C35耐热混凝土配合比优化设计

文摘 2024-11-22 07:04 河南

0引言

随着我国现代化城市的建设发展，民用住宅建筑的层数越来越高，可能导致火灾发生的隐患也越来越多。在火灾事故中，建筑物长时间在高温作用下会导致材料性能严重劣化，建筑结构损伤严重，承载能力急剧下降，甚至导致建筑物倒塌，造成巨大的财产损失和人员伤亡。因此采用耐热性能良好、经济适用的耐热混凝土，提高建筑物耐高温性能成为建筑结构设计中的重要部分。耐热混凝土种类众多，不同原材料的耐热混凝土受热作用机理也有所不同，有研究表明，在混凝土中掺入粉煤灰可有效提高混凝土的耐热性能。采用粉煤灰、水泥、砂石等普通混凝土原材料，通过L9（3³）正交试验设计方案安排试验，分析试验结果，优选出符合经济性，满足耐热度为450℃的C35耐热混凝土配合比，为实际工程提供参考。

1原材料信息

水泥：福清万年青水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其混合材料种类为燃煤炉渣、煤矸石和粉煤灰，不含石灰石等高温下易分解材料，其各项性能见表1。

细骨料：玄武岩机制砂，中砂，细度模数2.9，石粉含量为3.5%。

粗骨料：玄武岩反击破碎石，连续级配，级配范围5～20mm，含泥量为0.3%，压碎值指标为4.1%，针片状颗粒含量为2%。

粉煤灰：福建泊安建材有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，各项性能见表2。

外加剂：中铁一局集团工贸公司生产的金兰HN缓凝型高效减水剂，掺量按胶凝材料总量的1.2%，各项性能均符合标准GB8076-2008《混凝土外加剂》中技术要求。

2配合比设计

本试验耐热混凝土设计强度等级为C35，耐热温度不小于450℃，坍落度为140～160mm，其余各项性能指标见表3。

依据标准YB/T4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》中设计要求，试配强度为43.2MPa，选取基准水胶比为0.46，经过试拌调整用水量及砂率，得出未掺粉煤灰的基准配合比为水泥:水:砂:碎石:外加剂=365:168:784:1083:4.38（kg/m³），坍落度为145mm，和易性良好，无泌水，满足施工要求。

在基准配合比基础上，用水量固定为168kg/m³，采用三因素三水平正交试验，通过设计9组不同的配合比方案，进行对比分析找出满足设计要求的最佳配合比。试验配合比的水胶比(因素A)选取0.49、0.46、0.43三个水平，砂率(因素B)选取0.40、0.42、0.44三个水平，粉煤灰掺量(因素C)按取代胶凝材料用量的百分比选取15%、30%、45%三个水平，经排列组合后，计算得出混凝土配合比L9（3³）正交试验设计方案见表4。

按表4配合比进行称量拌制，测量坍落度，观察其工作性能，采用人工插捣，制作成型100mm×100mm×100mm的立方体试块，覆膜静置24h后脱模，放入标准养护室养护，养护至规定龄期后，取出试件，按标准YB/T4252-2011中试验方法，进行混凝土抗压强度、烘干强度及残余强度试验。

3试验仪器及方法

3.1试验仪器

本试验仪器采用无锡新路达仪器设备有限公司生产的TYA-2000型电液式压力试验机，上海东星建材仪器试验设备有限公司生产的101-3A型电热恒温鼓风干燥箱及5-12型箱式电阻炉，均经过检定符合标准要求。

3.2试验方法

（1）28d抗压强度：标养至28d龄期后，取出试件按标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的方法测其抗压强度。

（2）110℃烘干强度：试块标养到期后，置于温度为（110±5）℃的电热恒温干燥箱内，烘干24h，然后自然冷却至室温，进行试压，测其烘干强度。

（3）450℃残余强度：试块经过烘干后，置于箱式电阻炉中加热，设定温度450℃并按平均2～3℃/min匀速升温，试块恒温3h后，取出自然冷却至室温，立即送压，测其残余强度。

4试验结果分析

经试验后，配合比的坍落度及强度试验结果见表5，450℃煅烧后混凝土外观均无裂纹。

由表5中结果可知，各配合比所成型试块的110℃烘干强度结果较28d抗压强度均有提高，是因为混凝土内部水分在烘干过程中，由于自蒸养作用，能促进水泥的水化过程，从而一定程度提高了混凝土强度。

同时由表5可以看出水胶比越小，混凝土28d抗压强度越高，450℃高温煅烧后的强度损失也较小；各配合比试块450℃残余强度均大于50%C35（即17.5MPa），而混凝土试块外观均无裂缝出现，都可满足设计要求。由于本次试验所采

用的粗细骨料均为玄武岩，粒形较好，针片状颗粒含量少，与胶凝材料界面粘结较好，且作为火成岩在耐热条件为500℃以下的耐热混凝土中使用是安全的；同时掺合料粉煤灰能增强水泥石与骨料的界面粘结力，能结合f-CaO，减少C-S-H凝胶开裂，降低水泥石结构的破坏程度，粉煤灰的使用能有效提高混凝土的耐热性能，减少强度损失。

采用极差分析法对表5中试验结果进行分析，极差分析结果见表6。

由表6极差分析结果可以看出各因素对坍落度指标的影响主次顺序为粉煤灰掺量（C）＞砂率（B）＞水胶比（A），同理对于28d抗压强度、110℃烘干强度及450℃残余强度各因素影响的主次顺序均为水胶比（A）＞粉煤灰掺量（C）＞砂率（B）。根据各因素对应试验结果的最大平均值k，得出各性能指标对应的最优配合比组合：对于坍落度指标为A2B3C3，对于28d抗压强度、110℃烘干强度及450℃残余强度指标均为A3B1C1。通过配合比性能试验结果，分析上述2组可能的最优配合比组合，可以看出2组配合比试验结果均超过设计目标值较多。

通过结合因素的影响主次顺序，并考虑合理的经济性，根据本次试验耐热混凝土试配强度为43.2MPa，坍落度为140～160mm的要求，综合平衡考虑，确定出最优的配合比组合为A2B1C2，刚好是本次正交试验方案中第4组试验。由表5中结果可以看出，该配合比组合A2B1C2所拌制的混凝土坍落度、28d抗压强度、110℃烘干强度、450℃残余强度及煅烧后外观均能满足本次耐热混凝土的设计要求。

因此，本次试验选定的最优配合比为水泥:水:砂:碎石:粉煤灰:外加剂=256:168:747:1120:109.5:4.38（kg/m³）。

5结语

通过本次试验结果可以看出，水胶比及粉煤灰掺量对混凝土耐热性能的影响较大。适当降低水胶比，以及掺加适量粉煤灰能有效提高混凝土耐热性能。粉煤灰的使用，不仅能改善混凝土的耐热性能，同时能降低生产成本，因此在实际工程中应多加利用。实际工程中不同的建筑构件对耐热度的要求有所不同，本试验所用原材料在实际生产中都较为普通易得，通过试验能够配制出满足工作性能、耐热度为450℃的C35耐热混凝土。实际工程在配制耐热度低于500℃的耐热混凝土时可以作为参考，结合实际原材料，采用正交试验设计方法，配制出符合实际生产、经济适用的耐热混凝土。

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