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超緩凝混凝土的配合比試驗研究及設計方法
發布時間:2017-4-17 閱讀:2636次   打印本頁 || 關閉窗口
摘要

超緩凝混凝土(ultra-retardation concrete,簡記為URC)是一種對混凝土凝結時間有特殊要求的新型混凝土。試驗結合超緩凝混凝土的工程實際應用情況,以URC10、URC20、URC30及URC40四個強度等級為研究對象,研究確定了不同初凝時間范圍下超緩凝混凝土的抗壓強度比系數,并采用抗壓強度比系數合理降低水膠比及大摻量礦物摻合料的配合比設計思路成功配制出了初凝時間不小于60h,終凝時間不大于120h,初終凝時間差不大于20h,28d強度不低于設計強度等級的超緩凝混凝土。

引言


    超緩凝混凝土是一種為了滿足特殊施工要求而專門配制的初凝時間達到60h~80h,28d強度不低于設計強度等級的新型混凝土[1]。在地鐵、車站等深基坑圍護結構的鉆孔咬合樁,要求后續施工的鉆孔樁在施鉆時,能同時對已澆筑完畢的鉆孔樁樁身混凝土進行適量的鉆削,使鉆孔樁相互咬合連成一個整體而提高擋水的能力[2-5]。為實現這一特殊施工要求,通常需增加緩凝劑摻量來增大水泥水化需克服的能壘,從而延緩混凝土的凝結和抑制混凝土早期強度的發展,但同時也對混凝土后期強度發展有一定的影響。
    超緩凝混凝土的凝結時間與抗壓強度之間存在一定對應關系,本課題組前期研究表明:初凝時間小于60h時,28d強度降幅在5%左右;初凝時間大于60h且終凝時間小于120h時,28d強度降幅低于15%;終凝時間大于120h時,28d強度降幅達20%以上[6]。因此,采用合理的技術手段解決超緩凝混凝土超長凝結時間的施工要求與混凝土抗壓強度發展要求之間的矛盾關系對科學合理的配制和應用超緩凝混凝土具有重要作用。本文結合超緩凝混凝土工程應用情況,以URC10、URC20、URC30及URC40四個強度等級為研究對象,通過試驗研究不同初凝時間范圍下超緩凝混凝土的抗壓強度比系數,并采用抗壓強度比系數合理降低水膠比及大摻量礦物摻合料的配合比設計思路對配合比進行試驗驗證,提出一種科學合理的超緩凝混凝土配合比設計方法。

原材料及試驗方法


2.1  試驗原材料

⑴水泥:云南國資水泥紅河有限公司生產的P.O 42.5級水泥,其物理力學性能見表1。

表1  水泥的物理力學性能

比表面積/m2·kg-1 80μm篩篩余/% 標稠用水量/% 密度/ g·cm-3 凝結時間/min
抗折強度/MPa
抗壓強度 /MPa
初凝 終凝 3d 7d 28d 3d 7d 28d
356 3.7 26.0 3.15 220 275
6.4 7.1 8.5
27.2 36.5 48.0

⑵礦物摻合料:云南恒陽實業有限公司粉煤灰分公司生產的Ⅱ級粉煤灰及玉溪三和新型建材技術有限公司生產的S75礦粉,其性能指標分別見表2及表3。

表2  Ⅱ級粉煤灰的性能指標

細度/% 比表面積/m2·kg-1 需水量比/% 燒失量/% 含水量/% 三氧化硫/% 密度/g·cm-3 活性指數/%
7d 28d
14.0 315 100.2 2.36 0.15 2.66 2.45 62 71

表3  S75礦粉的性能指標

細度/% 比表面積/m2·kg-1 流動度比/% 燒失量/% 含水量/% 三氧化硫/% 密度/g·cm-3 活性指數/%
7d 28d
1.9 420 97.6 1.30 0.15 1.44 2.75 59 81

⑶骨料:細骨料根據機制砂和山砂的級配情況按8:2的比例調配成Ⅱ區中砂,細度模數為2.8,表觀密度2.68g/cm3,MB值為1.1,石粉含量為8.2%;粗骨料為粒徑5mm~31.5mm連續級配碎石,壓碎值9.2%,含泥量0.82%,泥塊含量0.15%,針片狀顆粒含量1.7%。
⑷外加劑:高效減水劑采用萘系高效減水劑,減水率18%,推薦摻量2.5%~3.0%,固含量30%;緩凝劑采用工業葡萄糖酸鈉。
⑸:水:昆明市飲用自來水。
2.2  試驗方法
⑴混凝土拌合物工作性能和凝結時間測定
    參照《普通混凝土拌和物性能測試方法》GB/T 50080-2002。采用貫入阻力法測定從混凝土拌合物中用5mm標準篩篩出的砂漿凝結時間,貫入阻力達到3.5MPa時為初凝時間,達到28MPa時為終凝時間。凝結時間測試過程中環境溫度始終保持(20±2)℃,凝結時間測定從水泥與水接觸瞬間開始計時,且應根據拌合物性能,確定測針試驗時間,以后每隔3h~4h測試一次,臨近初終凝時每隔1h~2h測試一次。
⑵混凝土抗壓強度測定
    參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002進行。混凝土立方體抗壓強度試件應在試件成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面,且應在溫度為(20±5)℃的環境中帶模養護至終凝后24h內拆模。拆模后應立即放入溫度(20±2)℃、相對濕度為95%以上的標準養護室中養護,達規定齡期進行抗壓強度測試。

配合比設計思路


 3.1  配合比設計要求

    ⑴超緩凝混凝土的凝結時間需滿足初凝時間不小于60h,終凝時間不大于120h,初終凝時間差不大于20h的要求。超緩凝混凝土的凝結時間應根據設計要求、環境溫度、運輸距離、停放時間來合理調控以滿足施工要求,且實際凝結時間與設計要求的允許偏差值為±10%。
    ⑵超緩凝混凝土到澆筑工作面的坍落度宜控制在180mm~200mm。考慮混凝土在運輸工程中的坍落度經時損失,應根據實際情況控制混凝土出廠坍落度較澆筑現場坍落度大10mm~30mm。
    ⑶超緩凝混凝土的3d強度不大于3MPa,28天強度滿足設計要求。
3.2  配合比設計原則
    超緩凝混凝土的配合比設計難點是解決凝結時間與抗壓強度發展之間矛盾。因此,超緩凝混凝土的配合比設計主要遵循以下原則:一是采用提高礦物摻合料摻量且不宜采用純水泥,延長混凝土凝結時間和保證混凝土拌合物性能滿足施工要求;其次是提高試配強度,降低水膠比,保證混凝土后期強度滿足設計要求。
    ⑴超緩凝混凝土凝結時間的科學調控。采用公司自有發明專利技術“基于葡萄糖酸鈉緩凝劑的超緩凝混凝土凝結時間調控方法”(ZL 201410667513.8),從養護溫度及緩凝劑摻量與凝結時間的關系出發,確定超緩凝混凝土的緩凝劑摻量來科學合理的控制超緩凝混凝土的凝結時間滿足設計要求。
    ⑵超緩凝混凝土抗壓強度的科學調控。根據超緩凝混凝土初凝時間與抗壓強度比的定量關系,在用水量不變的情況下,降低水膠比,增加膠凝材料總量,保證28d強度滿足試配強度要求。超緩凝混凝土的試配強度及水膠比可分別按公式⑴和公式⑵確定:

                           ⑴

    式中:fcu,0 為超緩凝混凝土的試配強度,MPa;fcu,k為超緩凝混凝土立方體抗壓強度標準值,MPa;σ為超緩凝混凝土強度標準差,MPa。

                       ⑵

    式中:k為標準養護條件下,同一配合比超緩凝混凝土與普通混凝土28d抗壓強度之比;fb為膠凝材料28d膠砂抗壓強度實測值,MPa;αaαb為回歸系數。

試驗結果與討論


 4.1  超緩凝混凝土抗壓強度比的確定

    課題組前期采用不同的緩凝劑單摻、復摻配制了不同凝結時間范圍的超緩凝混凝土,對7d及28d抗壓強度比進行統計分析,結果見表4。前期研究未考慮摻合料的影響,僅采用純水泥配方進行研究,且僅針對同一等級的混凝土進行研究,試驗結果不能對其他等級的超緩凝混凝土進行科學指導。因此,課題組在前期研究的基礎上,考慮礦物摻合料的影響,通過緩凝劑摻量控制超緩凝混凝土的初凝時間在60h~100h范圍,針對URC10、URC20、URC30及URC40四個不同強度等級的超緩凝混凝土進行研究,混凝土的配合比見表5,凝結時間及抗壓強度試驗結果見表6。
    由表6可知,強度等級的變化對超緩凝混凝土與同等級普通混凝土的28d及60d抗壓強度比的影響較小,7d抗壓強度比的波動較大。初凝時間在60h~80h范圍時,URC10~URC40混凝土的7d強度為同等級普通混凝土的60%~80%,平均值為77.5%;28d強度為同等級普通混凝土的90%~94%,平均值為92%;60d強度為同等級普通混凝土的93%~96%,平均值為94.8%。初凝時間在80h~100h范圍時,URC10~URC40混凝土的7d強度為同等級普通混凝土的54%~71%,平均值為66.1%;28d強度為同等級普通混凝土的85%~87%,平均值為85.9%;60d強度為同等級普通混凝土的88%~92%,平均值為90.4%。

表4 前期試驗28d抗壓強度比試驗結果[6]

凝結時間 組數 7d抗壓強度比
28d抗壓強度比
****值 ****值 **小值 平均值 **小值 平均值
初凝時間<60h 7 106% 77% 90%
102% 87% 94%
初凝時間>60h,終凝時間<120h 8 94% 60% 72%
100% 82% 90%
終凝時間>120h 5 65% 11% 39%
88% 75% 80%

表5  超緩凝混凝土與普通混凝土的配合比

編號 設計初凝時間/h 水/kg 水泥/kg 粉煤灰/kg 礦粉/kg 砂/kg 石/kg 砂率/% 水膠比 高效減水劑/% 緩凝劑/%
C10 - 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0
URC10A 60~80 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0.265
URC10B 80~100 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0.290
C20 - 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0
URC20A 60~80 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0.270
URC20B 80~100 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0.295
C30 - 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0
URC30A 60~80 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0.280
URC30B 80~100 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0.300
C40 - 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0
URC40A 60~80 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0.295
URC40B 80~100 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0.315

注:高效減水劑及緩凝劑摻量均為總膠凝材料質量的百分比。

表6  超緩凝混凝土與普通混凝土的凝結時間及抗壓強度試驗結果

編號 凝結時間/h   抗壓強度/MPa   抗壓強度比/%
初凝 終凝 凝結時間差 7d 28d 60d 7d 28d 60d
C10 14.4 19.3 4.9
11.2 18.6 21.8
100 100 100
URC10A 69.6 78.7 9.1 6.9 17 20.2
62 91 93
URC10B 92 102.6 10.6 6.1 16.2 19.6
54 87 90
C20 10.4 13.3 2.9 18 28.9 35
100 100 100
URC20A 72.8 85.1 12.3 15.1 26.8 33.6
84 93 96
URC20B 90.6 104.2 13.6 12.6 24.5 30.7
70 85 88
C30 9.2 11.4 2.2 25.5 38.7 47.2
100 100 100
URC30A 73 86.9 13.9 20.6 36.4 44.4
81 94 94
URC30B 89.4 104.3 14.9 17.5 33.5 43.2
69 87 92
C40 8.1 10.2 2.1 42.3 52.4 60.9
100 100 100
URC40A 75.6 87 11.4 35 47 58.8
83 90 97
URC40B 93.5 106.7 13.2 30.1 44.6 56.3
71 85 92

4.2  超緩凝混凝土的配合比設計與驗證
    超緩凝混凝土以28d抗壓強度作為評定和驗收依據時,根據URC10~URC40混凝土的28d抗壓強度比試驗結果,初凝時間在60h~80h時,抗壓強度比按0.90取值;初凝時間在80h~100h時,抗壓強度比按0.85取值。采用抗壓強度比系數合理降低水膠比,計算調整URC10~URC40四個強度等級混凝土的配合比,并與普通混凝土進行對比分析,驗證配合比設計的科學性和經濟可行性。
    按超緩凝混凝土的配合比設計思路,計算確定了URC10~URC40超緩凝混凝土的驗證配合比,配合比及試驗結果分別見表7和表8。

表7  URC10~URC40超緩凝混凝土的驗證配合比

編號 設計初凝時間/h 水/kg 水泥/kg 粉煤灰/kg 礦粉/kg 砂/kg 石/kg 砂率/% 水膠比 高效減水劑/% 緩凝劑/%
C10 - 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0
URC10AY 60~80 195 96 126 96 847 1035 45 0.61 2.6 0.270
URC10BY 80~100 195 100 134 100 839 1026 45 0.58 2.6 0.295
C20 - 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0
URC20AY 60~80 190 194 116 78 783 1039 43 0.49 2.8 0.275
URC20BY 80~100 190 204 123 82 775 1027 43 0.47 2.8 0.300
C30 - 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0
URC30AY 60~80 185 277 92 92 736 1060 41 0.40 2.9 0.285
URC30BY 80~100 185 292 97 97 709 1020 41 0.38 2.9 0.305
C40 - 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0
URC40AY 60~80 180 375 75 50 671 1049 39 0.36 3.0 0.300
URC40BY 80~100 185 396 79 53 660 1032 39 0.34 3.0 0.320

注:1、高效減水劑及緩凝劑摻量均為總膠凝材料質量的百分比;2、編號A代表超緩凝混凝土設計初凝時間為60h~80h,B代表超緩凝混凝土設計初凝時間為80h~100h。

表8  URC10~URC40超緩凝混凝土的配合比驗證試驗結果

編號 凝結時間/h   坍落度/mm   抗壓強度/MPa   抗壓強度比/%
初凝 終凝 凝結時間差 初始 1h 3d 7d 28d 7d 28d 60d
C10 14.4 19.3 4.9
185 155
11.2 18.6 21.8
100% 100% 100%
URC10AY 71.3 79.0 7.7 185 170 8.7 19.2 22.5 78% 103% 103%
URC10BY 89.6 98.7 9.1 190 180 7.7 18.9 21.6 69% 102% 99%
C20 10.4 13.3 2.9 195 170 18 28.9 35 100% 100% 100%
URC20AY 74.9 88.6 13.7 195 185 13.4 29.7 35.9 74% 103% 103%
URC20BY 92.8 100.1 7.3 200 180 12.9 29.3 35.7 72% 101% 102%
C30 9.2 11.4 2.2 190 180 25.5 38.7 47.2 100% 100% 100%
URC30AY 72.7 87.1 14.4 200 190 21.3 39.6 48 84% 102% 102%
URC30BY 93 106.9 13.9 210 195 19.7 38.5 48.2 77% 99% 102%
C40 8.1 10.2 2.1 205 185 42.3 52.4 60.9 100% 100% 100%
URC40AY 72.6 83.3 10.7 210 195 34.1 54.3 62.8 81% 104% 103%
URC40BY 85.6 97 11.4 220 205 32 51.4 60.6 76% 98% 100%

    由表8可知,URC10~URC40超緩凝混凝土流動性能優于同等級普通混凝土,1h坍落度經時損失為10mm~15mm,較普通混凝土降低5mm~10mm。采用抗壓強度比對超緩凝混凝土配合比進行合理調整后,初凝時間在60h~80h之間的URC10~URC40超緩凝混凝土7d強度為同等級普通混凝土的74%~84%,平均值為79%;28d強度為同等級普通混凝土的102%~104%,平均值為103%;60d強度為同等級普通混凝土的102%~103%,平均值為103%。初凝時間在80h~100h之間的URC10~URC40超緩凝混凝土7d強度為同等級普通混凝土的69%~77%,平均值為74%;28d強度為同等級普通混凝土的98%~102%,平均值為100%;60d強度為同等級普通混凝土的99%~102%,平均值為101%。可見,經配合比試驗驗證,采用抗壓強度比系數合理降低超緩凝混凝土水膠比的URC10~URC40混凝土28d強度及60d強度可以達到同等級普通混凝土強度。采用該配合比設計思路可以成功配制出了初凝時間不小于60h,終凝時間不大于120h,初終凝時間差不大于20h,28d強度不低于設計強度等級的超緩凝混凝土。

結論

    ⑴超緩凝混凝土以28d抗壓強度作為評定和驗收依據時,初凝時間在60h~80h范圍內,抗壓強度比可按0.90取值;初凝時間在80h~100h范圍內,抗壓強度比可按0.85取值。
    ⑵通過配合比試驗驗證,采用抗壓強度比系數合理降低水膠比及大摻量礦物摻合料的配合比設計思路可以配制出了初凝時間不小于60h,終凝時間不大于120h,初終凝時間差不大于20h,28d強度不低于設計強度等級的超緩凝混凝土。
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