥混凝土是工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用量最大的建筑材料，而配合比設(shè)計(jì)是確保工程質(zhì)量能夠達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵。合理的材料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范給出的包括強(qiáng)度、耐久性、抗裂性、和易性和經(jīng)濟(jì)性等要求確定各種組成成分的用量，以獲得最經(jīng)濟(jì)、最適用的混凝土，因此，為了保證混凝土質(zhì)量，在水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中，必須考慮多方面因素。第一，砂率與混凝土稠度相關(guān)，若砂率過大，在水泥漿用量不變的情況下混凝土的水泥漿就會過少，不利于減少收縮，所以應(yīng)保證砂率適中；第二，水膠比與混凝土強(qiáng)度相關(guān)，水膠比越大，混凝土強(qiáng)度就越小，所以，在滿足和易性要求下，盡量采用較小的水膠比；第三，水膠比相同的情況下，混凝土?xí)S著集灰比的增長而呈現(xiàn)增長趨勢，這主要是因?yàn)榧蠑?shù)量過多、集料吸收水分量過大、實(shí)際水膠比變小引起的，另外，還與混凝土內(nèi)部空隙總體積減少、較高標(biāo)號混凝土水泥用量過大有關(guān)。第四，在水泥混凝土配合比中，單位用水量必須按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)添加，通常視混凝土塌落度、粗骨料品種、粗骨料和細(xì)骨料的最大粒徑而定。

2 水泥混凝土配合比優(yōu)化的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 水泥混凝土的原材料

水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中關(guān)鍵在于選用的水泥，按照相關(guān)規(guī)定，可選用普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山巖質(zhì)硅酸鹽水泥，且水泥的初凝、終凝時(shí)間要保持在3-6h以上，從原則上來講，不采用早強(qiáng)或快硬水泥；碎石的最大粒徑不大于31.5mm，石料顆粒扁平以及中細(xì)長顆粒含量應(yīng)小于15%，避免摻入軟質(zhì)破碎物或其他雜質(zhì)；以粉煤灰作為結(jié)合料，用以填充碎石空隙，從而增強(qiáng)混凝土和易性，并節(jié)約水泥；在水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中，對水沒有特殊要求，飲用水即可。

2.2 水泥混凝土配合比的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 原材料和試驗(yàn)方案。試驗(yàn)選用粉煤灰，所用的水泥為P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，28天抗折強(qiáng)度實(shí)測為8.0MPa，抗壓強(qiáng)度為45.5MPa；粗集料為石灰?guī)r碎石，其中1-3cm粒徑比率為60%，1-2cm粒徑比率占40%，細(xì)集料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.95。為了提高混凝土和易性、密實(shí)度和早期強(qiáng)度，在混凝土中摻入高效引氣減水劑，建議添加量為0.6-1.0%。采用超細(xì)礦渣，比表面積為530cm2/g。

影響水泥混凝土性能的因素很多，比如混凝土水膠比、砂率、粗細(xì)集料最大粒徑、膠凝材料用量、攪拌工藝、澆筑方法等，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng)度以及施工要求的均勻性、和易性、耐久性、抗凍性等。根據(jù)工程要求和材料現(xiàn)狀，通過初步分析計(jì)算和理論論證，決定采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)四個(gè)水平，研究各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度的顯著性，以達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。在普通硅酸鹽水泥中摻入高效減水劑、礦渣，用以優(yōu)化耐久性，并通過前期最大容重試驗(yàn)確定了普通混凝土配比；為了使混凝土抗凍性能達(dá)到要求，控制混凝土的引氣量為±1-5%，由于礦渣摻量不同引氣量也會改變，所以在本試驗(yàn)中將混凝土塌落度控制在3-5cm，通過改變高效減水劑的摻量和水灰比來確定水混凝土配合比。

試驗(yàn)中采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，先按照規(guī)定進(jìn)行稱量，然后將碎石、砂均勻拌合，加入粉煤灰和水泥進(jìn)行為時(shí)1min的干拌，最后加入水和高效減水劑濕拌2min?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2000）以及水泥混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范規(guī)程執(zhí)行，混凝土的力學(xué)性能以及拌合物性能參照《公路工程水泥及混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JIG E30-2005）進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土的開裂試驗(yàn)則參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中相關(guān)混凝土早期抗裂性試驗(yàn)設(shè)計(jì)和評價(jià)方法進(jìn)行。

2.2.2 結(jié)果與分析。水灰比、含氣量是影響混凝土耐久性的首要因素，在本試驗(yàn)中，著重研究兩項(xiàng)控制指標(biāo)。四個(gè)水平含氣量測定結(jié)果為：2.0%、5.5%、5.2%、4.9%。另外，抗折彈性模量是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果表明，添加了高效減水劑和礦渣后，改性后的混凝土與普通混凝土的抗折彈性模量無較大差距，基本上持平。

混凝土的首要性能是強(qiáng)度，其抗彎拉強(qiáng)度越高，反復(fù)彎折作用就越強(qiáng)。由于礦渣的短期性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其長期性能，在試驗(yàn)中重要考察混凝土40天的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和壓折比，四個(gè)水平的試驗(yàn)結(jié)果為：抗壓強(qiáng)度39.0MPa、46.8MPa、48.0MPa、49.3MPa，抗折強(qiáng)度為5.39MPa、6.67MPa、7.10MPa、7.15MPa，壓折比為7.28、7.02、6.76、6.92。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在摻入高效減水劑和礦渣后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都逐漸增加，而抗折強(qiáng)度的增長率較高，壓折比則在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，這說明經(jīng)過改性后的混凝土較普通混凝土具有更高的強(qiáng)度和柔性。在混凝土中摻入較高量的礦渣和減水劑，混凝土的耦合增折作用會降低，當(dāng)?shù)V渣量超過20%，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增長不明顯，因而，外加劑產(chǎn)量要保持在規(guī)定摻量內(nèi)，否則會影響混凝土力學(xué)性能，而礦渣摻量也不宜較大，否則會影響成型，降低混凝土強(qiáng)度。

對混凝土進(jìn)行300次快速凍融循環(huán)，之后對其抗凍性進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在對水泥混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，混凝土強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率大大降低，相較于普通混凝土，摻入高效減水劑和礦渣的混凝土的抗凍性更強(qiáng)。

3 結(jié)語

總之，如果沒有將水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)控制好，材料性能就不能得以有效發(fā)揮，嚴(yán)重的話甚至?xí)o工程帶來質(zhì)量隱患。為了確保水泥混凝土的強(qiáng)度和抗裂性能，必須進(jìn)行合理的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)表明，在普通硅酸鹽混凝土中按照規(guī)定量摻入高效減水劑和礦渣，混凝土性能得到了顯著改善，其耐久性、強(qiáng)度、抗凍性、變形能力、和易性都得以增強(qiáng)，混凝土各項(xiàng)指標(biāo)都得到了大幅度提高，這對于加快施工進(jìn)度、提高工作效率、確保工程質(zhì)量將發(fā)揮重要作用。

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