铁砂混凝土配合比设计

刘水建

中交三航局厦门分公司

1 工程概况

吴兴区经三路八里店互通改建工程建设项目，以湖盐公路八里店大桥主桥处北侧位置为起点，跨G318向北，终点接已建经三路，主线路线全长820m，设互通立交一座，主线路线通过A1、A2、B、C各匝道与G318国道连接，其中C匝道为桥梁，其他匝道为地面匝道,主要改建内容为:北侧引桥和互通区桥梁及匝道改建，主要结构物有跨G318国道桥，新建C匝道桥,另经三路跨越区域规划河流，新建经三路桥。主线跨G318国道桥下部结构，应用灌注桩基础、柱式墩台，上部为钢-混组合梁；组合梁U型端横梁内设置填料配重，配重铁砂混凝土容重40kN/m3,混凝土强度不低于C25混凝土强度指标。

2 铁砂混凝土的设计思路

本次铁砂混凝土设计的首要任务是保证混凝土容重达到设计要求，然后兼顾它的工作性能、力学性能等指标；因此，经过材料商比对，决定采用产自上海的钢铁厂炼钢时的废料铁砂作为细集料，以澳洲进口的铁矿石作为粗集料。用以上重集料来配制混凝土，以满足混凝土的重要指标容重的要求，通过铁砂混凝土的配合比设计试配过程，取得铁砂混凝土的工作性能、力学性能和容重的相关数据，总结铁砂混凝土的设计要点，为类似工程的实际应用提供参考。

3 原材料的选择

3.1 水泥

水泥的选用以满足混凝土强度和和易性为原则，鉴于本工程采购的水泥性能稳定，故采用工程现有的自湖州南方水泥有限公司采购的P•0 42.5普通硅酸盐水泥，相关指标见表1。

表1 水泥检测结果

3.2 细集料

细集料的选用以钢铁厂炼钢时的废料铁砂组成，产地上海，主要指标见表2。

表2 细集料检测结果

3.3 粗集料

粗集料的选用以澳洲进口的铁矿石经破碎分选而成，组成5mm～31.5mm连续粒级，级配良好，其主要指标见表3。

表3 粗集料检测结果

3.4 粉煤灰

以粉煤灰对混凝土工作性能产生的影响为基础，掺加粉煤灰可促使铁砂混凝土的粘聚性、保水性有效改善，降低铁砂混凝土的离析现象，减少泌水，使混凝土具有更好的流动性、密实性、匀质性，便于混凝土的施工，故采用工程现有的湖州双丰物资再生利用有限公司Ⅱ级粉煤灰，各项性能指标可满足施工要求。

3.5 减水剂

在混凝土中掺减水剂，可促使混凝土单位用水量显著降低，显著增加混凝土密实性、在增大混凝土流动性中起到重要的作用，所以选择合适的减水剂也是关键所在，因此减水剂选用浙江五龙新材股份有限公司生产的ZWL-A-IX型标准型聚羧酸系高效减水剂，各项性能指标可满足施工要求。

3.6 拌和用水

为自来水，符合拌和用水的要求。

4 配合比计算

根据设计要求配重铁砂混凝土容重40kN/m3，混凝土强度不小于C25，C25强度不难达到，难的是如何达到规定的容重，因此，本次设计以满足混凝土容重为主要目的，由于没有专门的铁砂混凝土设计规程，故参考《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）予以计算，因重集料所具有的表观密度同工程所用普通集料所具有的表观密度差异较大，用质量法无法用历史经验确定假定容重，所以用体积法进行计算较为精确合理，从而得出初步配合比。

（1）考虑到铁砂表面较为光滑且吸水率小，铁砂、铁矿石质量均较普通集料大，拌出来的混凝土集料容易离析，需要增加胶结料质量以增加粘聚性和保水性，根据混凝土设计强度等级，按照选定的水泥强度等级和经验，确定初步的水胶比为：W/B=0.40。

（2）根据施工工艺要求，混凝土为泵送，设计坍落度120±20mm，铁矿石粒径最大为31.5mm，进行查表，得单位用水量220kg/m3,参考外加剂减水率，可以确定单位用水量为：W=160kg/m3。

（3）胶结料用量按：B=160/0.4=400kg/m3计算。

（4）《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GB/T 50146—2014）标准中规定粉煤灰最大掺量不超过35%，本实例取25%。

（5）粉煤灰用量：F=400×0.25=100kg/m3。

（6）水泥用量：C=400-100=300kg/m3。

（7）因砂率可在较大程度上影响混凝土所具有的保水性、流动性、粘聚性等工作性能,故砂率的选定较为关键,对于合理的砂率来说，砂子在将粗集料空隙填满外，且有多余量,多余的砂浆在粗集料间形成适当厚度，促使粗集料间所具有的摩阻力减小，进而为混凝土的和易性、流动性提供保障，依据泵送混凝土砂率宜采用35%～45%的规定和铁砂表观密度最大的情况，考虑到铁砂的吸水率比普通集料要小，可以适当增加砂率，在满足和易性的基础之上应尽量增加铁砂的用量方可满足混凝土的容重要求，因此确定砂率为上限45%。

（8）按下列式子计算粗细集料用量：

式中：

水泥密度取3100kg/m3；

粉煤灰密度取2200kg/m3；

水密度取1000kg/m3。

上式联立计算出：

配合比计算结果为：水泥：水：细集料：粗集料：粉煤灰：外加剂=300:160:1582:1933:100：4.80。

5 配合比试拌、比对

在初始配合比计算的基础上，开展试拌工作，试拌结果以拌和物和易性良好为特征、其所具有的各项性能符合施工要求，因此按规范要求采用0.45、0.40、0.35三个水灰比进行试拌，测其强度、容重、坍落度等各项指标，结果见表4。

表4

6 试验结果分析

通过各项试验的结果表明：（1）混凝土拌和物的各项工作性能满足施工需要。（2）各水胶比混凝土的7天、28天抗压强度均满足要求。（3）编号1、2水胶比的混凝土实测湿容重符合40kN/m3≈4080kg/m3的设计要求，编号3水胶比的混凝土实测湿容重不符合设计要求。依据试验结果的比对分析，选择编号2的混凝土配合比在本次施工中使用。

7 工程应用和质量控制

因工程用铁矿石及铁砂具有较大的表观密度，在搅拌时存在较大难度，故在对铁砂混凝土进行搅拌时，宜以双卧轴强制式搅拌机开展施工作业，为保证重混凝土的容重，需严格依据确定的重混凝土施工配合比展开拌料操作，为保证重混凝土的和易性、稳定性，应对原材料品质进行严格控制，在集料仓搭建防雨、防晒棚，确保集料温度和含水量保持稳定；对于聚羧酸减水剂而言，其对集料所具有的含泥量、温度所呈现出较高的敏感性，因此要严控铁砂、铁矿石的含泥量、泥块含量，同时每批进场的聚羧酸减水剂应进行混凝土试拌；滞水法拌料可使减水剂所具有的减水效果显著增强，降低混凝土坍落度损失，改善混凝土的和易性，因此试拌时减水剂采用滞水法，在集料、水泥和适量水搅拌60s后予以掺入，直至搅拌均匀。在本工程实际施工时，铁砂混凝土呈现出较好的工作性能，现场铁砂混凝土实测出盘湿容重平均为4010 kg/m3，现场对立方体抗压强度试件进行取样，于标准恒温恒湿条件下养护28天抗压试验，平均强度达45.3MPa，所涉主要指标均满足C25配重混凝土设计要求。

8 结论

通过以上试验比对结果，可总结以下结论：铁砂混凝土属于重混凝土，起稳定建筑或构筑物平衡的作用，在配合比设计时相对于普通的混凝土配合比设计有较大的差异，普通的混凝土由于集料质量相对较轻，应用广，在解决集料下沉、离析等情况时有很多经验可以参考，但对于泵送重混凝土集料质量大、铁砂表面光滑，吸附能力差，坍落度大的特性，各物料间摩擦力小引起混凝土粘聚性差，水泥砂浆包裏不住集料，重集料很容易出现下沉的情况，引起混凝土离析分层，造成严重泌水，进而对整个混凝土工作性能构成影响，所以在重混凝土的配合比设计中，应重点考虑混凝土抗离析的能力，严格选料，精心选择砂率，合理掺配，同时为了防止重集料下沉而导致离析情况的发生，重混凝土中也可以掺入其他一些抗离析的掺合料，以增加混凝土的粘聚性、保水性，得到经济、合理、符合设计要求的重混凝土配合比。