特细砂混凝土配合比设计及试验.pdf

2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL T ECHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 4 7 特细砂混凝土配合比设计及试验 吐尔洪 吐尔地 。 ( 1 新疆水利水电科学研究院 ，新疆 乌鲁 木齐 8 3 0 0 4 9；2 曾力 。刘志栋 。高珍 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 结合叶尔羌河中游渠首实际工程 ， 针对混凝土使用特细砂的工程特点， 开展了原材料品质检测及选择、 特细砂混凝土配合比的 参数优选及设计、 特细砂混凝土性能试验等。 结果表明： 特细砂对混凝土和易性 ， 尤其是流动性影响显著， 通过掺入高效减水剂、 引气剂、 粉 煤灰， 采用较低水胶比和砂率 ， 不仅可配制出强度等级 C 1 0 、 C 2 0 、 C 2 5 、 C 3 0 、 抗渗等级 P 6 、 抗冻等级 F 1 5 0 、 坍落度为 5 0 7 0 m m的常态混凝 土 而且也可配制出强度等级 C2 0的大流动性泵送混凝 土， 且特细砂混凝土表现 出良好 的抗冻和抗渗性能。 关键词： 混凝土配合比；特细砂；坍落度；含气量；抗压强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 1 4 1 - 0 4 Sup er f i ne s an d c onc r e t e m i x des i gn a nd t es t TU Er - ho n g TUEr - d i ， Z ENG L i 2 , LI U Zh i d o n g ， GAO Zh e n ( 1 Xii a n g I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r ， Xi n j i a n g Ui g h u r Au t o n o mo u s Re g i o n ， U r u mc h i 8 3 0 0 4 9 ， C h i n a ； 2 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Wa t e r Re s o urc e s a n d Hy d r o p o we r E n g i n e e ri n g S c i e n c e ， Wu h a n Un i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e a c t u a l p r o j e c t o f mi d d l e r e a c h e s h e a d wo r k o f th e Ya r k a n t R i v e r ， a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f s u p e r fi n e s a n d u s e d i n the c o n c r e t e e n g i n e e rin g， q u a l i ty i n s p e c t i o n a n d s e l e c t i o n o f r a w m a t e ria l s ， fin e p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n a n d d e s i g n o f s u pe r fi n e s a n d c o n c r e t e mi x， s u pe r fi n e s an d c o n c r e t e p e rfo r m a n c e t e s t s an d S O o n are c a r r i e d o u t Th e r e s u l t s s h o w tha t ： s u pe r fin e s an d h a s g r e a t e ffe c t o n t h e c o n c r e t e wo r k a b i l i t y ， e s p e c i a l l yo nthe c o n c r e t efl u i d i tyB y a d d i n g h i g h e ffic i e n t wa t e r r e d u c e r ， fl ya s h a n d a i r e n t r a in i n g a g e n t ， u s i n gl o wwa t e r - b i n d e r r a - t i oand s a nd r a t i o， i t C an n o to n l y r e a c hthe s tre n g t h g r a d eb y： C1 0， C3 0， C2 0， C2 5， i mpe r me a b i l i t ygra d eb yW 6， fro s t r e s i s t a n t g r a d eb yF1 5 0， and s l u mp f o r 5 0 -7 0 mm l e v e l o f n o r ma l c o n c r e t e M o r e o v e r i t C an m a k e h ig h fl u i d i t y p u mpi n g c o n c r e t e o f s t r e n g t h gra d e b y C2 0， a n d t h e s u p e rfi n e s a n d c o n c r e t e p e r f o rm s a g o o d f r os t r e s i s t a n c e an d i mpe r me a b i l i K e y wo r d s ： c o n c r e t e mi x ； s u p e rfi n e s a n d ； s l u mp ； g a s c o n t e n t ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth 0 引言 叶尔羌河位于新疆维吾尔 自治区西南部的塔里木盆地西 缘， 距乌鲁木齐市 1 7 3 0 k m， 是喀什地区的一条主要河流， 也是 塔里木河的源流之一。叶尔羌河流域控制灌溉面积 6 5 1 4 7万 亩， 是全疆第一大灌区， 全国第四大灌区。中游渠首是河道第四 级引水渠首 ， 总引水规模为 1 7 5 m3 s ， 兴建任务为归并临时引水 口、 控制灌区引水量、 提高灌溉保证率的同时， 为实现向塔里木 河多年平均输送生态水量 3 3亿 m， 创造条件。该工程属 等 大型工程， 设计洪水标准为五十年一遇； 由泄洪冲砂闸( 2 3孔 ， 单孔净宽 1 0m) 、 进水闸( 东岸进水闸 2座， 西岸进水闸 1 座， 均 为 3 孔 ， 单孔净宽分别为 9 、 8 、 6 m) 、 溢流堰兼西岸输水涵洞和 上 、 下游导流堤、 分流墙组成 ， 采用一字型闸堰结合的布置形 式。该工程遇到的主要问题之一是采用特细砂配制强度等级最 高达到 C 3 0 、 抗冻抗渗等级分别为 F 1 5 0和 P 6的混凝土， 且坍 落度有的达到 2 0 0 n Z I T I 。这都是特细砂混凝土面临的棘手问题 ， 为设计出满足叶尔羌河中游渠首工程各部位混凝土技术指标 要求的配合比， 进行了大量的试验。本试验选择该工程几个主 要部位进行混凝土配合比设计及性能试验研究， 混凝土配合 比 指标见表 1 。 1 试验 用原材料 1 1 水 泥 采用阿克苏青松水泥厂生产的 P O 3 2 5 、 P O4 2 5级水泥， 其物理力学性能检验结果见表 2 。 表 2表明，阿克苏青松牌P 0 3 2 5 、 P O 4 2 5 级水泥的各项 表 1 新疆叶尔羌河中游渠首工程混凝 土配合比主要指标 收稿 日期：2 0 1 0 - 0 3 - 0 7 1 41 表 2 水泥的物理力学性能 物理力学性能指标均符合现行国家标准要求。综合考虑， 该水 泥品质较好 ， 适用于该工程。 1 2 粉 煤灰 采用库车电厂生产的 I I 级灰， 其品质检验结果见表 3 。 1 3 骨料 细骨料采用当地料场的天然河砂， 其品质检测结果见表 4 ， 筛分曲线见 图 1 。 由表 4 、 图 1 可知， 工程所处河段沉积的天然砂细度模数 为 0 9 ， 粒 径小于 0 6 3 n l n 的颗 粒达 到 8 5 左右 ， 平均粒 径为 0 2 6 m m， 属于特细砂， 且颗粒级配较差。此外， 含泥量略有超 标 ， 这也与特细砂中小于 0 0 8 mm的颗粒含量偏高有关。 其余 所检项 目均满足要求。 粗骨料为当地料场破碎得到的人工骨料， 分为小石( 5 2 O m r n ) 和中石( 2 0 4 0 mm) ， 通过级配试验， 优选二级配合比例为小石： 中石 = 4 ： 6 ， 平均表观密度为 2 6 7 0 k g m3 ， 吸水率为 0 3 8 。 1 4 外加 剂 试验中使用的高效减水剂 F D N、 引气剂 AE R及速凝剂均 为新疆天山建材集团精细化工有限责任公司生产。 表 3粉煤灰 品质检测结果 誉 楼 肺 嚣 1 O 0 o o 5 0 0 0 2 5 0 0 1 2 5 0 0 6 3 0 0 3 1 5 0 1 6 0 0 筛 L 尺寸 mm 图 1 砂筛分曲线 2 混凝土配合 比设 计及 性能试验 2 1 混凝 土 配制 强度 根据渠首各部位对混凝土性能的要求， 将混凝土划分为 3 个 系列， 划分方式及相应部位的性能指标参见表 1 。 混凝土的施工 配制强度按式( 1 ) 计算： ( 1 ) 式中 混凝土的试验配制强度 ， MP a ； 一 混凝土设计强度等级， MP a ； 卜一 保证率系数， 保证率为 9 5 时， t = 1 6 4 5 ； _一变异系数。 参照 S L T 1 9 1 9 6 水工混凝土结构设计规范 要求及不同 部位的混凝土设计强度等级， 由式( 1 ) 可计算出配制强度， 见表 5 。 2 2 配合 比参数 确 定 混凝土配合比设计应在满足工程对混凝土强度和耐久性 能要求 ， 并考虑到经济性与和易性的条件下， 合理地选择水泥 品种和强度等级。在水泥品种确定的情况下， 优先采用优质的 掺合料和外加剂 ； 在满足施工和易性的条件下， 力求最小的单 位用水量、 最大的骨料用量和最佳砂率。本次试验研究采用的 粗、 细骨料均以饱和面干状态为准。 2 2 1 水灰比的选择 在其他条件不变的情况下， 水灰比的大小直接影响混凝土 的强度与耐久性。当水灰比较小， 混凝土的强度、 密实度较高， 耐久性较好， 但耗用水泥较多 ， 发热量较大。同时， 混凝土和易 性差， 振捣、 密实困难 ； 当水灰比过大时， 不仅混凝土的强度和 耐久性难以满足， 甚至拌合物的黏聚性及保水性也难以保证。因 此， 应通过试验建立强度与水胶比的关系曲线， 根据关系曲线 确定满足要求的水胶比。分别采用 P 0 3 2 5和 P O 4 2 5两种 水泥进行试验 ， 试验结果见图 2 、 3 。 由图 2 、 3可 见 ， 水胶 比大混凝 土抗压强度低 ， 水胶 比小时 的变化对抗压强度的影响更显著。 本试验确定 C1 0 、 C 2 0 、 C 2 5 常 态混凝土采用 P O 3 2 5级水泥， C 3 0常态和 C 2 0泵送混凝土采 用 P O 4 2 5级水泥 。 表 5 混凝土的配制强度 1 4 2 W B 图 2 水灰 比与常态混凝土抗压强度关系曲线 山 、 嘎 W B 图 3 水灰 比与泵送混凝土抗压强度关系曲线 2 2 2 单位用水量的选择 单位用水量是控制混凝土拌合物流动性的主要因素。确定 混凝土单位用水量的原则是在水胶比、 骨料级配及最大粒径一 定的条件下， 通过改变砂率得到满足混凝土拌合物流动性的单 位用水量。试验得到各等级常态混凝土的单位用水量变化不大， 均在 1 4 7 1 5 3 k g m 范围； 泵送混凝土单位用水量为 1 6 0 k g m 。 2 2 - 3 合理砂率的选择 混凝土中的砂浆应包裹粗骨料颗粒并填满粗骨料孑 L 隙。若 砂率过小 ， 砂浆量不足， 不能在石子周围形成足够的砂浆润滑 层， 将降低拌合物的流动性， 影响混凝土拌合物的黏聚性与保 水性， 使骨料分离 、 水泥浆流失， 甚至出现溃散现象。若砂率过 大， 粗骨料用量相对过小 ， 骨料的孔隙及总表面积较大， 在水灰 比及水泥用量一定的条件下， 混凝土拌合物显得干稠， 流动性 降低； 在保持混凝土拌合物流动性不变的条件下 ， 则会使水泥 浆用量显著增大。 因此所选砂率不能过小， 也不能过大。 特细砂 颗粒细、 比表面积大 ， 用其配置混凝土时的最优砂率较普通混 凝土低。在满足混凝土流动性要求， 且黏聚性和保水性均较好 的前提下， 针对不同水胶比进行最优砂率试验， 试验结果见表 6 ， 水胶比与常态混凝土最优砂率关系曲线见图4 。 由图4可见， 随着水胶比的增大， 在达到相同的坍落度时， 常态混凝土的最优砂率也相应增大； 由图 5 可见 ， 泵送混凝土 达到设计的坍落度时的砂率约为 3 0 。 表 6 混凝土砂率与拌合物性能试验 w B 图 4 最优砂率与常态混凝土坍落度关系 曲线 2 2 4 其他参数 的选择 ( 1 ) 引气剂。 含气量是影响混凝土抗冻和抗渗性能的重要因 素。根据 s L 2 1 1 9 8 水工混凝土抗冰冻设计规范 规定， 混凝土 抗冻等级F 1 5 0时、 含气量应达到( 4 5 1 ) 。 ( 2 ) 减水剂。主要根据高效减水剂的减水和缓凝效果确定 其掺量。 ( 3 ) 掺合料。在考虑设计规范及混凝土性能要求的条件下 砂 率 图 5 泵 送混凝 土砂率与坍落度关系 曲线 确定粉煤灰最大掺量为 2 5 。 2 3混凝 土配合 比 通过试验最终确定渠首工程主要部位的特细砂混凝土配 合 比见表 7 。 2 4混凝 土性 能 试验 为了满足渠首工程主要部位对混凝土性能的要求， 在特细 砂混凝土配合比设计中对其性能按 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土 表 7各系列混凝土 配合 比 1 4 3 试验规程 进行了试验 ， 试验结果见表 8 。 表 8 特细砂混凝土性 能试验结果 本工程地处寒冷地区， 水工建筑物设计抗冻等级最高为F 1 5 0 。 混凝土抗冻性能的好坏， 是判定混凝土耐久性的重要指标之一， 为使混凝土满足抗冻要求， 采取的主要措施是掺人引气剂， 含气 量控制在 4 5 5 5 范围。冻融试验后测试质量损失均满足5 的要求， 相对动弹模随冻融循环次数增加的损失见图6 。 誊 艘 需 按 由图 6可见 ， 渠首工程 主要部位特细砂混凝土经设计 次数 冻融循环后 ， 相对动弹模损失均大大满足6 0 的标准要求， 表 现出很好的抗冻性能。 抗渗试验采用逐级加压法进行 ， 经 0 7 MP a压力， 各配合 比成型的6 个试件均未出现渗水。经对试件劈裂后检验， 渗水高 度为 1 0 ,- -4 0 mm， 说明混凝土抗渗性能较好， 抗渗等级均大于P 6 ， 符合设计要求。 叶尔羌河中游渠首工程完工至今运行良好， 未出现特细砂 混凝土常见的裂缝， 表明设计的特细砂混凝土配合比是合理可 行 的。 特 细砂混凝土 的力 学及耐久性 能的发展 与演 变规律 和普 通混凝土是一致的。 但特细砂混凝土有其显著特点， 笔者归纳 如下 ： ( 1 ) 特细砂混凝土单位用水量大、 胶凝材料用量高， 必须通 过掺加优质高效减水剂等技术措施来降低， 本次试验使用的高 效减水剂 F D N其减水率为 1 6 ， 单位用水量降幅有限； 若使用 减水率更高的减水剂如聚羧酸系高效减水剂， 无疑对于提高特 细砂混凝土的力学及耐久性能是非常有利的。 ( 2 ) 特细砂颗粒细、 比表面积大， 用其配制混凝土时砂率较 上接第 1 4 4页 6 建筑施工手册编写组 建筑施工手册( 第四版) M _ E 京： 中国建筑工 业出版社 ， 2 0 0 5 【 7 】 D G T J 0 8 2 0 2 2 o o 7 ， 钻孔灌注桩施工规程 s 8 】 J G F 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范【 s E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 【 9 陈志坚， 韩学伟 大直径超长钻孔灌注桩桩端后压浆机理探讨 J 】 河 海大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) 1 O 】 程晔， 龚维明， 戴国亮， 等 超大直径钻孔灌注桩桩端承载力研究 J 】 1 4 4 普通混凝土低约 5 1 0 ， 为获得较好的混凝土质量必须有效 降低砂率。 ( 3 ) 特细砂混凝土用水量大且易泌水 ， 掺加适量粉煤灰可 有效改善混凝 土和易性 ， 减少泌水 。 3结论 ( 1 ) 经检测青松牌P 0 3 2 5和P O 4 2 5 级水泥可用于叶尔羌 河中游渠首工程， 高强度等级和大流动性泵送混凝土适合选择 P 0 4 2 5 级水泥， 低强度等级混凝土适合选择 P 0 3 2 5 级水泥。 ( 2 ) 特细砂的细度模数为 0 9 ， 平均粒径为0 2 6 n l i n ， 且颗粒级 配较差。用其配制混凝土时砂率较普通混凝土低约 5 - 1 0 ， 且最优砂率随混凝土水胶比的增大而增大， 很好解决了特细砂 砂率选择和配制大流动性混凝土的问题 。 ( 3 ) 对各系列特细砂混凝土配合比参数进行了试验优选， 成功设计出满足不同强度等级要求的特细砂混凝土， 且特细砂 混凝土表现出良好的抗冻和抗渗性能。 ( 4 ) 叶尔羌河中游渠首工程混凝土采用特细砂， 解决了特 细砂混凝土较中粗砂混凝土水泥用量大、 强度低和易产生裂缝 的传统难题， 为中粗砂资源贫乏地区使用特细砂建设水利工程 提供了参考。 研究表明： 掺入高效减水剂F D N、 引气剂、 粉煤灰， 采用较低水胶比和砂率， 不仅可配制出强度等级 C 1 0 、 C 2 0 、 C 2 5 、 C 3 0 、 抗渗等级 P 6 、 抗冻等级 F 1 5 0的坍落度为 5 0 7 0 r fl lT l 的常 态混凝土， 而且也可配制出强度等级 C 2 0的大流动性泵送混凝土。 为特细砂在水工混凝土中的使用提供了参考。 参考文献 ： 【 1 李亚杰， 方坤河 建筑材料( 第五版) 【 M 】 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 O7 【 2 s lJ r 1 9 1 9 6 ， 水工混凝土结构设计规程【 s E 京： 中国水利水电出 版社 【 3 】杨华全， 周世华， 董维佳 白莲河水电站混凝土配合比试验研究 J 人 民长江， 2 0 0 7 ( 8 ) f4 胡文忠 水工特细砂混凝土配合比设计要点和施工应用 J 山西建 筑 ， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 1 8 6 1 8 7 【 5 】 石洪刚， 武英杰， 白生强 粉煤灰特细砂水工混凝土配合比研S U O 粉 煤灰 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 3 4 5 6 】 贺传卿， 王怀义 ， 吐尔洪 新疆叶尔羌河中游渠首工程混凝土及砂浆 配合比试验研究报告 D 2 0 0 7 作者简 介 单位地 址 联系电话 吐尔洪 吐尔地( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 高级工程师， 从事水工混凝土 性能研究。 武汉市武汉大学水利水电学院( 4 3 o 0 7 2 ) 1 5 8 2 7 4 6 9 2 71 南京航空航天大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 3 ) 【 l 1 吴鹏 ， 龚维明 ， 梁书亭 钻孔灌注桩桩端破坏模式及极限承载力研 究 J 公路交通科技， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 刘耀东( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 副教授， 工学博士 ， 一级注册建造师， 研究方向： 土木工程结构理论及施工技术。 武汉南湖湖北工业大学土木工程与建筑学院( 4 3 0 0 6 8 ) 0 2 7 6 5 0 6 0 23 5 =宝