水工混凝土配合比参数的分析与确定

2013-09-16戴国强简鸿福

江西水利科技 2013年3期

戴国强，简鸿福，叶霞

（江西省水利科学研究院，江西南昌 330029）

1 概述

混凝土配合比方案设计需要确定许多参数，如水胶比、用水量、砂率、外加剂与掺合料的掺量等。任何一个参数都会影响混凝土配合比的合理性与经济性。以水胶比为例，在其他参数一定的情况下，使用水胶比0.50 与0.51 配制相同坍落度要求的混凝土，其28 d 混凝土强度相接近。若都使用170 kg/m3的用水量，两个配合比方案的水泥用量相差6 kg 左右。随着大中型水利工程项目的逐渐展开，若每m3混凝土可节省6 kg 水泥，则一个混凝土浇注量10万m3左右的大中型水利工程便可节约水泥用量约600 t。因此，一个合理经济的混凝土配合比需要通过细致的比对与试验确定参数，并不是简单的根据规程规范计算而来的。本文就混凝土配合比方案设计中试验参数的确定需要注意的问题做了探讨。

2 混凝土配合比参数的分析与确定

混凝土配合比方案需要确定的参数有：水胶比、用水量、砂率、粗骨料用量，外加剂与掺合料掺量。

2.1 水胶比的确定

水胶比是影响混凝土强度的主要因素[1]。在其他参数一定的情况下，水胶比越小，强度越大。根据《水工混凝土配合比设计规程》（DL 5330-2005），在确定配合比方案前，需选定3～5个水胶比，建立强度与胶水比的回归方程或图表，根据强度与胶水比关系选择相应于配制强度的水胶比。一般情况下，试验人员选取3个水胶比，设计混凝土试配方案，根据试配方案的结果选取混凝土水胶比。当选择试配的水胶比不合理时，所设计的混凝土方案技术上可行，但不一定经济。以下用工程实例进行说明。

某大型水利工程需要设计C25 强度等级混凝土配合比方案。使用P.O42.5强度等级水泥，其28 d实测强度为fce=44.8 MPa。选择水胶比为0.55、0.50、0.45 及0.40 进行试配，其配合比试配结果见表1。

选择两种确定水胶比的试验方案，第一种方案选择编号1、2、3、4 试配结果确定水胶比，第二种方案选择编号2、3、4 试配结果确定水胶比。根据28 d的混凝土试块强度，绘制胶水比与强度的关系曲线，使用最小二乘法进行线性回归方程分析。两种方案的强度-胶水比曲线见图1、图2，两种方案成果见表2。

根据图1、图2 和表2，两个方案技术上都是可行的。在用水量为160 kg/m3的情况下，水胶比为0.48的混凝土配合比设计方案可节约水泥7 kg/m3。对于一个大型水利工程而言，每m3混凝土可节约7 kg 水泥，则可大量节约施工成本。因此，在确定水胶比时，应该仔细的分析试配结果，以设计经济合理的混凝土配合比方案。笔者认为，混凝土配合比方案试配时，选择4～5个水胶比设计试配方案，分析对比试配成果，选择2～3个水胶比进行验证，以保证混凝土配合比方案经济合理。

2.2 用水量的调整

混凝土中的水在混凝土硬化过程中可以分为3 种型式存在。

（1）化学结合水。化学结合水以严格的定量参加水泥水化的水，它使水泥浆形成结晶固体。化学结合水是强结合的，不参与混凝土与外界湿度交换作用，不引起收缩与膨胀变形，成微小自生变形。

（2）物理化学结合水，在混凝土中以并不严格的定量存在，表现为吸附薄膜结构，它在混凝土中起扩散及溶解水泥颗粒的作用，其中一部分水在材料周围构成碱性结合水膜，容易受到水分蒸发的破坏，所以物理化学结合水积极地参与混凝土与环境的湿度交换作用。

（3）物理结合水。物理结合水混凝土中各晶格间及粗、细毛孔中的水，亦称游离水，含量不稳定，极容易受水分蒸发影响而破坏结合，它是积极参与和外界进行湿度交换的水。

总之，化学结合水是保证水泥颗粒水化的必需条件；物理化学结合水是保证水泥颗粒充分扩散，逐步完成水化反应的必需条件；而物理结合水则为化学结合水、物理结合水充分发挥作用提供外部条件[2]。

用水量过少时，水泥浆少，包裹砂子的水泥浆层变薄，砂粒间摩擦阻力增加，混凝土拌合物的流动性减小，坍落度变小，混凝土容易产生蜂窝麻面现象。反之，用水量过多，混凝土拌合物就会出现离析、泌水现象，水泥浆流失，混凝土强度明显降低。同时，水泥用量亦增加，混凝土浇注温度上升，容易产生裂缝。

根据上述水在混凝土中的作用，适量的水是混凝土完成水化反应和实现预期强度的必需条件，并且适宜的坍落度必须有适宜的用水量。在配合比试验过程中，当坍落度不满足要求时，调整混凝土单位用水量是最直接和简便的方法。但是，过多的增加单位用水量，其危害是很大的。混凝土配合比试验坍落度调整时，可以通过调整砂率、适当增加外加剂及掺合料的用量，以提高混凝土的流动性。

表1 混凝土配合比设计方案 kg/m3

图1 方案1 强度等级胶水比强度关系曲线图

图2 方案2 强度等级胶水比强度关系曲线图

表2 两种方案试配成果表 kg/m3

2.3 外加剂掺量

为提高混凝土的强度与耐久性，目前水工混凝土经常掺用外加剂。掺用外加剂的混凝土性能不仅与水泥、骨料等原材料品质有关，也与外加剂品质有关，但二者的适应性更加重要。当前外加剂适应性试验主要是指外加剂与水泥的适应性。水泥与外加剂适应性好，才能配制出各种符合要求的混凝土。反之，即使材料品质检测合格，配制的混凝土终凝时间长、不密实，难以配制出符合要求的混凝土。因此，掺用外加剂的水工混凝土，配合比试验应检测外加剂与水泥的适应性。

外加剂的掺量对应水泥净浆流动度大、流动度损失小时，其掺量为最适宜掺量，此时外加剂与水泥的适应性好。如某水利工程外加剂推荐掺量为0.5%～1%，通过外加剂与水泥的适应性试验，最后确定外加剂掺量为0.9%。试验成果见表3 与图3。

表3 外加剂在不同掺量的净浆流动度和损失试验成果

外加剂掺量低，流动度大且流动度损失小的外加剂掺量为最佳掺量，此时外加剂对胶凝材料的适应性好。由图3 和表3 可知，此外加剂的最适掺量为0.9%。

2.4 粉煤灰掺量

混凝土中掺用粉煤灰具有改善混凝土的性能，提高混凝土质量，减少混凝土水化热，抑制碱骨料反应，节约水泥，降低成本等作用。目前对于混凝土中粉煤灰最优掺量，还尚未有规范规定。在同一情况下，掺用粉煤灰的混凝土其和易性较好，坍落度较大。但当粉煤灰掺量在20%以上时，混凝土水化热减少，7 d、28 d 龄期混凝土强度相对未掺用粉煤灰的混凝土强度降低。掺用粉煤灰还可降低混凝土水化热，降低混凝土的浇筑温度。因此，目前确定粉煤灰最优掺量的主要依据其与坍落度、强度与温度的关系。

一般情况下，确定选用粉煤灰掺量的方法：设计一组基准混凝土，选择3～5个粉煤灰掺量，选择坍落度较大、28 d 实测强度损失小的粉煤灰掺量作为混凝土配合比设计的最优掺量。混凝土配合比设计粉煤灰掺量还应根据现场施工进行调整。夏季施工温度较高时，可以考虑多掺用粉煤灰；冬季施工温度较低，为减少缓凝现象可以适量减少粉煤灰用量。