自密实混凝土配合比设计及正交试验研究

 饶江1  钱维坤2
(1．胜利油田管理局供水公司，山东东营  257097；2．胜利油田桩西采油厂，山东东营257237 )

      [摘要] 采用改进的全计算法对自密实混凝土进行配合比设计，在此基础上采用正交试验进一步研究了水泥、粉煤灰、砂、碎石和外加剂等因素对自密实混凝土工作性和强度的影响规律，优化和确定了自密实混凝土配合比。结果表明：改进的全计算法是一种科学、合理、准确的自密实混凝土配合比设计方法。
      [关键词] 全计算法；自密实混凝土；配合比设计；正交试验
      [中图分类号]TU528．53
      [文献标识码] A 
      [文章编号] 1001．523X(2005)12-0077-03

      自密实混凝土配制的关键是在保证所需性能的前提下，得到可以不振捣，必要时也可少振捣的高流动性混凝土拌合物。自密实混凝土配制的基本原理是通过外加剂的复合、优质掺合料及粗细骨料的选择与搭配，使混凝土拌合物具有很高的流动性，可以自流平而充满模型，并且不泌水、不离析，成型后质量均匀，不会产生普通混凝土那样由于振捣不当而造成的蜂窝、麻面和内部空洞等质量缺陷[1]。

      影响自密实混凝土流变性能的因素多而复杂，通常需要做大量的试配试验才能确定其配合比。正交试验法[2]具有“均衡分散性”和“综合可比性”的特点，是研究和处理多因素试验的一种科学方法，按该方法进行混凝土配合比试验其结果能客观地反映配制规律、较方便地进行配合比优化。

      1 技术路线及目标

      a)将萘系高效减水剂与木质素磺酸钙复合使用，在一定的水灰比下，得到较大的原始坍落度，又有较小的坍落度损失[3]。采用高效复合外加剂可降低水胶比，保证强度；同时提高混凝土流动性，降低混凝土拌合物的屈服应力，保持适当的粘度系数，使拌合物具有自密性并具有抗离析所需要的粘性。
      b)采用粉煤灰作为混凝土矿物掺合料，利用其活性效应、形态效应、微集料效应等提高新拌混凝土的变形性能和抗离析及保水性能，同时改善和提高混凝土后期耐久性。
      c)用正交试验方法研究水泥、粉煤灰、砂、碎石等因素对自密实混凝土工作性和强度的影响规律，优化和确定自密实混凝土配合比。
      d)以坍落度、扩展度、坍落度和扩展度损失等指标综合测定自密实混凝土的工作性。
      e)采用当地原材料和常规生产工艺配制自密实混凝土。

      2 自密实混凝土的试验研究

      2．1 试验用原材料

      a)水泥：山东铝厂P•o42.5，水泥28 d抗压强度实测值fce= 48.0 MPa，密度为3 100 kg／m3。
      b)砂：河砂，Mr=2.91，堆积密度为1 540 kg／m3，表观密度为2 620 kg/m3。
      c)石子：碎石，最大粒径为20 mm，连续级配，堆积密度为1510 kg／cm。表观密度为2 650 kg/m。压碎指标为9.3%，针片状含量为5.3%，含泥量为1.2% 。
      d)粉煤灰：胜利电厂Ⅲ级灰，粉煤灰细度0.045 mm筛余为26.5%，密度为2300 kg/m。水泥和粉煤灰的主要化学成分见表1。

      表1 水泥和粉煤灰的化学成分（%） 

      d)外加剂：山东东营神龙外加剂厂生产的高效减水剂和缓凝剂。
      e)水：自来水。

      2.2 试验方法
     
      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试验方法标准GB50080—2002，普通混凝土力学性能试验方法标准GB50081—2002。混凝土抗压试块采用150 mm×150 mm×150 mm的试模成型，所有试块均采用标准养护。

      3 自密实混凝土配合比计算方法

      3.1 固定砂石体积含量计算法[1]。

      固定砂石体积含量计算法是根据高流动自密实混凝土流动性、抗离析性和配合比各因素之问的平衡关系，在试验研究的基础上得到的一种能较好适应高流动自密实混凝土特点和要求的配合比计算方法。

      3.2 全计算法[4]

      全计算法的基本观点：
      a)混凝土各组成材料(包括固、气、液三相)具有体积加和性；
      b)石子的空隙由于砂浆填充；
      c)干砂浆的空隙由水填充；
      d)干砂浆由水泥、细掺料、砂和空隙所组成。全计算法设计原理为：由假定的混凝土体积模型经过数学推导，得出混凝土单方用水量和砂率的计算公式，再结合传统的水灰比定则，即可全面定量地得出混凝土中各组分的用量，这样便实现了自密实混凝土配合比设计从半定量走向全定量的全计算法。是自密实混凝土配合比设计上的进一步完善。

      3.3 改进的全计算法[5]

      直接将混凝土配合比计算的全计算法用于计算自密实混凝土时，算得的砂率和浆集比都偏低，难以满足自密实的要求，全计算法用于自密实混凝土有其不适合之处，需要加以改进。改进的全计算法是针对自密实混凝土的特点，结合固定砂石体积含量法的特点，对全计算法用于计算自密实混凝土配比进行改进，提出以下计算步骤和公式：

      3.3.1 配制强度

      Fce，o= Fce，k +1.645a (1)

      式中：Fce，o为设计的混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；a为混凝土强度标准差，MPa。

      3.3.2 水胶比
     

      3.3.3石子用量

      G=aÓG(3)
     
      式中：a取0.5-0.6；ÓG为石子堆积密度，kg／m。

      3.3.4砂用量
     

      式中：取0.4~0.5；Vm为砂浆体积，，m3；分别为砂、石子表观密度，kg／m。

      3.3.5用水量
     

      式中：Ve、Va分别为浆体体积和空气体积，Ve=Vm一，m3；分别为水泥和粉煤灰密度，kg／m3；为胶水比；φ为掺合料(粉煤灰)体积掺量百分比。

      3.3.6胶凝材料组成与用量
     

      式中：为掺合料重量掺量，m(c)为水泥用量，m(f)为掺合料用量。
     
      3.3.7由混凝土流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性等要求确定外加剂的用量。

      4 自密实混凝±配合比正交试验研究

      采用改进的全计算法进行混凝土配合比设计，试验以碎石用量系数、砂用量系数、粉煤灰体积掺量、高效减水剂和缓凝剂掺量共五个因素(每一因素取四个水平)进行正交试验研究，以混凝土的工作性(坍落度、扩展度及其经时变化)和抗压强度为考核指标，优化自密实混凝土配合比。

      正交设计的因素与水平表见表2；正交试验方案L16(45)见表3；正交试验结果见表4；部分试验极差计算结果见表5。

      表2因素水平表 

因素	A	B	C	D	E
水平	碎石用量系数	砂用量系数	粉煤灰体积掺量	高效减水剂%	缓凝剂%
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

      以部分试验结果为例作极差分析，计算结果见表5；以90 min内坍落度与扩展度损失结果作极差分析，计算结果见表6。分析表5及表6可知各因素对新拌混凝土流动性和硬化混凝土强度的影响顺序和最优配合比：

      a)影响0 min坍落度顺序为CBEAD，最优配合比A2B1C3D1Et；
      b)影响0min扩展度顺序为CBAED，最优配合比A2B1C3 D3E1；
      c)影响28 d抗压强度顺序为BCDAE，最优配合比A1B2c2D1E4；
      d)影响90 min内坍落度损失顺序为CBAED，最优配合比A4B4c1D3E2；
      e)影响90 min内扩展度损失顺序为DBAEC，最优配合比A4B1c2D4E4；

      由上述坍落度、扩展度、28d抗压强度、90min内坍落度与扩展度损失的最优配合比和试验记录，经综合分析评价可得到最优配比为：A2B1C3D3E4，即碎石用量系数为0.533，砂用量系数为0.4，粉煤灰体积掺量为35%，高效减水剂为1.3%，缓凝剂为0.14%。另外课题组以此作为配合比进行了多次实验室复验，试验结果均很好。

      5 结论

      与普通混凝土相比，自密实混凝土配合比计算涉及的因素多，除了要满足强度等力学性能，对工作性更有很高的要求，因此，自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别。本文采用改进的全计算法对自密实混凝土进行配合比设计，在此基础上运用正交试验方法研究水泥、粉煤灰、砂、碎石等因素对自密实混凝土工作性和力学性能的影响规律，优化和确定了自密实混凝土的配合比。改进的全计算法更能符合自密实混凝土的特点并且计算简单，使用方便。因此，改进的全计算法是一种科学、合理、准确的自密实混凝土配合比设汁方法。

      参考文献：
      1、 吴中伟，廉慧珍。高性能混凝土[M]。北京：中国铁道出版社，1999
      2、 栾军编，现代试验设计优化方法[M]。上海，上海交通大学出版社，1994
      3、 Dodson V H．Concrete Admixture．Structural Engineering Series．Van Nostrand Reinhold，New York，1990
      4、 陈建奎，王栋民。高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J]．硅酸盐学报。2000，(4)
      5、 余志武等．浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法[J]。混凝土，2004，(1)