基于砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的配合比設(shè)計方法在兩伊鐵路工程中的驗證

楊保旭（中鐵十九局集團有限公司，北京 100176）

0 引言

由于混凝土組成及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和影響其性能的因素的多樣性，對其性能（如工作性和耐久性）的設(shè)計一直未能很好實現(xiàn)?；炷潦怯啥喾N材料組成的多相復(fù)合材料，混凝土的性能首先決定于各組成材料的性能及其比例關(guān)系。 因此，要對混凝土的性能進(jìn)行設(shè)計，首先就要對混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計。 沒有合理的配合比是不可能獲得預(yù)期性能的。經(jīng)過近兩百年的發(fā)展，各國都有了各自的配合比設(shè)計方法，但它們大都需要查閱大量的經(jīng)驗圖表，并進(jìn)行繁重的混凝土試配試驗，這對于現(xiàn)代社會來說似乎不太合適。 另外，化學(xué)和礦物外加劑在混凝土中的應(yīng)用已有幾十年的時間，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)摻入外加劑尤其是塑化劑之后，混凝土的配合比已經(jīng)較不摻的有了很大變化（用水量減少、水泥用量減少、砂漿量增加等等），其性能也相應(yīng)地發(fā)生了很大變化（工作性和耐久性等大幅度的改善）。 然而并沒有提出更加科學(xué)合理的配合比設(shè)計方法以適應(yīng)這種變化。人們只不過是在無外加劑混凝土配合比的基礎(chǔ)上另外考慮外加劑摻入所產(chǎn)生的變化。 這意味著，要獲得一個滿意的摻減水劑混凝土的配合比，事實上要試配得出兩個配合比：首先試配得到預(yù)期工作性的基準(zhǔn)混凝土配合比；然后再向基準(zhǔn)混凝土中加入外加劑并檢測其工作性，若有一方面性能達(dá)不到要求就要做相應(yīng)的調(diào)整或重配，直到各方面性能均達(dá)到要求。 這樣，可能就需要很多次的試驗才能得到滿意的目標(biāo)混凝土配合比。雖然有經(jīng)驗的人員可能不需要這樣操作，但大量的試配也是必須的。

作者在詳細(xì)研讀了彭杰的碩士學(xué)位論文《混凝土耐久性和工作性設(shè)計在相關(guān)方面的研究》 后發(fā)現(xiàn)，他們在成功研制出砂漿流變性測試裝置的基礎(chǔ)上提出的通過砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的思路很新穎，如果能夠?qū)崿F(xiàn)將會是非常有意義的。 所以，本文結(jié)合新建伊敏至伊爾施鐵路的工程實際對該方法進(jìn)行了試驗分析和驗證。

1 試驗原材料

水泥：內(nèi)蒙古自治區(qū)海拉爾水泥廠的蒙西32.5 復(fù)合水泥，密度3.18kg/L；長春亞泰水泥廠的52.5 普通硅酸鹽水泥，密度3.22kg/L。

粉煤灰：內(nèi)蒙古自治區(qū)伊敏電廠I 級灰，密2.65kg/L。

細(xì)集料：內(nèi)蒙古自治區(qū)罕達(dá)蓋地區(qū)河砂，篩除5mm 以上顆粒后細(xì)度模數(shù)2.6，視密度2.64kg/L。

粗集料：5～31.5 連 續(xù) 級 配 碎 石，視 密 度2.72kg/L，振實容重1.76kg/L，振實空隙率35.3%；5～25 連續(xù)級配碎石，視密度2.77kg/L，振實容重1.76kg/L，振實空隙率36.5%。

外加劑：北京宏業(yè)九州科技發(fā)展有限公司的粉體低濃萘系減水劑，摻量1.0%～1.5%，推薦摻量1.2%。

2 試驗儀器

砂漿流變性測試裝置1 套[1]，其它相關(guān)儀器均為ISO 標(biāo)準(zhǔn)儀器或國標(biāo)儀器。

3 試驗方法

原材料相關(guān)參數(shù)的測定和新拌及硬化混凝土性能試驗均按國標(biāo)方法進(jìn)行，粗集料振實空隙率和砂漿流變性的測定參見文獻(xiàn)[1]。

4 結(jié)果分析

新建伊敏至伊爾施鐵路工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，氣候嚴(yán)寒，冬季最低氣溫可達(dá)零下四五十度。 考慮到混凝土的耐久性，工程監(jiān)理單位要求除墩柱外，其它所有部位的混凝土均不得摻加粉煤灰和磨細(xì)礦渣。所以，在選擇混凝土配合比時，僅在墩柱混凝土中摻加了粉煤灰，其它部位的混凝土均為純水泥混凝土。根據(jù)我國現(xiàn)行的混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計了混凝土配合比，從中選擇了幾個列于表1，并在表1 中給出了有關(guān)基于砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的一些參數(shù)，同時還給出了驗證試驗的相關(guān)結(jié)果。

彭杰等人提出的基于砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的主要觀點是：(1) 新拌混凝土的流動性主要決定于它的屈服應(yīng)力，而該參數(shù)受粗集料的性質(zhì)、其中砂漿的屈服應(yīng)力及其填充系數(shù)支配；(2)新拌混凝土的穩(wěn)定性和流動速率主要決定于它的塑性粘度，而該參數(shù)受粗集料的性質(zhì)、其中砂漿的塑性粘度及其填充系數(shù)支配。

從表1 中數(shù)據(jù)可見，隨著混凝土強度等級的提高，砂漿填充系數(shù)也逐步增大，這與傳統(tǒng)經(jīng)驗是一致的：混凝土強度等級越高，砂率越低。在同一個強度等級時，隨著混凝土坍落度的提高，砂漿填充系數(shù)也逐步增大。這與通過砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性方法的理論觀點也是一致的。

從表1 中的數(shù)據(jù)還可以看到，1、2、5 和6 號配合比混凝土的坍落度接近，它們的砂漿的相對屈服應(yīng)力也是相近的；而3 號和4 號配合比混凝土的坍落度較大，它們的相對屈服應(yīng)力則相應(yīng)較小。

分析3 號和4 號配合比可見，實際上兩個混凝土的砂漿配比是完全相同的，混凝土的區(qū)別僅在于砂漿填充系數(shù)的不同，坍落度的提高要求砂漿填充系數(shù)必須增大。這恰恰說明了通過砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性方法的正確性。

表1 兩伊鐵路工程配合比分析

由表1 可見，6個配合比的混凝土的穩(wěn)定性（和易性）都是可以的，只有3 號混凝土有輕度粗集料堆積。這是因為其它5個混凝土中砂漿的相對塑性粘度都較大，砂漿填充系數(shù)也都較為合適；而3號混凝土中，雖然砂漿相對塑性粘度也較大，但其填充系數(shù)偏低導(dǎo)致了粗集料輕度堆積。

彭杰等人提出的混凝土配合比設(shè)計方法是對我國現(xiàn)行的設(shè)計方法的補充和完善。 因為，它首先也要依據(jù)水灰比定則計算水灰比，最后也要根據(jù)耐久性要求復(fù)核單方用水量和水泥用量。不同之處在于通過對水泥砂漿的流變性的設(shè)計結(jié)合砂漿填充系數(shù)實現(xiàn)對混凝土工作性的設(shè)計。而原材料和水灰比確定后，就只能通過外加劑、膠結(jié)材料組合和砂灰比的變化來調(diào)整砂漿的流變性能。砂漿流變性能確定后，通過試驗就可以確定砂漿配合比了，再根據(jù)混凝土的工作性和耐久性要求確定砂漿填充系數(shù)即可得出混凝土配合比。選擇表1 中的3 號和4號大流動性C30 混凝土為目標(biāo)混凝土，按基于砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的配合比設(shè)計方法進(jìn)行了設(shè)計和試驗，結(jié)果見表2。

表2 C30 混凝土設(shè)計和試驗結(jié)果

表2 中的1 號和2 號混凝土與表1 中的3 號和4 號混凝土是對應(yīng)相同的，按兩個配合比設(shè)計方法得出的混凝土配合比結(jié)果也是相同的。說明通過砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的配合比設(shè)計方法是準(zhǔn)確的和可行的。新配合比設(shè)計方法的關(guān)鍵在于砂漿流變性的設(shè)計和砂漿填充系數(shù)的確定。 文獻(xiàn)1中尚未明確給出砂漿流變性和砂漿填充系數(shù)與混凝土流動性之間的對應(yīng)關(guān)系，這一點尚需大量的試驗后才能確定。

5 結(jié)論

基于砂漿流變性設(shè)計混凝土工作性的方法是可行的，也是準(zhǔn)確的，使混凝土工作性設(shè)計具有了科學(xué)依據(jù)；但是仍需進(jìn)行大量的試驗研究才能完善該方法，并將其應(yīng)用于工程。

[1]彭杰.混凝土耐久性和工作性設(shè)計有關(guān)方面的研究[D].北京：中國建材研究院。 2002.