自密實混凝土配合比設計及正交試驗研究

 饒江1  錢維坤2
(1．勝利油田管理局供水公司，山東東營  257097；2．勝利油田樁西采油廠，山東東營257237 )

      [摘要] 采用改進的全計算法對自密實混凝土進行配合比設計，在此基礎上采用正交試驗進一步研究了水泥、粉煤灰、砂、碎石和外加劑等因素對自密實混凝土工作性和強度的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定了自密實混凝土配合比。結果表明：改進的全計算法是一種科學、合理、準確的自密實混凝土配合比設計方法。
      [關鍵詞] 全計算法；自密實混凝土；配合比設計；正交試驗
      [中圖分類號]TU528．53
      [文獻標識碼] A 
      [文章編號] 1001．523X(2005)12-0077-03

      自密實混凝土配制的關鍵是在保證所需性能的前提下，得到可以不振搗，必要時也可少振搗的高流動性混凝土拌合物。自密實混凝土配制的基本原理是通過外加劑的復合、優(yōu)質摻合料及粗細骨料的選擇與搭配，使混凝土拌合物具有很高的流動性，可以自流平而充滿模型，并且不泌水、不離析，成型后質量均勻，不會產(chǎn)生普通混凝土那樣由于振搗不當而造成的蜂窩、麻面和內部空洞等質量缺陷[1]。

      影響自密實混凝土流變性能的因素多而復雜，通常需要做大量的試配試驗才能確定其配合比。正交試驗法[2]具有“均衡分散性”和“綜合可比性”的特點，是研究和處理多因素試驗的一種科學方法，按該方法進行混凝土配合比試驗其結果能客觀地反映配制規(guī)律、較方便地進行配合比優(yōu)化。

      1 技術路線及目標

      a)將萘系高效減水劑與木質素磺酸鈣復合使用，在一定的水灰比下，得到較大的原始坍落度，又有較小的坍落度損失[3]。采用高效復合外加劑可降低水膠比，保證強度；同時提高混凝土流動性，降低混凝土拌合物的屈服應力，保持適當?shù)恼扯认禂?shù)，使拌合物具有自密性并具有抗離析所需要的粘性。
      b)采用粉煤灰作為混凝土礦物摻合料，利用其活性效應、形態(tài)效應、微集料效應等提高新拌混凝土的變形性能和抗離析及保水性能，同時改善和提高混凝土后期耐久性。
      c)用正交試驗方法研究水泥、粉煤灰、砂、碎石等因素對自密實混凝土工作性和強度的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定自密實混凝土配合比。
      d)以坍落度、擴展度、坍落度和擴展度損失等指標綜合測定自密實混凝土的工作性。
      e)采用當?shù)卦牧虾统Ｒ?guī)生產(chǎn)工藝配制自密實混凝土。

      2 自密實混凝土的試驗研究

      2．1 試驗用原材料

      a)水泥：山東鋁廠P•o42.5，水泥28 d抗壓強度實測值fce= 48.0 MPa，密度為3 100 kg／m3。
      b)砂：河砂，Mr=2.91，堆積密度為1 540 kg／m3，表觀密度為2 620 kg/m3。
      c)石子：碎石，最大粒徑為20 mm，連續(xù)級配，堆積密度為1510 kg／cm。表觀密度為2 650 kg/m。壓碎指標為9.3%，針片狀含量為5.3%，含泥量為1.2% 。
      d)粉煤灰：勝利電廠Ⅲ級灰，粉煤灰細度0.045 mm篩余為26.5%，密度為2300 kg/m。水泥和粉煤灰的主要化學成分見表1。

      表1 水泥和粉煤灰的化學成分（%） 

      d)外加劑：山東東營神龍外加劑廠生產(chǎn)的高效減水劑和緩凝劑。
      e)水：自來水。

      2.2 試驗方法
     
      建筑用砂GB／T14684—2001，建筑用卵石、碎石GB／T14685—2001，用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB1596—1991，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準GB50080—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準GB50081—2002?；炷量箟涸噳K采用150 mm×150 mm×150 mm的試模成型，所有試塊均采用標準養(yǎng)護。

      3 自密實混凝土配合比計算方法

      3.1 固定砂石體積含量計算法[1]。

      固定砂石體積含量計算法是根據(jù)高流動自密實混凝土流動性、抗離析性和配合比各因素之問的平衡關系，在試驗研究的基礎上得到的一種能較好適應高流動自密實混凝土特點和要求的配合比計算方法。

      3.2 全計算法[4]

      全計算法的基本觀點：
      a)混凝土各組成材料(包括固、氣、液三相)具有體積加和性；
      b)石子的空隙由于砂漿填充；
      c)干砂漿的空隙由水填充；
      d)干砂漿由水泥、細摻料、砂和空隙所組成。全計算法設計原理為：由假定的混凝土體積模型經(jīng)過數(shù)學推導，得出混凝土單方用水量和砂率的計算公式，再結合傳統(tǒng)的水灰比定則，即可全面定量地得出混凝土中各組分的用量，這樣便實現(xiàn)了自密實混凝土配合比設計從半定量走向全定量的全計算法。是自密實混凝土配合比設計上的進一步完善。

      3.3 改進的全計算法[5]

      直接將混凝土配合比計算的全計算法用于計算自密實混凝土時，算得的砂率和漿集比都偏低，難以滿足自密實的要求，全計算法用于自密實混凝土有其不適合之處，需要加以改進。改進的全計算法是針對自密實混凝土的特點，結合固定砂石體積含量法的特點，對全計算法用于計算自密實混凝土配比進行改進，提出以下計算步驟和公式：

      3.3.1 配制強度

      Fce，o= Fce，k +1.645a (1)

      式中：Fce，o為設計的混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；a為混凝土強度標準差，MPa。

      3.3.2 水膠比
     

      3.3.3石子用量

      G=aÓG(3)
     
      式中：a取0.5-0.6；ÓG為石子堆積密度，kg／m。

      3.3.4砂用量
     

      式中：取0.4~0.5；Vm為砂漿體積，，m3；分別為砂、石子表觀密度，kg／m。

      3.3.5用水量
     

      式中：Ve、Va分別為漿體體積和空氣體積，Ve=Vm一，m3；分別為水泥和粉煤灰密度，kg／m3；為膠水比；φ為摻合料(粉煤灰)體積摻量百分比。

      3.3.6膠凝材料組成與用量
     

      式中：為摻合料重量摻量，m(c)為水泥用量，m(f)為摻合料用量。
     
      3.3.7由混凝土流動性、填充性、間隙通過性和抗離析性等要求確定外加劑的用量。

      4 自密實混凝±配合比正交試驗研究

      采用改進的全計算法進行混凝土配合比設計，試驗以碎石用量系數(shù)、砂用量系數(shù)、粉煤灰體積摻量、高效減水劑和緩凝劑摻量共五個因素(每一因素取四個水平)進行正交試驗研究，以混凝土的工作性(坍落度、擴展度及其經(jīng)時變化)和抗壓強度為考核指標，優(yōu)化自密實混凝土配合比。

      正交設計的因素與水平表見表2；正交試驗方案L16(45)見表3；正交試驗結果見表4；部分試驗極差計算結果見表5。

      表2因素水平表 

因素	A	B	C	D	E
水平	碎石用量系數(shù)	砂用量系數(shù)	粉煤灰體積摻量	高效減水劑%	緩凝劑%
1	0.5	0.4	25	0.7	0.05
2	0.533	0.433	30	1	0.08
3	0.567	0.467	35	1.3	0.11
4	0.6	0.5	40	1.6	0.14

      以部分試驗結果為例作極差分析，計算結果見表5；以90 min內坍落度與擴展度損失結果作極差分析，計算結果見表6。分析表5及表6可知各因素對新拌混凝土流動性和硬化混凝土強度的影響順序和最優(yōu)配合比：

      a)影響0 min坍落度順序為CBEAD，最優(yōu)配合比A2B1C3D1Et；
      b)影響0min擴展度順序為CBAED，最優(yōu)配合比A2B1C3 D3E1；
      c)影響28 d抗壓強度順序為BCDAE，最優(yōu)配合比A1B2c2D1E4；
      d)影響90 min內坍落度損失順序為CBAED，最優(yōu)配合比A4B4c1D3E2；
      e)影響90 min內擴展度損失順序為DBAEC，最優(yōu)配合比A4B1c2D4E4；

      由上述坍落度、擴展度、28d抗壓強度、90min內坍落度與擴展度損失的最優(yōu)配合比和試驗記錄，經(jīng)綜合分析評價可得到最優(yōu)配比為：A2B1C3D3E4，即碎石用量系數(shù)為0.533，砂用量系數(shù)為0.4，粉煤灰體積摻量為35%，高效減水劑為1.3%，緩凝劑為0.14%。另外課題組以此作為配合比進行了多次實驗室復驗，試驗結果均很好。

      5 結論

      與普通混凝土相比，自密實混凝土配合比計算涉及的因素多，除了要滿足強度等力學性能，對工作性更有很高的要求，因此，自密實混凝土配合比與普通混凝土配合比有很大差別。本文采用改進的全計算法對自密實混凝土進行配合比設計，在此基礎上運用正交試驗方法研究水泥、粉煤灰、砂、碎石等因素對自密實混凝土工作性和力學性能的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定了自密實混凝土的配合比。改進的全計算法更能符合自密實混凝土的特點并且計算簡單，使用方便。因此，改進的全計算法是一種科學、合理、準確的自密實混凝土配合比設汁方法。

      參考文獻：
      1、 吳中偉，廉慧珍。高性能混凝土[M]。北京：中國鐵道出版社，1999
      2、 欒軍編，現(xiàn)代試驗設計優(yōu)化方法[M]。上海，上海交通大學出版社，1994
      3、 Dodson V H．Concrete Admixture．Structural Engineering Series．Van Nostrand Reinhold，New York，1990
      4、 陳建奎，王棟民。高性能混凝土(HPC)配合比設計新法——全計算法[J]．硅酸鹽學報。2000，(4)
      5、 余志武等．淺談自密實高性能混凝土配合比的計算方法[J]?；炷?，2004，(1)