石屑砂配制 C80高强混凝土配合比试验研究

实践技术 Beton Chinese Edition —— Ready-mixed Concrete 2013年第5期

石屑砂配制C80高强混凝土配合比试验研究

杨文杰1，陈明1，韩建1，邹小平2

（1. 泸州建中混凝土有限公司， 四川 泸州 6000；2. 泸州恒固建设工程检测有限公司，四川 泸州 6000）

［摘 要］本文采用当地从长江开采的卵石的破碎过程中产生的副产品——石屑砂为主要细骨料，以固定胶凝材料总量的思路，通过正交设计试验的方法，进行了探索性的试验，初步确定了石屑砂配制C80高强混凝土的配合比，为进一步研究高强混凝土积累了基础性数据。

［关键词］石屑砂；高强混凝土 ；正交试验；配合比设计

随着建筑技术和混凝土技术的发展，高强混凝土作为一种新的建筑材料，以抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低等优点，在高层建筑结构、大跨度结构，以及特种结构中得到广泛应用。高强混凝土有效地减小了结构的截面尺寸，减轻了结构的自重，既对结构的抗震有利，又提高了经济效益，为预应力技术提供了有利的条件，并大大提高了受弯构件的刚度和抗裂度，因此高强混凝土越来越受到建筑设计者和工程技术人员的青睐。

在试验室配制 C80 机制砂高强混凝土的技术也有一定的普遍性，但对于利用石屑砂配制 C80 高强混凝土的报道还比较少，本研究主要选用当地原材料，并根据材料固有的特性探索性研究 C80 高强混凝土，为本地区研究高强混凝土积累一定的参考数据。

试验用水泥为重庆拉法基地维水泥厂生产的 P·O52.5R 水泥。该水泥性能稳定、强度增长较大，其物理力学性能试验结果见表 2。

表 2 水泥性能指标

项目标准值试验值

细度 (%, 标稠安定性凝结时间抗折强度抗压强度

(min)(MPa)(MPa)0.08mm方孔用水(沸煮

筛筛余)量(%)法)初凝终凝3d28d3d28d

104

—28.6

须合格45合格

210

600270

5.06.7

7.027.052.58.035.758.7

2.2 粉煤灰

采用泸州某大型火电厂生产的性能稳定、活性高大的Ⅰ

级（F 类）粉煤灰，其物理性能试验结果见表 3。

1 研究思路

由于本地天然中砂资源匮乏，本试验主要采用当地从长江开采的卵石在破碎为卵碎石过程中产生的副产品——石屑砂为主要细骨料，探索性配制 C80 高强混凝土，并利用正交设计原理对混凝土配合比进行设计、试验、筛选，同时拟定以表 1 中技术指标进行拌合物性能试验研究，为研究高强混凝土提供基本的技术路线和方向。

表 3 粉煤灰性能指标 %

项目标准值试验值

细度安定性

需水量比烧失量活性指数

(0.045mm筛筛余)(沸煮法)

≤12.011.7

≤9594

≤5.02.4

须合格合格

≥70.074.0

2.3 硅粉

微硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时具有火山灰效

应，在水泥基的混凝土、砂浆与耐火材料浇注料中，掺入适量的硅粉，可显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，具有保水，防止离析、泌水和大幅降低混凝土泵送阻力的作用。使用硅粉能显著延长混凝土的使用寿命，使混凝土的耐久性提高一倍甚至数倍，是高强混凝土的必要成分。

本试验采用成都某科技有限公司生产的微硅粉，其物理及化学成分试验结果见表 4。

表 1 泵送高强混凝土拌合物性能技术要求表

项目坍落度 (mm)扩展度 (mm)倒坍落度筒排空时间 (s)坍落度经时损失值 (mm/h)扩展度经时损失值 (mm/h)

技术要求≥220≥550＞5 且＜20≤1050

高强混凝土拌合物不应离析和泌水，凝结时间应满足施工要求。

表 4 硅粉物理性能及化学成分试验表 %

项目

SiO2需水量比含水率烧失量

≤125113

≤3.00.2

≤62.5

比表面积28d 活(m2/kg)性指数≥15000165

≥8595

Cl-≤0.020.008

2 原材料性能试验

2.1 水泥·40·

标准值≥80试验值92.3

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2.4 粗细骨料

试验用骨料为当地某砂石厂从长江开采的卵石，经破碎、筛选符合要求的砂石料为混凝土用骨料。

（1）细骨料：混凝土用细骨料为卵石破碎过程中产生的石屑砂。石屑砂中含有棱角不规则的小石颗粒以及含量较高的石粉，石屑砂中不规则棱角的小碎石颗粒严重影响混凝土拌合物的和易性，给混凝土的性能试验研究带来了一定的难度，由于石粉用于高强混凝土中还存在争议，经处理降低了砂中石粉含量，根据 GB/T14684—2011《建设用砂》标准的要求对细骨料进行了检测，其技术指标检测结果见表 5。

减水剂，其具体性能指标见表 7。2.6 水

试验用水采用符合国家标准要求的饮用水。

3 配合比设计

本试验采用固定胶凝材料总量的思路，根据 JGJ/T281—2012《高强混凝土应用技术规程》中对水胶比等技术指标的要求，试验水胶比分别取 0.24、0.25、0.26，硅粉掺量分别取8%、10%、12%，粉煤灰掺量分别取 10%、12%、14%。考虑石屑砂对混凝土和易性的影响，采用大砂率，砂率分别取46%、45%、44%，选 L9(3)4 正交表进行设计，其具体正交试验设计见表 8。

表 5 砂物理性能

表观密度堆积密度孔隙石粉含细度

MB 值33

(kg/m)(kg/m)率(%)量 (%)模数2700

1650

39

8

＜1.4

2.7

级配描述2.36mm 级超标 6%

表 8 L9(3)4 C80混凝土配合比正交设计表

因素实验 1实验 2实验 3实验 4实验 5实验 6实验 7实验 8

A硅粉掺量(%)

(1) 8(1) 8(1) 8(2) 10(2) 10(2) 10(3) 12(3) 12(3) 12

B砂率量(%)(1) 46(2) 45(3) 44(1) 46(2) 45(3) 44(1) 46(2) 45(3) 44

C粉煤灰掺量(%)

(1) 10(2) 12(3) 14(2) 12(3) 14(1) 10(3) 14(1) 10(2) 12

D水胶比(1) 0.24(2) 0.25(3) 0.26(3) 0.26(1) 0.24(2) 0.25(2) 0.25(3) 0.26(1) 0.24

（2）粗骨料：采用卵石经破碎后级配优良、清洁的碎石，根据使用高强混凝土结构部位的特点，试验采用4.75～16mm 连续级配的卵碎石，其具体性能指标见表 6。

表 6 卵碎石物理性能 %

表观密度堆积密度压碎针片状

孔隙率含泥量33

(kg/m)(kg/m)指标含量2720

1550

43

5.2

2

0.0

级配描述符合连续级配

2.5 外加剂

试验用外加剂选用泸州某外加剂厂生产的聚羧酸类高效

实验 9

表 7 外加剂性能试验表

项目标准值试验值

掺量—1.5

固含量—20

减水率≥1230

泌水率比≤7040

含气量≤5.52.3

1h 坍落度经时变化量 (mm)7d 抗压强度比28d 抗压强度比

≤8042

≥115142

≥110148

表 9 正交试验结果统计表

因素

水

水泥粉煤灰硅粉

kg/m3

实验1实验2实验3实验4实验5实验6实验7实验8实验9

130136142142130136136141128

4924804684684580444468456

607284728460846072

484848606060727272

819798778813801781816796784砂

5~16mm

外加剂初始坍落度/扩2h 坍落度/扩倒坍落度桶

碎石

展度(mm/mm)展度(mm/mm)排空时间(s)9619769909559799949573998

1818181818181818.919.8

230/0240/630240/680240/650230/650260/0240/670255/700260/680

235/0235/0240/0225/610230/0255/0240/660245/680260/660

15.717.718.117.718.515.615.212.311.5

和易性描述粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

粘性良好，包裹性良好

7d 强度28d 强度(MPa)(MPa)79.183.380.285.583.881.975.976.977.5

109.4107.694.6110.4100.9109.2101.5101.9100.3

·41·

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4 混凝土性能试验研究及数据分析

4.1 混凝土性能试验

根据表 8 所设计的试验参数计算出混凝土配合比，试验过程中采用外加剂调节混凝土流动性，严格控制混凝土用水量，采用倒坍落度桶的方法，以流空时间来评价混凝土的流动性。试验测试混凝土拌合物 2 小时的经时损失情况，成型150mm×150mm×150mm 的标准试件，分别成型 7d、28d 试件，经在标准温度 (20±2)℃，湿度 95% 的环境下养护 28d，测试其强度，其具体试验结果见表 9。

由表 9 分析可知，随着硅粉掺量的增大，外加剂的掺量也提高，混凝土拌合物的经时损失都比较小，倒坍落度桶排空的时间都能满足工作性要求，由于硅粉的掺入，混凝土拌合物的和易性都优越于普通混凝土。4.2 部分试验数据正交分析

本试验主要以强度指标作极差和效应曲线图分析，根据表 9 的试验数据，正交强度极差分析见表 10，效应曲线图分析见图 1。

粉煤灰掺量＞砂率＞硅粉掺量＞水胶比，最优配合比为：A2B1C1D2。

5 C80 配合比的确定

综合分析混凝土拌合物的工作性和混凝土硬化后强度的极差结果，以强度控制为主导因素，在保证强度的前提下，用外加剂调节拌合物流动性的方法，满足工作性，从而确定 C80 高强混凝土配合比，见表 11。

表 11 C80高强混凝土配合比表 kg/m3

水泥480

粉煤灰60

硅粉60

砂816

4.75～16mm 碎石

959

水135

外加剂18.0

按此配合比经多次重复试验，从混凝土拌合物性能以及强度指标分析，拌合物适合泵送，满足工作性要求，强度都达到了 100MPa 以上，试验效果都很好。

6 结语

（1）固定胶凝材总量，通过正交试验分析，确定了砂率、粉煤灰掺量、硅粉掺量、水胶比，这些是影响高强混凝土强度的主要因素，为进一步研究石屑砂高强混凝土积累了基础性数据。

（2）硅粉掺量不超过 10%，外加剂掺量随硅粉掺量的增大而提高，硅粉的掺入，使混凝土粘聚性、包裹性都优越于普通混凝土，后期强度增长也较大。

（3）高强混凝土两小时内经时损失较小，倒坍落度桶排空时间均符合规范要求，混凝土拌合物性能都能满足工作性要求。

表 10 强度极差分析表 MPa

因素实验 1实验 2实验 3实验 4实验 5实验 6实验 7实验 8实验 9均值 1均值 2均值 3极差

A111222333103.867106.833101.2335.600

B123123123107.100103.467101.3675.733

C123231312106.833106.10099.0007.833

D123312231103.533106.100102.3003.800

实验结果109.4107.694.6110.4100.9109.2101.5101.9100.3

参考文献

[1] 曾可令，叶卫平．计算机在材料科学与工程中的应用[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2004．

[2] 高育欣，唐天明，林喜华等．C80 机制砂高强混凝土的研制及工程应用[J]．混凝土，2011(09): 99-101．

[3] 郭佩玲，陈翠红，王元．C80 高强混凝土的研究与应用[J]

析表 10 和图 1 可知各因素对混凝土强度影响的顺序为：

图 1 效应曲线分析图

（下转第 60 页）

·42·

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表 5 混凝土配合比及性能指标

配合比 (kg/m3)

坍落度 (mm)凝结时间 (h:min)抗压强度(MPa)

WCSGJM-ⅧFAT0 185

340

725

1070

5.0

90

150

式中：عp——混凝土极限拉伸；

f1——混凝土抗拉强度； μp——配筋率； d——钢筋直径。

钢筋直径 d、配筋率 μp 一般为设计预定数值，因此，要提高混凝土极限拉伸，对于混凝土供应单位来说，尽力增大混凝土抗拉强度是行之有效的途径。以往经验证明，抗拉强度与抗压强度存在着一定的比例关系，因此通过提高抗压强度即可提高抗拉强度，但抗压强度的提高又反应在水灰比的降低上，即保持用水量不变的情况下，增大水泥用量，但水泥用量过大又会导致绝热温升过高，因此，掺加高效缓凝减水剂、适量优质粉煤灰是解决这一矛盾的最佳途径。

试验室经过反复试配选取表 5 中的配合比作为最终混凝土配合比，其性能指标见表 5。

该配合比热工计算：

（1）由绝热温升公式可计算得出：

Tmax= MQ/(Cγ) = (430×33.5)/(0.96×2410) = 62.3(℃)式中： Tmax——混凝土绝热温升值； M——水泥用量，取 430kg/m3； Q——水泥水化热，取 335kJ/kg·℃； C——混凝土比热，取 0.96 kJ/kg·℃； γ ——容重 2410kg/m3。

掺入 FA、JM-Ⅷ 缓凝剂后，通过试验测定水化热降低10%，则绝热温升为：T'max= 0.9 Tmax= 0.9×62.3 = 56.1(℃)

（2）混凝土中心最高温度 Th（T0 取 14℃，ε1为混凝土散热系数，取 0.75）：

Th=T0+T″max = T0+Tmax×ε1= 14+56.1×0.75 = 56.1(℃)

（3）养护条件下的混凝土表面温度 Tb可由下式推导：

δ1={[0.5H λ2(Tb－Tq)]/[λ1(Th－Tb)]}K

其中，δ1 为两层草袋的厚度，取 0.07m。H 为混凝土厚度，取 2.2m。λ2为草袋导热系数，取 0.0885 W/(m·k)。Tq为环境温度，取10℃，Th=56.1℃。K 为传热系数修正值，在 1.3～2.0 之间，视保温材料透风性能和风力而定。本工程由于两层草袋下有塑料薄膜，故取 1.3。各数值代入，得出Tb=35.8℃。

（4）内外最大温差：

ΔT= Th－Tb = 56.1－35.8 = 20.3℃＜25℃ 说明养护方案可行。

实测 Th=61℃，Tb=39℃，均出现在第 4 天。

3 生产过程控制

生产过程中对水泥、掺合料、骨料等的计量系统进行定时校验，确保各种材料在计量允许误差内生产，同时严格控制出厂混凝土坍落度在 150mm 以内，根据合理运距及施工速度控制发车频次，保持入泵坍落度不小于 120mm，现场无须采取流化措施即可满足混凝土有良好的工作性。·60·

T1h 初凝终凝3d7d28d125

10:45

18:20

11.0

19.8

34.2

4 施工工序

本工程采取分三层来回往复式浇筑，每层浇筑厚度控制在 0.8m 以内，混凝土振捣严格按照操作规程进行，不漏振亦不过振，保证了混凝土的均匀性及密实性。

5 养护方案

本工程采用两层薄膜加两层草袋覆盖的蓄热方式养护，同时预埋 18 个测温孔。连续十天 24 小时测温，结果显示：中心最高温度出现在第 4 天，达 61℃，表层温度为 39℃，ΔT=22℃＜25℃，说明养护方案可行。 该工程留置了 13 组标养试块及 10 组同条件养护试块，28d 标养强度达 34.2MPa，同条件最低达 32.5MPa，工程实体经拆模后检查发现表面光滑无有害裂缝产生。

6 结束语

该工程未掺用 UEA、JM-Ⅲ 等膨胀剂，通过优化配合比设计，加强生产及施工过程控制，选择合理的养护方案，有效解决了高炉大体积混凝土程裂缝问题，降低了工程成本（其水泥用量仍有下调潜力），得到了甲方、业主及施工单位的一致认可。

参考文献

[1] 陈向锋．中国预拌混凝土生产企业管理实用手册[M]．北京：中国新闻联合出版社，2004. ［作者简介］许效华，女，35岁，大学本科学历，自 2005 年5 月迄今一直在商品混凝土公司试验室工作。

［通讯地址］江苏省淮安市清河区建设小区 6 号楼 107 室（223001）

（上接第 42 页）．1999(06): 27-32．

[4] 尹红．高强混凝土配制的研究[J]．黑龙江水利科技．2003(2): 84-87．

[5] GB/T14684—2011．建设用砂[S]．

[6] GB/T14685—2011．建设用卵石、碎石[S]．[7] GB175—2007．通用硅酸盐水泥[S]．

[8] JGJ/T 81—2012．高强混凝土应用技术规程[S]．

［作者简介］杨文杰（1981.9— ），男，工程师，主要从事预拌混凝土生产、研究、管理工作。

［通讯地址］泸州市泰安机械工业园区（6000）