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普通混凝土配合比如何设计?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-10-18

混凝土配合比设计是根据所选择的原材料决定其合理且经济的定量比例,以满足技术经济要求,保证获得与工艺条件相适应的混合物流动性,并在硬化以后达到要求的性能。本文不对配合比的具体设计过程加以阐述,而仅就我们从事配合比设计的经验和体会给出一些帮助意见。

一、砂率的合理确定

在混凝土的各组分中,砂子填充石子的空隙,水泥与水形成水泥浆,水泥浆包裹在集料表面起胶结作用,并填充砂子的空隙,使混凝土形成一个密实的整体。

在《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ/T55—2000) 里,对于中砂和连续粒级石子,根据石子的最大粒径、水灰比给出了相差5%的砂率取值范围,《规程》规定,对于细砂或粗砂,可相应地减少或增大砂率,对于单粒级石子,砂率应适当增大。

砂率对混凝土强度的影响,在一定范围内并不明显。因此,合理砂率值主要应根据混凝土拌合物的坍落度及粘聚性、保水性等特征来确定。

作者曾比较过“搭配”试验法、计算法以及美国混凝土协会的ACI法等方法,美国混凝土协会的ACI法较为准确,但由于和国内标准的衔接问题,具体运用起来有些困难,在比较了国内的几种确定方法后,比较准确实用的方法还是拌合物试验法。具体介绍如下:(1)按砂率值每组相差2%~3%的间隔拌制至少5组不同砂率的混凝土拌合物,并保持各组的用水量及水泥用量相同;(2)分别测定每组混凝土的坍落度值,并同时检验其粘聚性及保水性情况(对坍落度值小于10mm的干硬性或半干硬性混凝土,应以维勃稠度值作为确定合理砂率值的基础);(3)用EX-CEL作坍落度值砂率关系图。一般情况下,如砂率过大,集料的总表面积和空隙率都增大,混凝土拌合物显得干稠,流动性较小。如砂率过小,则砂浆量不足,也将降低拌合物的流动性。因此,在图1上将出现一个坍落度的极大值,与此相应的砂率值即为合理砂率值;此外,在水灰比及用水量比较大的情况下,砂率过小会引起混凝土的离析及泌水。此时,坍落度值大而不稳定,以致在关系图上反映不出极大值点来。此时,合理砂率值应为粘聚性及保水性良好,且混凝土坍落度值为最大时所对应的砂率值。

从图1可以看出,坍落度随砂率增大而增大,到最佳砂率时达到最大,然后随砂率的增大而减小,比较几条曲线可以看出,水灰比越大,砂率对坍落度的影响越明显。

在选取5个试配砂率时,对于中砂和连续粒级的石子,可用《普通混凝土配合比设计规程》砂率表的中间值作为5个试配砂率的中间值,再向左右按2%~3%的间隔各确定两个砂率值,作为5个试配砂率,最佳砂率一般都会在5个试配砂率的最大值和最小值之间。对于细砂,可根据砂子细度模数的大小比中砂的5个试配砂率减少3%~6%确定5个试配砂率;对于粗砂,则相反。对于单粒级的石子,一般应增加2%~4%。根据我们的经验,使用最大粒径小于16mm的石子配制混凝土时,最佳砂率变动的范围较大,做5组不同砂率的试验有时不能确定最佳砂率,一般应做7组为宜。

二、使用非连续级配的石子配制混凝土

《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JCJ53—R92) 中要求,单粒级石子宜用于组合成具有要求级配的连续粒级,也可与连续粒级混合使用,以改善其级配或配成较大粒度的连续粒级。不宜用单一的单粒级配制混凝土。如必须单独使用,则应作技术经济分析,并应通过试验证明不会发生离析或影响混凝土的质量。图2描绘的是对两种石子配制的混凝土的坍落形状。

从图2描绘的形状可以看出,非连续粒级石子配制的混凝土体积稳定,坍落度小。在坍落度试验中我们也发现,用非连续粒级石子配制的混凝土容易发生崩塌和一边剪坏现象,而且常发生离析现象,上述现象表明,用非连续粒级石子配制的混凝土大多工作性不佳。

用非连续级配集料时,由于粒级之间的配合间断,骨架作用明显,各组分颗粒间缺少有机的衔接,各组分之间严重分离,缺少中间粒级的传力和阻碍作用,使得粗集料更容易在模内下沉形成分层或是稀水泥浆从拌合物中流失,造成混凝土拌合物不均匀和失去连续性,混凝土发生离析。有人认为非连续粒级石子配制的混凝土,由于其石子粘结面较小,内部缺陷较多,抗压强度要低,根据我们长期、大量使用非连续粒级石子配制混凝土的经验,对于强度小于C35、坍落度不大于50mm的混凝土来讲,石子的级配对混凝土的抗压强度影响不大。

造成非连续粒级石子级配差的原因大多在于5~10mm的小石子缺乏,针对这种情况,对强度不大于C30、坍落度不大于50mm的混凝土,为改善混凝土的工作性能,可采取增加砂率,增加水泥浆的办法纠正,一般可获得良好的工作性。

对配制强度超过C35,坍落度大于50mm的混凝土,使用粒径大于25mm的非连续粒级石子,需掺加外加剂和掺合料,混凝土抗压强度往往比预期的要低。

三、泵送混凝土砂率的确定

为保证泵送混凝土有较好的可泵性, 《普通混凝土配合比设计规程》规定,泵送混凝土的砂率宜为35% ~45%,宜用中砂,其通过0.315mm筛孔的颗粒含量不应少于15%。规定比非泵送混凝土大的砂率的主要目的,是为混凝土拌合物有足够量的砂浆,以保证泵送混凝土有较高的流动性、可泵性。

在具体确定泵送混凝土的砂率时,由于砂率取值范围较大,很多配制人员感到比较困难,确定砂率总的原则是:外加剂减水效果越好,所需砂率越小;细粉料越多,所需砂率越小;I级粉煤灰比II级粉煤灰所需砂率要小。

细粉料除了通过提高混凝土的流动性以改善混凝土的可泵性外,还可以在管道的内壁形成附壁层,以减少中心料流的摩擦阻力,提高混凝土的可泵性,但细粉料含量过大也是有害的,因为细粉料需要较多的水,并形成黏稠的混合物,沿管道运动的黏滞阻力增大,使泵送压力增加,导致管道堵塞。当粗集料最大粒径Dmax=31.5mm时,细粉料350~400kg/m黏滞阻力最小;当粗集料最大粒径Dmax=16mm时,细粉料400~450kg/m黏滞阻力最小。对于大多数的泵送混凝土,细粉料含量都能满足要求,在具体配制时,可对砂子通过0.315mm的颗粒含量不予控制。

对于坍落度80mm的泵送混凝土,砂率可按下表确定,对坍落度大于80mm的泵送混凝土,可按坍落度每增大20mm,砂率增大1%予以调整。泵送混凝土的合理砂率见表1。

四、使用特细砂配制混凝土

随着建筑用砂资源的日渐枯竭,特细砂在建筑工程中的应用也日趋广泛。特细砂指的是细度模数小于1.6的砂子,其特点有含泥量、泥块含量大,级配分区为III区或III区以外,级配差。使用特细砂配制混凝土常见的问题是流动性差,抗压强度低,裂缝较多。

特细砂比表面积大,颗粒多,拌合用水中相当多的水分吸附在砂的表面,使拌合物黏滞度增大,粘聚力增强,很难靠混凝土自重克服结构黏度及限剪应力而产生变形流动。在相同砂重的条件下,较中粗砂混凝土拌合物要消耗较多的水泥浆才能获得相同的坍落度。砂子颗粒表面粘有泥土,减弱了砂子颗粒与水泥浆的粘结力,再加上特细砂混凝土需水量大等因素,从而影响了混凝土的抗压强度。

特细砂混凝土所需水泥用量较大,再加上特细砂含泥量较大等因素,造成混凝土硬化收缩较大,从而使混凝土较易出现裂缝。针对造成特细砂混凝土性能不佳的原因,采取以下对策,可得到一定程度的纠正。

(一)低坍落度

在配制混凝土时,对于施工规范要求35~50mm的,使用特细砂混凝土,坍落度达到10~20mm即可振捣密实,如果坍落度达到35~50mm,反倒会在其上表面形成一个较厚的砂浆层。特细砂混凝土所需坍落度较小的原因在于,特细砂混凝土的坍落度并不能很好地反映其工作性,在振捣时,特细砂混凝土易液化,有良好的流动性,易振捣密实。

较小的坍落度,在保持强度不变的条件下,会减少水泥用量,从而也减少了裂缝出现的可能。

(二)低砂率

为保证混凝土有满足要求的粘聚性,混凝土中的砂浆数量通常大幅超过石子间隙,特细砂混凝土的粘聚性通常较好,在配制细度模数1.0~1.5的特细砂混凝土时,可在中砂砂率的基础上降低5%~10%。较低的砂率可有效提高混凝土强度和减少混凝土裂缝。

(三)低水泥用量

使用32.5级的水泥配制C25及以下的特细砂混凝土,从经济性和技术上是可行的,对于C30及以上的混凝土,使用32.5级的水泥,水泥用量太大,混凝土易出现裂缝,也不经济。配制C30及以上的混凝土,最好使用42.5级的水泥,或者添加减水、引气的外加剂。

五、应高度重视混凝土的耐久性

耐久性作为混凝土的一个重要指标,在设计混凝土配合比时应与强度、工作性作同等重要的考虑,不是只对有特殊要求的混凝土才考虑耐久性,而应对所有混凝土均加以考虑。

我们在对主体结构刚刚完成的建筑物的混凝土进行回弹检测中发现,龄期2~3个月的混凝土,其碳化深度已达5~6mm,龄期刚刚28d的混凝土最深的碳化深度就多达4mm,共同的规律是,使用矿渣水泥的混凝土比使用普通水泥的混凝土碳化得快,砂粒粗的比砂粒细的混凝土碳化得快,在使用新标准后的水泥比使用新标准前的水泥浇筑的混凝土碳化要快。这些现象提示我们,在设计配合比时,要高度重视混凝土的耐久性问题,碳化深度一旦超过保护层厚度,钢筋就失去了保护,很容易锈蚀。

混凝土的耐久性取决于渗透性,渗透性是耐久性的第一道防线,渗透性主要取决于水灰比和胶结材料用量,为减小水灰比,可采用掺加引气剂或减水剂的方法,减少用水量,以减小水灰比。为提高耐久性,使用较高的水泥用量会造成较高的建设成本,可采用加入硅粉和矿渣超细粉等矿物超细粉,以降低水泥用量,而达到降低成本、提高耐久性的目的。

我们在检查施工资料的过程中发现,有的施工单位C15的结构构件所使用的配合比的水灰比为0.75,0.75的水灰比是无法满足结构构件的耐久性要求的,虽然《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2000)中对C15的混凝土没有作出最大水灰比和最小水泥用量的限制,C15的混凝土作为垫层使用可不限制其最大水灰比和最小水泥用量,但作为结构构件,还是必须限制其最大水灰比的。

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