高強(qiáng)輕骨料混凝土的配合比優(yōu)化探索

　　[摘要]混凝土配合比設(shè)計以及調(diào)整是混凝土企業(yè)質(zhì)量管理的一個重要環(huán)節(jié)。為了統(tǒng)一普通混凝土配合比設(shè)計方法，滿足設(shè)計和施工要求，確?；炷凉こ藤|(zhì)量且達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，建設(shè)部頒發(fā)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2000。以JGJ-2000為框架，通過參考混凝土相關(guān)文獻(xiàn)及總結(jié)大量混凝土生產(chǎn)企業(yè)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，充分考慮各種原材料對混凝土配合比的影響，應(yīng)用工程材料檢測系統(tǒng)（通用版）V1.0開發(fā)設(shè)計了一個實用的混凝土配合比設(shè)計程序，即用調(diào)整用水量法設(shè)計普通砼配合比的計算程序,使混凝土配合比設(shè)計這項工作變得非常簡單。 

　　[關(guān)鍵詞]調(diào)整用水量法 普通砼配合比 計算程序 
　　 
　　混凝土廣泛用于工業(yè)民用建筑，道路橋梁以及水利工程等，無論混凝土用于何種結(jié)構(gòu)，混凝土都必須具有足夠的強(qiáng)度即具有承受各種荷載作用的能力，這種荷載來自外界作用的力和結(jié)構(gòu)自重，因此強(qiáng)度是混凝土性能的一個重要指標(biāo)。在各種結(jié)構(gòu)中混凝土受到各種應(yīng)力的作用，由于混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于強(qiáng)度，承受壓力作用能夠發(fā)揮它的最好的強(qiáng)度性能，故抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的最有用的性能，也是最容易測定的力學(xué)性能。本試驗就是通過對不同配比的輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度來選擇最佳配比。 

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土配合比可按普通混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計，同時既要滿足設(shè)計強(qiáng)度等級要求，又要滿足表觀密度等級的標(biāo)準(zhǔn)，所以提高輕骨料混凝土的強(qiáng)度和降低其表觀密度等級，是輕骨料混凝土配合比設(shè)計的主要原則。故要提高輕骨料混凝土強(qiáng)度和降低輕骨料混凝土表觀密度等級。 

　　試驗要求： 
　　（1）骨料具有堅強(qiáng)的抗壓能力，與水泥膠結(jié)性能良好； 因此要采用優(yōu)質(zhì)骨料和富水泥用量。 
　?。?）控制坍落度為20cm左右的用水量(加水至坍落度符合要求，記下用水量) 。 
　?。?）混凝土混合物的水灰比應(yīng)盡可能小，因此要采用干硬性混凝土，同時摻入高效減水劑配合使用，使混凝土在極小的水灰比下能夠澆灌密實。 

　　本試驗在考慮工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設(shè)計如表 1中的配比，其中每組陶粒和砂的用量相同，而用水量隨著水泥用量的多少來增加或減少。在確保高強(qiáng)輕骨料混凝土達(dá)到《JGJ/T55-96普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的要求下，根據(jù)水泥、粉煤灰、礦粉的不同摻量，確定配合比。配合比及抗壓強(qiáng)度見表1。 
　　根據(jù)表1，選取其中幾組配合比進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的比較分析。以下為分析內(nèi)容： 
　　 
　　一、水泥摻量對輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 
　　 
　　根據(jù)配合比及其抗壓強(qiáng)度表1，試驗所設(shè)計的16組配合比中第13組水泥用量為360kg/m3、粉煤灰用量為130kg/m3時3天輕骨料混凝土試塊強(qiáng)度為27.7MPa，28天強(qiáng)度為49.1MPa；而第6組水泥用量為390kg/m3、粉煤灰用量為120kg/m3時3天試塊強(qiáng)度為38.6MPa，28天強(qiáng)度為53.8MPa。從中可看出隨著水泥用量的增加，3天時輕骨料混凝土強(qiáng)度有所提高，而28天的強(qiáng)度雖沒有明顯變化。這是因為水泥水化早期，粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥漿內(nèi)，填充孔隙和毛細(xì)孔，增強(qiáng)了硬化漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并在粉煤灰和水泥漿體界面處形成的粉煤灰水化凝膠的顯微硬度大于水泥凝膠的顯微硬度，從而改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)和增大密實度。即初期由于粉煤灰的“微集料效應(yīng)”使其結(jié)構(gòu)致密從而提高了混凝土早期強(qiáng)度。水泥水化后期，粉煤灰中的SiO2、Al2O3等硅酸鹽玻璃體，與水泥、石灰拌水后產(chǎn)生堿性激發(fā)劑Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等凝膠，對砂漿起到增強(qiáng)作用。粉煤灰水化反應(yīng)的產(chǎn)物在粉煤灰玻璃微珠表層交叉連接，對促進(jìn)砂漿或混凝土強(qiáng)度增長起了重要的作用。即水泥水化后期由于粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”在水泥水化析出的氫氧化鈣吸附到粉煤灰顆粒表面的時候開始(即二次水化反應(yīng)) ，一直可延續(xù)到28d以后的相當(dāng)長時間內(nèi)，從而使本試驗輕骨料混凝土試塊在28天時強(qiáng)度變化不大。 

　　同時也可看出當(dāng)水泥用量達(dá)到一定用量時，混凝土強(qiáng)度增加并不明顯，此時混凝土強(qiáng)度只取決于頁巖陶粒強(qiáng)度，對于一定的陶粒而言，相應(yīng)有一合適的水泥用量。說明水泥用量超過一定范圍后，單純提高水泥用量并不能顯著提高混凝土強(qiáng)度。這是因為當(dāng)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,在外力作用下，通常是骨料的破壞先引起混凝土的破壞，使輕骨料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較為疏松。這又說明混凝土強(qiáng)度并不與水泥用量成正比，只有找出水泥用量的最佳范圍才可使其強(qiáng)度更高同時使其更具有經(jīng)濟(jì)意義。 
　　 
　　二、粉煤灰摻量對骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

　　由圖1、2可以看出粉煤灰摻量對輕骨料混凝土試塊的3天抗壓強(qiáng)度影響不大，而對28天抗壓強(qiáng)度稍有提高，且其無論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，發(fā)展得都比較緩慢。這是由于摻入粉煤灰的水泥水化速度比純水泥要慢（需要水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2來激發(fā)），水泥熟料水化所析出的Ca(OH)2,通過液相擴(kuò)散到粉煤灰球形玻璃體的表面，發(fā)生化學(xué)吸附和侵蝕，并生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣；當(dāng)有石膏存在時,隨即產(chǎn)生水化硫鋁酸鈣結(jié)晶。大部分水化產(chǎn)物開始以凝膠狀出現(xiàn)，隨著齡期的增長，逐步轉(zhuǎn)化成纖維狀晶體，數(shù)量不斷增加，相互交叉，形成連鎖結(jié)構(gòu)，使后期強(qiáng)度得到較快的增長。由于粉煤灰的球形玻璃體比較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)致密，不易水化，在水泥水化3d后的粉煤灰顆粒表面上，幾乎沒有變化，直到28d才開始初始水化，略有凝膠狀的水化產(chǎn)物出現(xiàn)。因而表現(xiàn)為摻粉煤灰的混凝土早期抗壓強(qiáng)度較低。相對于純水泥混凝土，摻入粉煤灰的混凝土，后期抗壓強(qiáng)度的增進(jìn)率較大，主要因為粉煤灰中活性成分與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，不斷填充混凝土的孔隙，使混凝土的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。 

　　又因為粉煤灰替代水泥后實際發(fā)生水化反應(yīng)的水泥量減少，使早期水泥水化產(chǎn)物生成量減少，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度有所降低，隨著時間增加，粉煤灰逐漸發(fā)揮活性效應(yīng)，使混凝土的后期強(qiáng)度增加較快。由于粉煤灰的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)能夠改善水泥的水化環(huán)境，提高水化產(chǎn)物的質(zhì)量，又因本試驗選用I級優(yōu)質(zhì)粉煤灰的比表面積比水泥的大，密度比水泥的小，一方面可以部分彌補(bǔ)粉煤灰水化慢的缺點，另一方面可以增加漿體體積，提高混凝土工作性和均勻性，因此，粉煤灰在水泥水化后期（28）表現(xiàn)出增強(qiáng)作用。 

　　由圖1、2知，本試驗中輕骨料混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加有降低趨勢，水泥摻量為400kg/m3、粉煤灰摻量為100kg/m3時28天強(qiáng)度為57.1MPa，而水泥摻量為350kg/m3、粉煤灰摻量為130kg/m3時28天強(qiáng)度為52.9MPa。這是由于本試驗中膠凝材料總量不變，當(dāng)?shù)V粉摻量不變時粉煤灰摻量增加的同時水泥摻量隨之降低，從而表現(xiàn)出粉煤灰摻量的增加對提高輕骨料混凝土的強(qiáng)度有降低趨勢，這說明輕骨料混凝土的強(qiáng)度與水泥、粉煤灰、礦粉的摻量比例有很大關(guān)系。 

　　在混凝土中，粉煤灰的密實填充作用可置換出水泥顆粒間的填充水，使?jié)櫥吭黾?。粉煤灰發(fā)揮其“形態(tài)效應(yīng)”，煤灰中富含的球狀玻璃體對漿體起到“滾珠軸承作用”，大大改善混凝土的流動性，減少泵送阻力,改善了礦粉的摻入所導(dǎo)致的混凝土粘聚性提高,使混凝土得到最佳的流動性和粘聚性的組合。但摻量超過一定限量后，28天抗壓強(qiáng)度會降低，如上圖3所示粉煤灰摻量由100kg/m3增大到130kg/m3時輕骨料混凝土試塊的強(qiáng)度稍有降低，這是由于粉煤灰含量的增多，粉煤灰顆粒表面需要的吸附水量增加，拌合物的坍落度值降低，粉煤灰與水泥質(zhì)量之比增大，水泥水化后析出的消石灰相對減少，粉煤灰與之反應(yīng)生成的水硬性物質(zhì)減少所致。 

　　綜上說明粉煤灰摻量增加可以提高輕骨料混凝土強(qiáng)度，但粉煤灰的摻量并不是越多越好。如上圖知，早期摻入粉煤灰為100kg/m3時，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大值39.1MPa，后期達(dá)到最大強(qiáng)度58.4Mpa；而接著摻入粉煤灰當(dāng)其摻量為130kg/m3時，混凝土早期強(qiáng)度為38.2MPa，后期強(qiáng)度為56.2MPa。即隨著粉煤灰摻量的增加其強(qiáng)度反而成下降趨勢。粉煤灰的使用大大節(jié)約了水泥熟料，能抑制堿骨料反應(yīng)；同時，粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土中不耐蝕成分減少，高強(qiáng)輕骨料混凝土中摻入大量粉煤灰有比基準(zhǔn)混凝土大得多的耐化學(xué)腐蝕能力。另外，大體積高強(qiáng)混凝土中摻入粉煤灰一方面可使內(nèi)外溫差不會太大，有利于減少混凝土表面開裂的危險，另一方面使內(nèi)部溫升又有利于加速粉煤灰效應(yīng)的發(fā)揮，對早期強(qiáng)度有利。 

　　所以，只有摻入適量粉煤灰才能發(fā)揮粉煤灰具有減少新拌混凝土用水量、增大混凝土流動性、提高混凝土的密實程度的優(yōu)良作用。 
　　 
　　三、礦粉摻量對輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 
　　 
　　從圖3、4可以看出，隨著礦粉摻加量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，而后期強(qiáng)度有所提高但變化幅度較小。摻入礦粉的輕骨料混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量的增加而降低。其主要原因是礦粉的凝結(jié)硬化速度較慢，早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度增長較快。這主要因為摻加礦物摻合料，使細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，成為大量水化物沉積的核心，而礦粉在早期只起填充作用，活性還沒有發(fā)揮出來。隨著水化齡期的延長, SiO2等活性組分細(xì)微顆粒與水泥水化析出的Ca(OH)2填充在水泥石與界面過渡區(qū)的空隙中,使輕骨料與水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)得到改善,材料結(jié)構(gòu)更為致密,從而阻斷可能形成的滲透通路。隨著水泥水化的進(jìn)行,摻合料將與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)。在水化后期,隨著水泥石毛細(xì)孔中水分的不斷消耗,混凝土內(nèi)部濕度降低將使骨料中的水分逐步釋放出來,對界面層的水泥石起到養(yǎng)護(hù)作用。同時,水泥水化產(chǎn)物將向輕骨料方向滲透。通過水分?jǐn)U散和水化產(chǎn)物的遷移,使水泥的水化和摻和料的二次水化反應(yīng)進(jìn)行得更加充分,最終在輕骨料表面形成高強(qiáng)度、低鈣型水化硅酸鈣凝膠,并填充到骨料表面的孔和缺陷中,即改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的孔隙率，從而對輕骨料起到一種填充、密實和補(bǔ)強(qiáng)的作用。所以到了后期(28d)，隨著礦粉用量的增加，其輕骨料混凝土試塊的強(qiáng)度隨之加強(qiáng)。 

　　在28天時由圖4，在粉煤灰用量為130kg/m3時，其輕骨料混凝土試塊的強(qiáng)度高低如下：礦粉摻量70kg/m3>礦粉摻量50kg/m3>礦粉摻量40kg/m3> 

　　礦粉摻量60kg/m3。該現(xiàn)象說明不能單獨考慮礦粉用量的增減，還需要考慮水泥用量的變化。雖然礦粉用量增加，但由于總量不變，水泥同時減少，這時其強(qiáng)度有增有減，說明了一定比例用量的水泥和礦粉才能使混凝土達(dá)到更高的強(qiáng)度。 

　　礦粉的摻入可顯著改善混凝土的和易性，因此在滿足同樣的混凝土工作性能前提下可減少用水量，從而有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。加入適量礦粉，可在保持同一抗壓強(qiáng)度條件下減少水泥用量，降低混凝土的溫升，這對大體積混凝土的施工是有利的。水泥中由于小于10μm的顆粒較少，因此，水泥粒子之間的填充性并不好。而摻入礦粉后，其填充于水泥粒子之間，填充于水泥顆粒和界面的空隙之中，填充于水泥水化產(chǎn)物的晶格中，從而大幅度改善了膠凝材料的填充性，提高了硬化水泥漿體的致密度、抗?jié)B性和抗壓強(qiáng)度。所以說摻入適量礦粉是有利于輕骨料混凝土強(qiáng)度的提高。 
　　 
　　四、小結(jié) 
　　 
　?。ㄒ唬┧嘤昧?、粉煤灰和砂率、輕骨料都是影響輕骨料混凝土強(qiáng)度的重要因素 

　　由于輕骨料本身存在的強(qiáng)度問題，超過一定范圍，單純提高水泥用量并不顯著提高輕骨料混凝土的強(qiáng)度，而且影響混凝土的其他性能。 

　　（二）輕骨料混凝土強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻入，其抗壓強(qiáng)度有降低的趨勢，但并不明顯 

　　因此，對輕骨料混凝土，粉煤灰的摻量應(yīng)根據(jù)具體的試驗結(jié)果來選定，不可以任意改變粉煤灰摻量。粉煤灰取代水泥的摻量增加，低水膠比漿體中有效水灰比顯著增大，粉煤灰的微集料效應(yīng)增強(qiáng),這些都促進(jìn)了水泥-粉煤灰漿體中水泥的早期水化。 

　　由于粉煤灰具有改善混凝土的和易性，降低混凝土的泌水性，提高混凝土后期強(qiáng)度增長率，提高混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽性，減少大體積混凝土的水化熱，抑制堿骨料反應(yīng)等優(yōu)點，而優(yōu)質(zhì)粉煤灰更具有“形態(tài)”、“微集料”、“活性”三種效應(yīng)的疊加和超疊加作用，優(yōu)質(zhì)粉煤灰的摻加已成為配制高強(qiáng)大流動混凝土的有效手段之一。 

　　（三）摻入礦粉的輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度則有隨礦渣微粉摻量的增大而提高的趨勢 

　　摻入礦粉可以改善水泥石中膠凝物質(zhì)的組成，減少或消除游離石灰。因為活性礦物摻料中的活性SiO2可以與游離石灰及高堿度的水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好的低堿度水化硅酸鈣。這樣，摻入活性礦物摻合料后，通過二次反應(yīng)，游離石灰不但可以被減少或消除，水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)的質(zhì)量得到提高，組分得到優(yōu)化，膠凝物質(zhì)的數(shù)量得到大幅度增加，水泥石與集料界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)也得到改善。因此，混凝土的強(qiáng)度得到大幅度提高。 

　?。ㄋ模┑V粉和粉煤灰復(fù)合配制混凝土 

　　礦粉和粉煤灰復(fù)合配制混凝土，取代混凝土中的部分水泥，能夠提高混凝土的強(qiáng)度，改善混凝土的工作性能，降低溫升，延緩凝結(jié)時間，提高耐久性。基于以上研究，為充分發(fā)揮礦粉和I級粉煤灰復(fù)配的“優(yōu)勢互補(bǔ)”效應(yīng)，本試驗采用的I級粉煤灰和活性S95型礦粉摻合料就是一種提高混凝土強(qiáng)度的有效的技術(shù)措施。 

　　通過如上比較分析，可得出最佳配合比為第15組配比：當(dāng)水泥摻量為360kg/m3、粉煤灰摻量為120kg/m3、礦粉為70kg/m3、水摻量為104kg/m3、砂摻量為590kg/m3、輕骨料摻量為535kg/m3時輕骨料混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到59.1MPa。即配合比為mw：mc：ms：mg=0.288：1：1.638：1.468時輕骨料混凝土的強(qiáng)度最高，并且水泥用量相對較少，可節(jié)約成本。