配合比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響

張輝，李志英，李國(guó)宏，王麗君

（1. 舞陽縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南　舞陽　462400；2. 舞陽縣建安建設(shè)工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，河南　舞陽　462400；3. 舞陽縣惠達(dá)公路工程有限公司，河南　舞陽　462400）

配合比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響

張輝1，李志英2，李國(guó)宏3，王麗君1

（1. 舞陽縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南舞陽462400；2. 舞陽縣建安建設(shè)工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，河南舞陽462400；3. 舞陽縣惠達(dá)公路工程有限公司，河南舞陽462400）

本文試驗(yàn)分析了膠凝材料用量、水膠比和砂率三個(gè)參數(shù)的變化，對(duì)混凝土的性能的影響。找出各自對(duì)混凝土性能影響的規(guī)律，便于混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)提高混凝土的性能。本文通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，分別探討配合比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響，供大家借鑒、參考。

混凝土拌合物；單位用水量；水膠比

混凝土是應(yīng)用最廣泛、最大宗的建筑材料，在整個(gè)土木工程建筑和基礎(chǔ)建設(shè)中起著不可替代的作用?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系著混凝土質(zhì)量，是影響其性能的關(guān)鍵因素。

1　配合比參數(shù)對(duì)混凝土性能的重要性

混凝土配合比設(shè)計(jì)必須遵循的四個(gè)基本原則是：強(qiáng)度、耐久性、工作性和經(jīng)濟(jì)性?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)的這四個(gè)基本原則相互影響、相互制約，牽一發(fā)而動(dòng)全身。混凝土配合比參數(shù)是影響強(qiáng)度、耐久性、工作性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，配合比參數(shù)主要包括膠凝材料用量、水膠比和砂率，這三個(gè)參數(shù)與混凝土配合比設(shè)計(jì)的四個(gè)原則構(gòu)成混凝土配合比設(shè)計(jì)的“四原則、三要素”。

水膠比的大小直接影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，砂率對(duì)混凝土工作性產(chǎn)生重要的影響，膠凝材料用量的大小不僅影響到混凝土的耐久性也關(guān)系到混凝土的經(jīng)濟(jì)性。本文主要探究膠凝材料、水膠比和砂率三個(gè)重要參數(shù)的變化對(duì)混凝土性能的影響。

2　試驗(yàn)所用原材料

（1）水泥

登封市“嵩基”P·O42.5，密度3000kg/m3，其它性能見表1。

表1　水泥的物理與力學(xué)性能

（2）粉煤灰

許昌“金龍?jiān)础雹蚣?jí)粉煤灰，密度22003kg/m3，其它性能見表2。

表2　粉煤灰性能

（3）石子

舞鋼市礦山碎石，其性能指標(biāo)見表3和表4。

（4）砂

平頂山市魯山縣河砂，含泥量為2%，篩分指標(biāo)見表5。

（5）減水劑

脂肪族復(fù)合高效減水劑，其性能指標(biāo)見表6。

表3　舞鋼5～25碎石性能指標(biāo)

表4　舞鋼5～25碎石篩分情況表

表5　河砂顆粒級(jí)配

表6　減水劑性能指標(biāo)

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1單位膠凝材料用量對(duì)混凝土性能的影響

在保持水膠比和砂率不變的情況下，通過調(diào)整減水劑用量使混凝土坍落度控制在 (200±10)mm 內(nèi)，膠凝材料分別選取360kg/m3、380kg/m3、400kg/m3、420kg/m3、440kg/m3和460kg/m3六個(gè)不同用量進(jìn)行混凝土試驗(yàn)。該試驗(yàn)混凝土配合比見表7，混凝土的力學(xué)性能、收縮、抗氯離子滲透性、抗?jié)B性和碳化性試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表7　膠凝材料對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)配合比

通過試驗(yàn)結(jié)果表8可以看出：

（1）在保持水膠比和砂率不變的前提下，當(dāng)混凝土膠凝材料用量超過380kg/m3時(shí)，隨著混凝土單方膠凝材料用量的增加，其混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低，均低于混凝土膠凝材料用量380kg/m3時(shí)的28d 抗壓強(qiáng)度。其原因是在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土拌合物隨著膠凝材料用量的增加，單位體積的骨料體積逐漸減小，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部總的孔隙率增加，進(jìn)而造成混凝土強(qiáng)度的降低。但從表8的試驗(yàn)結(jié)果來看，膠凝材料用量的變化引起的強(qiáng)度差異在3～4MPa，對(duì)混凝土28d 抗壓強(qiáng)度影響并不是很大。

（2）在保持水膠比和砂率不變的情況下，隨著單方膠凝材料用量的增加，混凝土的干縮率逐漸增大。其原因是混凝土的干縮主要產(chǎn)生于膠凝材料的干縮，由于水膠比和砂率不變，隨著膠凝材料的增加，混凝土的用水量也隨之增加，造成單位體積內(nèi)混凝土的骨料體積降低。由于骨料體積的降低，造成對(duì)膠凝材料收縮的抑制作用也隨之減少。因而，在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土的干縮隨著膠凝材料用量的增加而逐漸增加，但增加的幅度較小。

（3）在水膠比和砂率保持不變的情況下，隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，在混凝土抗?jié)B試驗(yàn)壓力達(dá)到1.4MPa時(shí)，各混凝土試件均沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。對(duì)混凝土試件破型后發(fā)現(xiàn)，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土試件的最大滲水高度逐漸增加。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在保持水膠比和砂率不變的情況下，隨著單位膠凝材料用量的增加，混凝土的抗?jié)B性能逐漸變差。

（4）在保持水膠比和砂率不變的情況下，① 單位膠凝材料用量的變化，對(duì)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù) D 并沒有明顯的、規(guī)律性的變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論，在保持水膠比和砂率不變的情況下，改變膠凝材料用量的變化對(duì)混凝土的抗 Cl-滲透性能影響不大。② 隨著膠凝材料的增加，同齡期的混凝土碳化深度逐漸降低。其原因是因?yàn)?，在水膠比和砂率不變的情況下，隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，混凝土單位體積反應(yīng)生成的 Ca(OH)2含量也隨著膠凝材料用量的增加逐漸增大，增加了混凝土的總堿性物質(zhì) Ca(OH)2的量，這對(duì)混凝土抗碳化性能起到增強(qiáng)作用。因此，隨著膠凝材料用量的增加，同齡期混凝土的碳化深度呈降低趨勢(shì)。

表8　膠凝材料用量對(duì)混凝土性能影響

3.2水膠比對(duì)混凝土性能的影響

從表8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土的性能隨著膠凝材料用量的增加而呈現(xiàn)出不同的變化情況。水膠比作為混凝土配合比的一個(gè)重要參數(shù)，其變化也必然引起混凝土性能的變化。為探究水膠比對(duì)混凝土性能的影響，膠凝材料用量選擇為380kg/m3，粉煤灰摻量為20%，砂率42%，選取 0.40、0.42、0.44、0.46、0.48、0.50和 0.55七個(gè)水膠比，通過調(diào)整減水劑的用量控制坍落的變化范圍為 (200±10)mm（配合比見表9）。對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、干縮、抗氯離子滲透性、抗?jié)B性和碳化性能進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表9　水膠比變化對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)配合比

從表10 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）在保持其他因素不變的情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增加而逐漸降低，混凝土水膠比是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的直接因素，也是主要因素。

（2）在保持膠凝材料用量、砂率、礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著水膠比的增加，混凝土同齡期的干縮率逐漸增加。其原因是混凝土的干縮是由于其水分的蒸發(fā)而引起的，而混凝土早期的干縮率隨水膠比的增加而增加，但其變化的幅度不大；混凝土后期（28d）干縮率隨著水膠比的增加而增加，其變化的幅度較大。這是因?yàn)榛炷猎缙诳晒┱舭l(fā)的自由水含量比較充分。

（3）在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著水膠比的增加，混凝土的抗?jié)B性能逐漸變差。其原因是混凝土的水膠比增大，膠凝材料水化產(chǎn)物不能有效填充混凝土水份蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔，使混凝土漿體中存在較多的毛細(xì)空隙。而混凝土的抗?jié)B性首先取決于混凝土漿體的毛細(xì)孔的多少，包括空隙的尺寸、分布和連通性，混凝土孔隙率越大，抗?jié)B性能越差。因此，混凝土的水膠比越大，孔隙率也越大，其滲透性越好，混凝土的抗?jié)B性能也就越差。當(dāng)混凝土的水膠比超過 0.46時(shí)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)便不能滿足 P12的要求。

表10　水膠比變化對(duì)混凝土性能的影響

（4）在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，① 隨著水膠比的增加，混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù) D 也不斷增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土抵抗 Cl-滲透的能力與混凝土的水膠比有直接的關(guān)系，水膠比變大混凝土的抵抗 Cl-滲透的能力逐漸降低。② 混凝土的抗碳化性能隨著水膠比的增大而逐漸降低。其原因是在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著混凝土的水膠比增加，混凝土內(nèi)部的孔隙率也隨之增大，CO2的擴(kuò)散速度加快，這是使混凝土碳化速度加快的一個(gè)主要原因。

3.3砂率對(duì)混凝土性能的影響

砂率是混凝土配合比中一個(gè)重要的參數(shù)，其大小關(guān)系到粗細(xì)骨料的比例大小，混凝土砂率的變化對(duì)混凝土的工作性及硬化后的性能均能產(chǎn)生很大的影響。為了探究砂率對(duì)混凝土性能的影響，本試驗(yàn)混凝土的膠凝材料用量為380kg/m3，粉煤灰摻量為20%，水膠比保持不變，通過調(diào)整減水劑用量保持混凝土坍落度在 (200±10)mm 范圍內(nèi)變化，混凝土的砂率取36%、38%、40%、42% 和44%，其配合比見表11。砂率對(duì)混凝土的力學(xué)性能、干縮、抗氯離子滲透性、抗?jié)B性和碳化性能的試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表11　砂率對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)配合比

從表12的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）在混凝土膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下，減水劑的用量隨著砂率的增加而變大，其原因是隨著混凝土砂率的增加，混凝土骨料的比表面積也逐漸增加，為達(dá)到試驗(yàn)要求的坍落度 (200±10)mm，混凝土拌合物所需的減水劑用量逐漸增加。從表12可以看出，混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土存在一個(gè)最佳砂率。砂率較小時(shí)，混凝土的砂漿量不能有效填充粗骨料之間的空隙，也不能對(duì)粗骨料表面形成有效的包裹，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)性降低，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度；砂率過大時(shí)，在相同膠凝材料用量的情況下，隨著砂率的增加，骨料的比表面積增加，包裹在骨料表面的漿體變薄，造成混凝土骨料見的粘結(jié)力下降，混凝土強(qiáng)度有所降低。

（2）隨著混凝土砂率的增大，混凝土的干縮率也不斷增大。其原因是混凝土砂率增大，混凝土中粗骨料的體積降低，在混凝土中對(duì)收縮起主要約束作用的粗骨料的含量降低，導(dǎo)致混凝土的干縮率不斷增加。

表12　砂率對(duì)混凝土性能的影響

（3）在膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下：① 混凝土的抗?jié)B等級(jí)在各砂率條件下均可以達(dá)到P12。但混凝土試件的最大滲水高度有所不同，砂率越大混凝土的滲水高度也越大。② 隨著砂率的增大，混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù) D 不斷增大，抗 Cl-滲透性能變差。③ 砂率對(duì)混凝土的抗碳化性能影響不大，混凝土碳化深度的改變依然是由于砂率的改變而引起的水膠比變化造成的。

4　結(jié)論

（1）在保持水膠比和砂率不變的前提下：當(dāng)混凝土膠凝材料用量超過380kg/m3時(shí)，隨著混凝土單方膠凝材料用量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低；隨著單方膠凝材料用量的增加，混凝土的干縮率逐漸增大；隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，在混凝土抗?jié)B試驗(yàn)壓力達(dá)到1.4MPa 時(shí)，各混凝土試件均沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，但混凝土試件的最大滲水高度逐漸增加；單位膠凝材料用量的變化，對(duì)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù) D 并沒有明顯的、規(guī)律性的變化；隨著膠凝材料的增加，同齡期的混凝土碳化深度逐漸降低。

（2）在保持膠凝材料用量、砂率、礦物摻合料摻量不變的情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增加而逐漸降低；隨著水膠比的增加，混凝土同齡期的干縮率逐漸增加；隨著水膠比的增加，混凝土的抗?jié)B性能逐漸變差，當(dāng)混凝土的水膠比超過 0.46時(shí)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)便不能滿足 P12的要求；隨著水膠比的增加，混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù) D也不斷增加，水膠比變大混凝土的抵抗 Cl-滲透的能力逐漸降低；混凝土的抗碳化性能隨著水膠比的增大而逐漸降低。

（3）在混凝土膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下，減水劑的用量隨著砂率的增加而變大；混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨著混凝土砂率的增大，混凝土的干縮率也不斷增大；混凝土的抗?jié)B等級(jí)在各砂率條件下均可以達(dá)到 P12，但混凝土試件的最大滲水高度有所不同，砂率越大混凝土的滲水高度也越大；隨著砂率的增大，混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù) D不斷增大，抗 Cl-滲透性能變差；砂率對(duì)混凝土的抗碳化性能影響不大，混凝土的碳化深度的改變依然是由于砂率改變引起的水膠比的變化而造成的。

［通訊地址］河南省舞陽縣人民路18號(hào)（462400）

張輝（1972—），男，本科，工程師，主要從事混凝土質(zhì)量檢測(cè)，商品混凝土公司管理，混凝土耐久性研究及應(yīng)用。