特细砂混凝土配合比优化设计探讨

文摘 2025-01-03 07:01 河南

我国特细砂分布广泛，长江、黄河、珠江等流域的河沙以及西北和新疆等地的风砂均为特细砂，而且产量较多，资源丰富，开采运输方便。科学合理地利用这些特细砂自然资源，从根本上降低工程造价、缩短施工工期，对保护环境、节约能源、加快工程建设速度具有显著的社会及经济效益。特细砂混凝土具有和易性好、粘聚性强、易振捣液化等优点。从20世纪60年代开始，特细砂混凝土在土木建筑工程中就广泛应用。长期以来，由于受常规设计方法的制约，配制的特细砂混凝土存在水泥用量大、水化热高、收缩大、易开裂的问题，为水工混凝土所忌讳。为了设计出耐久、安全、生态、经济和工作性强的特细砂混凝土配合比，我们进行了多种因素的对比试验，对多种设计方案进行了对比分析，研究了水胶比、砂率、粉煤灰掺量、外加剂品种等因素与混凝土强度的关系，从而确定了特细砂混凝土配合比的优化设计。

1特细砂混凝土配合比的优化设计

1.1最佳设计方案的选择

1.1.1逆填配比设计法

混凝土配合比的设计方法通常有普通混凝土配合比设计法，粉煤灰混凝土超量取代法，逆填配比设计法等几种设计思想。通过对多种设计方案的对比分析，在强度基本相近的情况下，逆填配比设计法所配制出的混凝土比传统的配比方法坍落度提高约20mm，且坍落度经时损失较少，利于泵送施工及提高工程质量。由于寻求混凝土固态材料在最佳级配时的最大混合单位重，逆填配设计法比普通混凝土配合比设计节约水泥36％，比粉煤灰混凝土超量取代法节约水泥25％，同时比超量取代法多用工业渣粉煤灰37％。

因此逆填法配合比设计法具有十分显著的经济效益和社会效益，是特细砂配合比设计的最佳方案之一。

1.1.2“三低一超”法

根据对特细砂混凝土有关性能的试验研究后发现，我们认为采用“三低一超”法更能符合特细砂混凝土的特性，有利于解决特细砂对混凝土强度影响大，混凝土收缩量大和易开裂等缺点。

所谓“三低一超”就是指低砂率、低坍落度、低水泥用量和粉煤灰的超量取代。

(1)低砂率。

集料对混凝土的收缩有一定影响，对粗集料而言，主要是粗集料的粒径和含泥量三个参数，粗集料用量越多，粒径越大、含水量泥量越低，其对混凝土收缩的制约能力越强，所得混凝土的收缩越小。细集料细度模数越低、含泥量越大，达到一定工作性所需水泥用量和拌合水用量也越大，混凝土的收缩也越大。这是特细砂混凝土宜采用低砂率的重要原因之一。在实践中，计算特细砂砂率时不考虑浆体的富余系数，相反采用比计算值小2％～3％砂率来配置，以粉煤灰来超量取代，这样可以显著降低混凝土单位水量和改善低砂率特细砂混凝土和易性。这是区别于常规混凝土配合比的重要的一点。

(2)低坍落度。

低坍落度指的是特细砂水工大体积混凝土需采用低坍度施工，特细砂混凝土宜配制成低流动性混凝土，一般不超过30mm，在施工中一般采用10～20mm坍落度。新编《水工混凝土规范》DL/T5144也规定大体积等混凝土宜采用10～30mm坍落度施工。这主要是从降低混凝土水化热角度出发，也利于机械化作用。试验发现，特细砂混凝土坍落度每提高20mm，约增加用水量10，增加胶材15～25，这对特细砂是十分不利的，因为同配比条件下，特细砂混凝土的收缩值较中粗砂混凝土同龄期的收缩值大，且对混凝土温控不利。因此，特细砂混凝土需采用低坍落度施工减小水泥用量，这就使特细砂水混凝土采用低坍落度施工具有必要性。

另外值得注意是，特细砂混凝土的坍落度并不能很好地反映其工作度，一般不超过30mm。当特细砂混凝土振捣时，其易液化，有良好的流动性，易振捣密实，这一特性使特细砂混凝土采用低坍落度施工成为可能。相反，若采用常规坍落度40～60mm施工，混凝土振捣后易在其表面出现一层30～40mm厚的砂浆，这对混凝土抗裂非常不利。把水胶比、灰胶比和强度分别看作三个坐标、y和z的三维系统，在三维系统中强度z表达为水灰比和灰胶比，的函数，它是一个曲面，同强度和水灰比二维直线关系一样，利用三维曲面，来设计特细砂混凝土的配合。

(3)低水泥量。

特细砂混凝土要求低水灰比、高流动度，势必增加混凝土的总细粉用量和砂率，而混凝土总细粉用量和砂率的增加会导致混凝土收缩的增加。采用低砂率、低坍落度拌制特细砂混凝土时，应考虑合适的水泥用量，一方面把混凝土水化减缩减到最小，一方面也是考虑混凝土消化热问题。要降低水泥用量、减小水化热的主要方法有：①采用复合型缓凝高效减水剂以降低混凝土单位用水量和降低水化热峰值；②采用高掺粉煤灰等掺合料。

(4)粉煤灰超量取代。

当采用低砂率、低水泥用量时，混凝土和易性会受到影响，为了改善混凝土和易性可用粉煤灰超量取代法。所谓“超量取代法”，是指粉煤灰总掺入量中，一部分取代等体积的水泥，超量部分粉煤灰取代等体积的砂。在相同水胶比下，粉煤灰的掺量不超过20％时，对混凝土性能影响不大，只是混凝土的温升稍有降低；只有掺量超过25％时，粉煤灰对混凝土的性能才会有明显的改善。超量系数的选用有两个条件：采取超掺系数法后，胶材中粉煤灰的含量不宜超过50％；使混凝土达到优良和易性。

通过对填法配合比设计法和“三低一超”法的阐述，我们看出填法配合比设计法具有十分显著的经济效益和社会效益，而“三低一超”法更能符合特细砂混凝土的特性，二者有机结合、综合运用就是特细砂混凝土配合比的最佳设计方案。

1.2最佳砂率的选择

根据DB51/5002对特细砂混凝土的应用技术规程，特细砂混凝土砂率是影响混凝土性能的最主要因素。最佳砂率的选择正确与否，将对混凝土的强度、用水量、流动性、和易性、粘聚性和保水性产生较大影响。

特细砂混凝土的强度对砂率的敏感度比普通混凝土大，所以在特细砂混凝土配合比设计中，应特别注重最佳砂率的选择。达到最佳流动性的最佳砂率，在水泥用量和用水量一定的条件下，随着砂率的增加，坍落度减少但混凝土拌和物的粘度系数有一个极值，它对应的砂率是混凝土拌合物具有最小粘度系数的最佳砂率。所以实际最佳砂率应同时考虑密实度和流动陛两个因素。

1.3最佳水灰比的选择

1.3.1水灰比对混凝土抗裂强度的影响

(1)水灰比对混凝土拌合物塑性收缩裂缝面积的影响存在一最不利值，该值约为0.5，低于0.5时，塑性收缩裂缝面积随水灰比的提高而增大，大于0.5后，塑性收缩裂缝面积随水灰比的提高而减小。

(2)单位体积水泥浆量对混凝土塑性收缩裂缝面积的影响规律与水灰比的影响类似，与最大塑性收缩裂缝面积对应的水泥浆量在0.33～0.43m³／m³混凝土之间。

(3)水灰比在0.350.65范围内，混凝土拌合物水份蒸发速率随水灰比的提高而增大，两者之间有良好线性相关性。

1.3.2水灰比的选取及选择

混凝土配合比计算后必须要在试验室进行试配与调整，以求得最佳的施工配合比。首先应进行试拌，以检查拌合物的性能，通过调整得到工作性满足要求的配合比作为基准配合比进行强度试验。混凝试配时可采用下述方法进行强度试验与校核。

28d龄期标准法采用三个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水灰比较基准配合比分别增加和减少0.05，用标准养护28d龄期的强度与灰水比的关系作图或计算，求出试配强度所对应的灰水比，定出所需的配合比。

用标准法求得的配合比能保证配制强度，满足工作性的要求，并能在满足强度的前提下，使水泥用量最少。

2结论

本文通过对特细砂混凝土配合比“三个最佳”即：最佳设计方案、最佳砂率、最佳水灰比选择的阐述，从而提出特细砂混凝土配合比优化设计方案。特细砂混凝土配合比设计宜采用“三低一超”法联合使用，这样能明显改善混凝土的物理力学性能、变形性能和经济。特细砂砂率对混凝土强度影响的灵敏度比中粗砂混凝土要大，达到最佳流动性的最佳砂率，在水泥用量和用水量一定的条件下，随着砂率的增加，坍落度减少但混凝土拌和物的粘度系数有一个极值，它对应的砂率是混凝土拌合物具有最小粘度系数的最佳砂率。最佳配比的确定，采用三个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水灰比较基准配合比分别增加和减少0.05，用标准养护28d龄期的强度与灰水比的关系作图或计算，求出试配强度所对应的灰水比，定出所需的配合比。

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