粉煤灰混凝土配合比设计

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混凝土中掺人适量的粉煤灰，既可降低工程施工成本，改善混凝土的和易性、可泵性，增加混凝土的黏性，减少混凝土离析与泌水，又可使混凝土的凝结时间相对延长，坍落度损失减小，降低水化热，减少或消除混凝土中碱集料反应的危害。但也存在粉煤灰品质波动大，混凝土早期强度偏低的缺点。若在配合比设计时，对原材料、粉煤灰取代率及超掺量系数作正确选择，其混凝土能满足设计施工要求。本文论述桥梁结构中C25灌注桩、承台，C30墩帽及墩身，C40、C50后张法预应力混凝土箱梁的粉煤灰混凝土配合比设计，原材料选择及施工注意事项。

1 原材料

    （1）粉煤灰：用于混凝土的粉煤灰按其品质分为I、Ⅱ、Ⅲ3个等级，主要技术指标见表1。

   

    桥梁结构混凝土配合比设计时，选择I、Ⅱ级粉煤灰，其中I级灰用于强度大于40 MPa的混凝土，Ⅱ级灰用于混凝土强度等级小于C30的桩基、承台、立柱、墩台帽工程。
    粉煤灰活性：粉煤灰越细，比表面积越大，粉煤灰的活性就越容易被激发，因此，所用粉煤灰越细，混凝土早期强度越高、耐久性越好。

    粉煤灰烧失量对需水性影响显著，随粉煤灰烧失量增加，粉煤灰的需水量增加，当烧失量大于10%时，粉煤灰对流动扩展度无有利作用；粉煤灰含碳量增高，烧失量增大，在混凝土搅拌、运送、成型过程，粉煤灰更容易浮到表面，影响混凝土的外观与内在质量。另外，由于烧失量增大，还会降低减水剂的使用效果。

    需水量与粉煤灰的细度、烧失量也有一定的关系，一般来说粉煤灰需水量越小，对混凝土性能越有利。粉煤灰越细，需水量越小；烧失量越大，需水量也越大。所以粉煤灰的需水量指标可以综合反映出粉煤灰的性能。

    含水量过高，会降低粉煤灰的活性，直接影响使用效果。
    SO3含量影响混凝土的强度增长极限和凝结时间，同时粉煤灰中SO3 含量过多还可能造成硫酸盐侵蚀。

    （2）水泥：混凝土强度等级小于C30时，选用32．5或42．5的普通硅酸盐水泥；混凝土强度等级大于C30时，选用42．5或52．5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

    （3）黄砂：满足Ⅱ类砂要求的条件下，优先选择级配良好的江砂或河砂。因为江砂或河砂含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，级配一般都能满足要求。山砂中含泥量较大，且含有较多风化颗粒，一般不能使用。砂的细度模数控制在2．4 3．0，其中C50混凝土用砂的细度模数宜控制在2．6—3．0，因细度模数小于2．5时，C50混凝土拌和物显得太黏稠，施工中难于振捣，泵送较困难。砂的细度模数大于3．0时，容易引起新拌混凝土在运输浇筑过程中离析及保水性能差，从而影响混凝土内在和外观质量。

    （4）碎石：粗集料的强度、级配、颗粒形状、表面特征、杂质的含量、吸水率对混凝土强度及耐久性有着重要的影响。所用碎石应满足Ⅱ类碎石技术要求。碎石的压碎值通常被用来间接地判定岩石的强度，混凝土的强度等级与岩石抗压强度及碎石压碎值关系见表2。

   

    碎石宜选择连续级配碎石，单粒级碎石易引起混凝土离析。C40以下混凝土宜选择最大粒径不大于31．5 mm碎石，粒径过大会引起混凝土在运输、浇筑过程中的离析。C40以上的混凝土，碎石最大粒径不宜大于25 mm。因为C40以上混凝土（特别是C50混凝土）水泥浆较富余，而大粒径集料比同质量小粒径集料表面积小，其与砂浆粘结面积小，粘结力低且混凝土的均质性差，所以用大粒径集料不可能配制出高强度混凝土。

    粗集料的颗粒形状、表面特征对混凝土的粘结性能有一定的影响，特别是对C50混凝土影响较大，宜选择表面粗糙多棱角，颗粒近似立方体的碎石。C40以下混凝土中的针片状碎石总含量应不超过15%，在C50混凝土中不宜超过8%。

    外加剂：通常选用高效减水剂、高效缓凝减水剂、高效早强减水剂，如NF、UNF、JC等。
    高效减水剂同时具有增加混凝土强度和流动性的作用。掺高效减水剂的混凝土坍落度损失一般较快，施工时最好采用后掺法，这样可提高高效减水剂减水作用，使混凝土的流动性增加。在温度低于8~10℃时，高效减水剂虽能增加和易性，但增加强度的作用大大降低，所以高效减水剂宜在春秋季节使用。

    高效缓凝减水剂有利于控制水泥的早期水化，使混凝土拌和物坍落度损失小。一般来说，掺量大时凝结时间相应增长，但掺量过大会降低早期强度，通常根据施工季节调整掺量。高效缓凝减水剂宜在夏季或结构复杂、配筋密集的构件中使用，这样可避免形成冷缝，方便施工的安排。

    高效早强减水剂一般在冬季使用，能提高混凝土的早期强度，使用时要慎重，因为高效早强减水剂能加快早期强度的发展，但混凝土的后期强度一般会降低。试配时要认真做好验证工作。

2 粉煤灰混凝土的配合比设计

    粉煤灰混凝土的配合比设计，以基准混凝土配合比为基础，按等稠度、等强度的原则，用超量取代法进行调整。粉煤灰混凝土配合比设计的主要目的是确定一个经济的混合材料最佳组合，主要设计手段是通过试验、试配来完成。设计方法如下：
    根据混凝土设计强度，计算试配强度如式（1）：
         

    式中： 一混凝土的施工配制强度，MPa；
               一混凝土的设计强度，MPa；
              一施工单位的混凝土强度标准差。

    无近期同一品种混凝土强度资料时，混凝土强度等级分别为低于20、20~35和大于35时，其强度标准差 分别可取4．0、5．0和6．0。
    确定基准配合比。其方法与普通混凝土配比设计方法相同，即确定水灰比，用水量及水泥用量，砂率；用绝对体积法计算出砂、石用量。
    选择粉煤灰取代水泥百分率 值如表3所示。

      

    通常C30以下混凝土，取代率选择10%一15%（水泥为普通硅酸盐水泥）；C40以上混凝土，特别是有早期强度要求时，取代率不超过10%。

    计算每立方粉煤灰普通混凝土的水泥用量（C）见式（2）。

               

    式中：Co— 基准混凝土的水泥用量，kg；
              一粉煤灰取代水泥百分率。
    确定粉煤灰超量系数，如表4所示。

   

    通常：C30以下混凝土用Ⅱ级灰时，超量系数取1．5或1．6。C40以上混凝土用I级灰时，超量系数取1.3或1．4。每立方混凝土中粉煤灰的用量（F）按式（3）计算：

               

    式中： —粉煤灰超量系数。
    用绝对体积法求出粉煤灰超出水泥的体积，按粉煤灰超出的体积，扣除同体积的细料用量，碎石用量不变。混凝土中砂用量S按式（4）计算。

        

    式中：So一基准配合比的砂用量；
             Ps 一砂相对密度；
            Co一基准混凝土的水泥用量；
            C一粉煤灰混凝土中水泥用量；
            Pc 一水泥相对密度；
            F一粉煤灰混凝土中粉煤灰用量；
            PF一为粉煤灰相对密度（一般取2．2 g／cm3 ）。

    粉煤灰混凝土的用水量，按基准配合比的用水量选取。
    根据计算得到粉煤灰混凝土配合比，在试配确保和易性、水灰比不变的基础上，进行配合比的试拌调整。根据调整后的配合比，确定为粉煤灰混凝土的理论配合比。

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C60级以上的高强混凝土工程建筑中已得到较大范围的应用。现结合多年的工作实践，就如何做好C60级以上高强度混凝土的质量管理与检测，作一粗浅论述。
  一、高强混凝土质量控制
  高强混凝土质量管理的核心在于混凝土的流动性和凝结时间，其早期强度与28天强度主要需做好以下工作：
  （一）原材料的选择与应用
  1、指定专人定期检查、测定各种原材料和生产状态，特别是对原材料的进料、储存、计量应全方位监控。
  2、配制C60级高强混凝土，不需要用特殊的材料，但必须对本地区所能得到的所有原材料进行优选。除有较好的性能指标外，还必须质量稳定，即在一定时期内（至少在施工期内）主要性能没有太大的波动。
  3、强度等级在C80或C80以上的混凝土，在水泥水化时不可避免地会在内部形成细微的毛细孔。为确保混凝土强度，必须采取措施将毛细孔填满，以增加混凝土的密实性。因而，需要在砼配比中，加入微米级径增密处理的超细活性颗粒。使其在水泥浆微细空隙中水化，减少和填充毛细孔，达到增强和增密作用。
  4、高强混凝土要求低水灰比，高坍落度，这就需要掺入高性能的外加剂。目前，砼的外加剂品种较多，但高性能复合型外加剂国内尚不多见，故应作对比试验后确定。
  （二）混凝土配比方案优选
  1、高强混凝土正式生产时应进行试配，选定不同的配比和投料顺序，施行优选方案。
  2、试配必须严格模拟实际生产条件，在原材料有变动时应再次试配。
  3、搅拌必须均匀，采用强制式搅拌机，较普通砼延长50%搅拌时间。
  （三）工时质量控制
  在试验室配置符合要求的高强混凝土比较容易，而在整个施工过程中，稳定质量水平较为困难。一些在普通情况下不太敏感的因素，在低水灰比情况下会变得相当敏感，这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素的变化，并且要根据变化，随时调整配合比和各种工艺参数。主要做好几项工作：
  1、严格水灰比控制：骨料的含水量应在用水量中扣除，每天需测定骨料含水量，每次配料时应采用水量自动测定仪连续测定砂子含水量，在任何情况下都不得添加额外水量；
  2、探测砼拌和物温度，必要时测定砼水化热，控制温升，延长和保证工作时间；
  3、合理安排工艺和工序，计算各阶段所需时间，合理缩短砼从搅拌到浇捣完毕的时间；
  4、所有参与操作人员进行技术交底，完善各项记录文件。
  二、高强砼性能检测
  判断高强砼的抗压强度重要之处，在于抗压试件的采样材料。
  1、砼强度试件的留样。由于高强混凝土变异性增大，强度数值受多种因素的影响，故高强混凝土抗压试件的采样频数应高于普通砼。
  2、驻现场技术人员对拌和物性能进行测定，并按规定留取砼强度试件，试件的数量应至少能满足提供早期及28天强度测定所需，每批应不少于6组（每组3块）。
  3、由于高强砼水灰比很低，试件内部容易产生较大拉应力，对试件宜采取水中养护并对温度进行控制。抗压强度试验前应在正常自然条件中存放几天后进行，强度测试结果较为稳定。
  4、砼强度试件的强度测定。根据实际经验，高强混凝土试件强度测定时应选用标准试件和高刚度承压板试验机，控制匀速加荷，才能保证强度测定的准确性和可靠性。
  根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2002）和《混凝土强度检验评定标准》（GBJ107）的有关规定对砼强度进行检验评定，但我们认为用非统计方法对混凝土强度进行检验，其不足之处在于平均强度的要求对于高强混凝土偏高，而对最低强度的要求又偏低，应根据实际情况作分析判断。
  对于高强混凝土强度，可按《回弹法检测高强混凝土强度技术规程》（Q/JY17—2000）进行强度测定，并应建立新的地区测强曲线。超声波法、超声回弹综合法等，对高强混凝土进行检测是适用的，但目前尚无可用的测强曲线。
  此外，现行抗渗和收缩测定试验，尚不能反映高强混凝土的特点，有待于进一步研究。
  综上所述，高强混凝土质量管理与检查，与普通砼存在一些差异，应引起足够的重视。

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