增加外加剂的混凝土配合比设计问题探讨

李爱芳

摘要:文章主要对增加外加剂的混凝土配合比设计问题进行了探讨。首先概述了混凝土外加剂的概念和分类,然后分析了混凝土的配合比设计方法,最后进行了混凝土配合比的试配实例分析。

关键词:外加剂 混凝土外加剂 配合比设计 试配参数

一、混凝土外加剂的概念和分类

(一)混凝土外加剂的概念

我国按国际标准化组织所提出的混凝土外加剂定义的原则,制订并颁布了国家标准GBSO75,其定义如下:“混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入,用以改善混凝土性能的物质。掺量不大于水泥重量的5%(特殊情况除外)。”按上述定义,混凝土外加剂与水泥混合材料有所区别,一般混合材料掺量均较大,并且大多在生产水泥过程中掺入,为满足水泥性能的特殊要求而掺加的少量物质,如调凝剂石膏和助溶剂等,一般都不划归为混凝土外加剂的范畴。

(二)混凝土外加剂的分类

1.普通减水剂。在混凝土坍落度基本相同的条件下,能减少拌合用水量的外加剂,此类减水剂主要有:木质素磺酸盐类,多元醇类,聚氧乙烯烷基醚类,腐植酸类减水剂等。

2.高效减水剂。在混凝土坍落度基本相同的情况下,能大幅度减少拌合用水量的外加剂。高效减水剂主要品种有:多环芳轻磺酸盐缩合物、磺化煤焦油系、氨基磺酸盐系、马来酸共聚物系等。

3.引汽剂。在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂,引气减水剂兼有引气和减水功能的外加剂,主要类型有:松香树脂类,如松香皂;烷基苯磺酸盐类:如烷基苯磷酸盐、脂肪醇磺酸盐类:如脂肪醇聚氧乙烯醚。

4.缓凝剂。延长混凝土凝结时间的外加剂,缓凝减水剂兼有缓凝和减水功能的外加剂,这类减水剂主要有:糖类,如糖钙;经基梭酸类:如柠横酸、酒石酸、水杨酸;多元醇类:如纤维隶、;无机盐类:如三聚磷酸盐;木质磺酸盐类:如木钙等,但它们往往归入普通减水剂中叙述。

5.早强剂。加速混凝土早期强度发展的外加剂,早强减水剂兼有早强和减水功能的外加剂,这类减水剂主要有:氯化物类:如氯化钙、氯化钠;硫酸盐类:如硫酸钠、硫代硫酸钠;硝酸盐类:如硝酸钠;有机物类:如三乙醇胺。

6.防冻剂。防冻剂能使混凝土在负温下硬化,并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂,防冻剂是一种复合型外加剂,主要防冻成分有如下类型:氯盐类:如氯化钙、氯化钠;碳酸盐类:如碳酸钙;氨水类:如氢氧化钱;有机类:如尿素。

二、混凝土的配合比设计方法

(一)设计的三大法则

1.水灰比(或灰水比)法则。水灰比法则是指混凝土强度与水泥强度成正比,与水灰比成反比,具体可用强度公式表示,如根据这一法则确定水灰比,以保证混凝土的强度和耐久性。

2.最大密实度法则。该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙,以达到混凝土密实度最大,换言之就是各项材料的密实体积总和等于1m3绝对密实的混凝土,即:V水泥+V掺合料+V砂+V石+V水+V气=1m3的混凝土。根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率,以确保混凝土的强度、耐久性与经济性。

3.最小单位用水量法则。根据这一法则,可在水胶比一定及原材料一定的情况下,确定能满足混凝土工作性的最小用水量。

(二)配合比设计步骤

1.两大部分。将混凝土按密实体积分为两大部分:(1)胶结材料浆体=水泥+水+外加剂+掺合料;(2)骨料基体=砂+石子,需要确定的参数为:水胶比、用水量、浆集比、砂率、外加剂掺量、掺合料掺量等6项。

2.三大步骤。(1)先计算空白混凝土的初步配合比;(2)根据经验初步确定外加剂与细掺料的掺量,通过流动性的试验调整,和抗裂性的对比试验确定基准配合比;(3)再经过强度与耐久性试验调整,确定试验室理论配合比,最后通过含水率的换算确定施工配合比。

(三)配合比的主要参数

1.耐久性。混凝土6大耐久性指标是指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性、抗碱骨料反应性。混凝土电通量小于1000C,混凝土抗裂性以抗裂试件侧面出现裂纹越晚、裂纹宽度越小为越好。混凝土的抗碱骨料反应性能应满足设计的规定:骨料的碱硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0.10%,当骨料的碱硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.10%～0.20%时,除了混凝土的碱含量小于3kg/m3外,还在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺和料和复合外加剂,并应证明抑制有效;抗冻性大于F200次;抗渗性大于P20。

2.水灰比。水灰比中的“灰”包含所有胶凝材料,可将水灰比称为水胶比。为达到低渗透性以保证其耐久性,无论设计强度是多少,水胶比都不能大于0.35(对于所处环境不恶劣的工程可以放宽),以保证混凝土的密实。

3.外加剂及掺量。外加剂应通过试验,根据与胶结料的相容性选择,掺量为胶结料总量的0.8%～2.0%。

4.用水量。在水灰比固定、原材料不变的情况下,取以满足工作性要求时的最小用水量,用水量变化范围不大,可通过外加剂掺量来控制。原材料对用水量影响很大,水泥的标稠的大小、砂石表面状态、吸水率大小,粉煤灰的需水量比、矿渣粉的流动度比、外加剂的减水率等都会影响混凝土用水量,优质原材料拌制的混凝土用水量比一般的要少20～30kg/m3,可以提高混凝土强度和耐久性,还能减少胶材用量提高混凝土弹模。

5.胶结材料总量。胶结材料总量的大小对混凝土的工作性、强度、弹性模量和收缩都有影响,高性能混凝土的胶结材料用量,必须有足够的浆体浓度和数量来满足工作性要求但不应大于500kg/m3为宜,并应随强度等级的下降而减少。

6.矿物掺料。以等量取代水泥计,其中硅灰掺量为5%～10%,磨细矿渣粉、粉煤灰掺量不低于20%,宜复合使用矿物掺合料。矿粉比粉煤灰强度增长快,有自硬性,能等量取代水泥,耐久性的好处与粉煤灰相同,但收缩较普通混凝土稍大,但早期抗裂性却不低于普通混凝土。拌合料在同坍落度条件下,粘度大,工作性、可泵性不如粉煤灰,两者取长补短,提高混凝土各种性能。

三、混凝土配合比的试配实例分析

(一)配合比具体设计思路

混凝土配合比的试配步骤应按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000相关规定进行,当采用多个不同的配合比进行混凝土强度试验时,其中一个应为基准配合比,另外配合比的水灰比,宜较基准配合比分别增加和减少0.02～0.03梯度确定。

(二)试配参数

试配一:水胶比为0.32,用水量为155kg/m3,胶凝材料用量:155/0.32=484kg/m3;粉煤灰、矿渣掺量均为15%,水泥用量为484×70%=339kg/m3;粉煤灰、矿渣用量(484-339)/2=72kg/m3;外加剂用量:484×1.3%=6.29kg/m3;砂石用量:假定混凝土容重2450kg/m3,根据配合比设计规程水胶比及骨料最大粒径确定砂率40%,砂用量(2450-484-155-6.29)×40%=722kg/m3;石用量(2450-484-155-6.29)×602%=1083kg/m3。实测容重2393kg/m3,每方混凝土材料用量不用调整:水泥339kg/m3,粉煤灰72kg/m3,矿渣粉72kg/m3,水155kg/m3,外加剂6.29kg/m3,砂722kg/m3,石1083kg/m3。理论配合比:水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂∶水=1∶2.13∶3.19∶0.21∶0.21∶0.019∶0.46。

试配二:水胶比为0.32,用水量为155kg/m3,胶材用量155/0.32=484kg/m3;粉煤灰掺量15%,粉煤灰用量484×15%=73kg/m3;矿渣粉掺量10%用量为484×10%=48kg/m3;水泥用量484-73-48=363kg/m3;外加剂用量484×1.3%=6.29kg/m3;砂石用量:假定混凝土容重2450kg/m3,根据配合比设计规程水胶比及骨料最大粒径确定砂率40%,砂用量(2450-484-155-6.29)×40%=722kg/m3;石用量(2450-484-155-6.29)×60%=1083kg/m3。实测容重2390kg/m3,每方混凝土材料用量不用调整:水泥363g/m3,粉煤灰73kg/m3,矿渣粉48kg/m3,水155kg/m3,外加剂6.29kg/m3,砂722kg/m3,石1083kg/m3。理论配合比:水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂∶水=1∶1.99∶2.98∶0.20∶0.13∶0.017∶0.43。

(三)试配结果

根据试配结果,两组试件强度、电通量、含气量、抗冻性、抗渗性、弹性模量指标均满足设计要求。综合分析以上两组配合比设计试验,原材料质量优良,符合该混凝土对原材料高质量的要求;配合比选定考虑了经济合理、水胶比在要求范围内;不同配合比混凝土在相同的养护条件下,不同龄期强度试验结果均满足设计要求;抗渗试验结果显示两组试验均满足设计要求;通过耐久性试验结果显示两组试验均满足要求,综合各项指标第二组较合理;经济角度分析,第一组配合比水泥用量最少,较经济合理,适宜工程实际使用;综合比较,两组配合比设计均满足设计要求,第一组试验较合理。

参考文献:

[1]郭凤华.混凝土配合比设计与施工技术在高等级公路路面工程中的应用[J].广东建材,2009,(2)。

[2]朱稚石.按混凝土性能要求设计混凝土配合比[J].商品混凝土,2009,(2)。

[3]房正平.路面水泥混凝土配合比设计的优化[J].泰州职业技术学院学报,2009。

(作者单位:河北武安市建筑材料监测站)