自密實混凝土配合比設(shè)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(jìn)的全計算法對自密實混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用正交試驗進(jìn)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(qiáng)度的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定了自密實混凝土配合比。結(jié)果表明：改進(jìn)的全計算法是一種科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的自密實混凝土配合比設(shè)計方法。
      [關(guān)鍵詞] 全計算法；自密實混凝土；配合比設(shè)計；正交試驗
      [中圖分類號]TU528．53
      [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A 
      [文章編號] 1001．523X(2005)12-0077-03

      自密實混凝土配制的關(guān)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(fù)合、優(yōu)質(zhì)摻合料及粗細(xì)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(zhì)量均勻，不會產(chǎn)生普通混凝土那樣由于振搗不當(dāng)而造成的蜂窩、麻面和內(nèi)部空洞等質(zhì)量缺陷[1]。

      影響自密實混凝土流變性能的因素多而復(fù)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(xué)方法，按該方法進(jìn)行混凝土配合比試驗其結(jié)果能客觀地反映配制規(guī)律、較方便地進(jìn)行配合比優(yōu)化。

      1 技術(shù)路線及目標(biāo)

      a)將萘系高效減水劑與木質(zhì)素磺酸鈣復(fù)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(fù)合外加劑可降低水膠比，保證強(qiáng)度；同時提高混凝土流動性，降低混凝土拌合物的屈服應(yīng)力，保持適當(dāng)?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(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)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(qiáng)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(kuò)展度、坍落度和擴(kuò)展度損失等指標(biāo)綜合測定自密實混凝土的工作性。
      e)采用當(dāng)?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(qiáng)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(biāo)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(xì)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(xué)成分見表1。

      表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)GB50080—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

      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(guān)系，在試驗研究的基礎(chǔ)上得到的一種能較好適應(yīng)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(xì)摻料、砂和空隙所組成。全計算法設(shè)計原理為：由假定的混凝土體積模型經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出混凝土單方用水量和砂率的計算公式，再結(jié)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(shè)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(shè)計上的進(jìn)一步完善。

      3.3 改進(jìn)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?xí)r，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(jìn)。改進(jìn)的全計算法是針對自密實混凝土的特點，結(jié)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(jìn)行改進(jìn)，提出以下計算步驟和公式：

      3.3.1 配制強(qiáng)度

      Fce，o= Fce，k +1.645a (1)

      式中：Fce，o為設(shè)計的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；a為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的全計算法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)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(jìn)行正交試驗研究，以混凝土的工作性(坍落度、擴(kuò)展度及其經(jīng)時變化)和抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，優(yōu)化自密實混凝土配合比。

      正交設(shè)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(jié)果見表4；部分試驗極差計算結(jié)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(jié)果為例作極差分析，計算結(jié)果見表5；以90 min內(nèi)坍落度與擴(kuò)展度損失結(jié)果作極差分析，計算結(jié)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(qiáng)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(kuò)展度順序為CBAED，最優(yōu)配合比A2B1C3 D3E1；
      c)影響28 d抗壓強(qiáng)度順序為BCDAE，最優(yōu)配合比A1B2c2D1E4；
      d)影響90 min內(nèi)坍落度損失順序為CBAED，最優(yōu)配合比A4B4c1D3E2；
      e)影響90 min內(nèi)擴(kuò)展度損失順序為DBAEC，最優(yōu)配合比A4B1c2D4E4；

      由上述坍落度、擴(kuò)展度、28d抗壓強(qiáng)度、90min內(nèi)坍落度與擴(kuò)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(jìn)行了多次實驗室復(fù)驗，試驗結(jié)果均很好。

      5 結(jié)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(qiáng)度等力學(xué)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(jìn)的全計算法對自密實混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計，在此基礎(chǔ)上運(yùn)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(xué)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(jìn)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(jìn)的全計算法是一種科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的自密實混凝土配合比設(shè)汁方法。

      參考文獻(xiàn)：
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