水泥混凝土配合比優化的試驗設計

石紅

摘 要：水泥混凝土由水泥、粗集料、細集料和水按照一定比例配比而成，是道路、橋梁等建筑工程中的重要應用材料。水泥混凝土配合比設計是工程設計和施工的先導環節，不僅與工程的成本控制相關，還直接影響工程質量，是決定工程技術性能、工程結構形式的關鍵要素。

關鍵詞：水泥混凝土；配合比；試驗；優化設計

水泥混凝土是一種剛性材料，具有良好的力學性能，具有強度高、穩定性和整體性好、剛度大、抗凍性好的優點，其在建筑工程比如道路、橋梁中的應用越來越廣泛。然而，在當前混凝土配合比設計中，盲目追求高強度，高溫抗裂能力和低溫抗凍能力較差，為了在增強混凝土強度的基礎上提高其抗裂性、抗凍性和耐久能力，確保工程建設質量，有必要運用合理的配比技術和試驗進行水泥混凝土配合比的優化設計。

1 水泥混凝土配合比設計應考慮的問題

水泥混凝土是工程設計和施工中應用范圍最廣、應用量最大的建筑材料，而配合比設計是確保工程質量能夠達到預期效果的關鍵。合理的材料配合比設計應按照相關規范給出的包括強度、耐久性、抗裂性、和易性和經濟性等要求確定各種組成成分的用量，以獲得最經濟、最適用的混凝土，因此，為了保證混凝土質量，在水泥混凝土配合比設計中，必須考慮多方面因素。第一，砂率與混凝土稠度相關，若砂率過大，在水泥漿用量不變的情況下混凝土的水泥漿就會過少，不利于減少收縮，所以應保證砂率適中；第二，水膠比與混凝土強度相關，水膠比越大，混凝土強度就越小，所以，在滿足和易性要求下，盡量采用較小的水膠比；第三，水膠比相同的情況下，混凝土會隨著集灰比的增長而呈現增長趨勢，這主要是因為集料數量過多、集料吸收水分量過大、實際水膠比變小引起的，另外，還與混凝土內部空隙總體積減少、較高標號混凝土水泥用量過大有關。第四，在水泥混凝土配合比中，單位用水量必須按照相關規范標準添加，通常視混凝土塌落度、粗骨料品種、粗骨料和細骨料的最大粒徑而定。

2 水泥混凝土配合比優化的試驗設計

2.1 水泥混凝土的原材料

水泥混凝土配合比設計中關鍵在于選用的水泥，按照相關規定，可選用普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山巖質硅酸鹽水泥，且水泥的初凝、終凝時間要保持在3-6h以上，從原則上來講，不采用早強或快硬水泥；碎石的最大粒徑不大于31.5mm，石料顆粒扁平以及中細長顆粒含量應小于15%，避免摻入軟質破碎物或其他雜質；以粉煤灰作為結合料，用以填充碎石空隙，從而增強混凝土和易性，并節約水泥；在水泥混凝土配合比設計中，對水沒有特殊要求，飲用水即可。

2.2 水泥混凝土配合比的優化試驗設計

2.2.1 原材料和試驗方案。試驗選用粉煤灰，所用的水泥為P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，28天抗折強度實測為8.0MPa，抗壓強度為45.5MPa；粗集料為石灰巖碎石，其中1-3cm粒徑比率為60%，1-2cm粒徑比率占40%，細集料采用天然河砂，細度模數為2.95。為了提高混凝土和易性、密實度和早期強度，在混凝土中摻入高效引氣減水劑，建議添加量為0.6-1.0%。采用超細礦渣，比表面積為530cm2/g。

影響水泥混凝土性能的因素很多，比如混凝土水膠比、砂率、粗細集料最大粒徑、膠凝材料用量、攪拌工藝、澆筑方法等，配合比設計應能滿足設計要求的抗壓強度以及施工要求的均勻性、和易性、耐久性、抗凍性等。根據工程要求和材料現狀，通過初步分析計算和理論論證，決定采用正交試驗方法進行試驗，設計四個水平，研究各因素對試驗指標的影響程度的顯著性，以達到高效、經濟的試驗設計目標。在普通硅酸鹽水泥中摻入高效減水劑、礦渣，用以優化耐久性，并通過前期最大容重試驗確定了普通混凝土配比；為了使混凝土抗凍性能達到要求，控制混凝土的引氣量為±1-5%，由于礦渣摻量不同引氣量也會改變，所以在本試驗中將混凝土塌落度控制在3-5cm，通過改變高效減水劑的摻量和水灰比來確定水混凝土配合比。

試驗中采用強制式攪拌機，先按照規定進行稱量，然后將碎石、砂均勻拌合，加入粉煤灰和水泥進行為時1min的干拌，最后加入水和高效減水劑濕拌2min?；炷僚浜媳仍O計參照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2000）以及水泥混凝土應用技術規范規程執行，混凝土的力學性能以及拌合物性能參照《公路工程水泥及混凝土試驗規程》（JIG E30-2005）進行試驗，混凝土的開裂試驗則參考《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中相關混凝土早期抗裂性試驗設計和評價方法進行。

2.2.2 結果與分析。水灰比、含氣量是影響混凝土耐久性的首要因素，在本試驗中，著重研究兩項控制指標。四個水平含氣量測定結果為：2.0%、5.5%、5.2%、4.9%。另外，抗折彈性模量是混凝土結構設計的主要指標，試驗結果表明，添加了高效減水劑和礦渣后，改性后的混凝土與普通混凝土的抗折彈性模量無較大差距，基本上持平。

混凝土的首要性能是強度，其抗彎拉強度越高，反復彎折作用就越強。由于礦渣的短期性能遠遠不如其長期性能，在試驗中重要考察混凝土40天的抗折強度、抗壓強度和壓折比，四個水平的試驗結果為：抗壓強度39.0MPa、46.8MPa、48.0MPa、49.3MPa，抗折強度為5.39MPa、6.67MPa、7.10MPa、7.15MPa，壓折比為7.28、7.02、6.76、6.92。通過對試驗結果進行分析，在摻入高效減水劑和礦渣后，混凝土的抗壓強度和抗折強度都逐漸增加，而抗折強度的增長率較高，壓折比則在一定范圍內呈現下降趨勢，這說明經過改性后的混凝土較普通混凝土具有更高的強度和柔性。在混凝土中摻入較高量的礦渣和減水劑，混凝土的耦合增折作用會降低，當礦渣量超過20%，混凝土抗壓強度和抗折強度增長不明顯，因而，外加劑產量要保持在規定摻量內，否則會影響混凝土力學性能，而礦渣摻量也不宜較大，否則會影響成型，降低混凝土強度。

對混凝土進行300次快速凍融循環，之后對其抗凍性進行劈裂抗拉強度試驗，試驗結果表明，在對水泥混凝土配合比進行優化設計后，混凝土強度損失率和質量損失率大大降低，相較于普通混凝土，摻入高效減水劑和礦渣的混凝土的抗凍性更強。

3 結語

總之，如果沒有將水泥混凝土配合比設計控制好，材料性能就不能得以有效發揮，嚴重的話甚至會給工程帶來質量隱患。為了確保水泥混凝土的強度和抗裂性能，必須進行合理的配合比優化設計。本試驗表明，在普通硅酸鹽混凝土中按照規定量摻入高效減水劑和礦渣，混凝土性能得到了顯著改善，其耐久性、強度、抗凍性、變形能力、和易性都得以增強，混凝土各項指標都得到了大幅度提高，這對于加快施工進度、提高工作效率、確保工程質量將發揮重要作用。

參考文獻

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