基于ACI 规范的水下混凝土配合比设计及优化

文摘 2024-12-15 07:02 河南

引言

“一带一路”倡议的实施激励着越来越多的中国建筑企业迈向国际舞台，这些企业也不可避免地会面临各国不同建筑规范带来的多元化挑战。由于美国的技术标准在全球范围内广泛传播和应用，因此，深入研究美国的技术标准，是中国企业在海外建筑市场稳固根基、实现长远发展的关键所在。

目前，水下灌注桩的施工工艺对混凝土的技术要求较高，水下混凝土需具备良好的流动性和适宜的粘聚性，确保运送至现场时具有足够的坍落度（180～220mm）和扩展度（≥500mm）以实现自密实。同时，混凝土的和易性要适中，避免过粘导致的灌桩过程翻浆困难或过稀造成的堵管和断桩，这些要求使水下混凝土的配合比设计极具挑战性，其设计流程涉及的因素众多且复杂。

本文以柬埔寨4号国道上的39座新建或扩建桥梁工程为依托，全面深入研究ACI混凝土技术规范的设计流程，并结合中国的混凝土技术规范，借助SPSSAU进行正交试验分析，寻找最优的混凝土配合比设计。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥：海螺ASTM C150 TypeⅠ水泥，其基本性能指标见表1；粉煤灰：越南生产的 II 级粉煤灰，其基本性能指标见表2；粗集料：粒径分别为5～10mm、10～20mm的碎石；细集料：柬埔寨菩萨河的II区中砂，细度模数2.8，以及II区细砂，细度模数1.9；外加剂：苏博特保坍型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%；拌合水：自来水。集料的级配及基本性能指标见表3、表4。

1.2 ACI规范配合比设计

表5为美国ACI 211.1-1991-R2009《普通混凝土、重混凝土及大体积混凝土配合比选择标准》与中国JGJ55-2011《混凝土配合比设计规程》中混凝土配合比设计的步骤对比。由表5可知，中美混凝土配合比设计在第3～8步时的差异明显。

根据工程图纸的要求，设计混凝土坍落度为（200±20）mm；粗集料的最大公称粒径为19.0mm；本文的混凝土配合比设计流程如下：

（a）设计混凝土的强度。在无过往经验数据的支撑下，引用ACI 318-2014《结构混凝土建筑规范》的混凝土强度计算表进行计算，具体见表6，本工程图纸要求的设计强度f'_c=32MPa，则混凝土配合比设计强度f_cr^'的计算见式（1）。

f_cr^' = f_c^'+ 8.5 =32+8.5=40.5 MPa （1）

（b）预估用水量和含气量。根据ACI211.1-1991-R2009《普通混凝土、重混凝土及大体积混凝土配合比选择标准》中平均骨料所需的大致水量，利用过往经验对每立方米混凝土进行初步估算，给定坍落度所需的用水量，具体见表7。

由表7可知，混凝土坍落度为150～175mm时，预估拌合水为216kg/m³，每立方米混凝土加水2 kg会使坍落度增加约10mm，初步用水量的计算见式（2）。

初步用水量=216+2×（195-175）/10=220 kg/m³ （2）

（c）选择水胶比。混凝土所需的水胶比由其强度、耐久性以及和易性决定，水灰比与混凝土抗压强度的关系见表8，经过多次试配后，参考表8选择水胶比为0.39。

（d）计算胶凝材料用量。根据减水剂的减水率=25%，用水量W、水泥用量C、粉煤灰用量P的计算见式（3）～式（6）。

W =220×（1﹣25%）=165kg/m³ （3）

C +P =165/0.39 =423kg/m³ （4）

P =423×0%=0kg/m³（5）

C =423﹣0=423kg/m³ （6）

（e）计算粗集料含量。引用ACI 211.1-1991-R2009《普通混凝土、重混凝土及大体积混凝土配合比选择标准》中表A1.5.3.6的粗集料系数为0.65，再根据级配要求，M19为粗集料的80%，M12为粗集料的20%，具体用量计算见式（7）～式（9）。

粗集料用量= 1605×0.65=1043.2kg/m³ （7）

M19用量=1043.2×80%=835kg/m³ （8）

M12用量=1043.2×20%=209kg/m³ （9）

（f）计算细集料含量。混凝土的单位体积减去已知成分的体积（水、空气、水泥、粉煤灰和粗骨料）所得到的差值为细集料的体积，具体用量计算见式（10）～式（18）。

M19体积=（835/2.726）/1000=0.306m³ （10）

M12体积=（209/2.729）/1000=0.076m³ （11）

水泥体积=（423/3.038）/1000=0.139m³ （12）

粉煤灰体积=（0/2.52）/1000=0m³ （13）

水体积=165/1000=0.165m³（14）

含气量的体积=1.0/100=0.010m³（15）

粗集料+水泥+粉煤灰+水+含气量的体积

= 0.30 6+0.076+0.139+0+0.165+0.010 = 0.697 m³（16）

河砂体积=1-0.697=0.303m³ （17）

粗砂体积=0.303×2.676×1000=811m³ （18）

（g）得到混凝土的基准配合比，具体见表9。

2 正交试验

正交试验（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素多水平的研究方法，具有高效、快速、经济的优势，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。借助SPSSAU采用正交试验开展高性能水下混凝土配合比优化试验，设计L9(3⁴)正交试验分析各因素对高性能混凝土性能的影响规律，并通过极差分析找出对其具有显著性影响的因素。

正交试验选取的因素水平见表10，经过SPSSAU运算，得到正交设计表，具体见表11，基于表11，在试验室开展混凝土配合比拌合，制备混凝土，混凝土的配合比及性能试验结果见表12。

3 基于正交试验的结果与分析

3.1 基于混凝土强度的极差分析

混凝土强度的极差分析见表13，强度分析的因子水平均值如图1所示。

由表13和图1可知，混凝土强度与胶凝材料用量呈正相关，15%的粉煤灰掺量能达到混凝土最佳强度与制备成本的平衡，细砂掺量的增加会使混凝土强度降低；各因素对混凝土强度影响程度大小排序为粗细砂比例>胶凝材料用量>粉煤灰掺量>外加剂掺量。

3.2 基于混凝土和易性的极差分析

混凝土和易性的极差分析见表14，和易性分析的因子水平均值如图2所示。

由表14和图2可知，混凝土的和易性随着胶凝材料用量的增加而有所改善，15%的粉煤灰掺量能使混凝土达到最佳和易性，细砂掺量的增加也有利于提高混凝土的和易性；各因素对混凝土和易性影响程度的大小排序为胶凝材料用量>粗细砂比例>粉煤灰掺量=外加剂掺量。

3.3 基于混凝土坍落度的极差分析

混凝土坍落度的极差分析见表15，坍落度分析的因子水平均值如图3所示。

由表15和图3可知，混凝土的坍落度随着胶凝材料、粉煤灰掺量和细砂掺量的增加而增加，说明这些因素与坍落度均呈正相关；各因素对混凝土坍落度影响程度的大小排序为外加剂掺量>粉煤灰掺量>粗细砂比例>胶凝材料用量。

3.4 配合比优化

综上，考虑项目的经济性，结合混凝土的强度要求，选择胶凝材料为用量423kg/m³，粉煤灰掺量为15%；再加上运输路程较远，混凝土的和易性和坍落度为关键性指标，因此粗细砂比例选择7:3，减水剂掺量选择1.1%。同时还按照JGJ 55-2011《混凝土配合比设计规程》，基于选定的水胶比、粉煤灰掺量、粗细砂比例及粗细石比例进行对比试验，优化后的混凝土配合比见表16。

结语

本文立足于柬埔寨4号国道的桥梁项目，针对水下混凝土灌注桩的技术难题，深入研究了美国混凝土学会（ACI）的技术规范，并运用正交试验方法及SPSSAU分析，调整了混凝土的配合比，确保了其在水下施工中的流动性及和易性，有效避免了翻浆困难和堵管问题，提高了混凝土结构的质量和性能，加深了企业对水下混凝土配合比设计的认识，推动了混凝土配合比设计的科学化和规范化，为中国建筑企业立足海外建筑市场，适应美国标准提供了有力的技术支撑和实践经验。（来源：《混凝土世界》2024.10）

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