摘要: 通過對LC45 高性能輕集料混凝土的研究, 在現(xiàn)有的2 種配合比設(shè)計理論的基礎(chǔ)上提出富余填充配合比設(shè)計理論, 并對其進行了較為系統(tǒng)的研究和確定了富余填充系數(shù)等參數(shù)的合理取值范圍, 以達到對高性能輕集料混凝土在實際應(yīng)用中配合比的確定提供參考依據(jù)的目的。
關(guān)鍵詞: 富余填充; 輕集料; 配合比
中圖分類號: TU528.2 文獻標識碼: A
高性能輕集料混凝土以其輕質(zhì)高強和良好的工作性能逐漸被人們所認可并應(yīng)用于大量工程之中, 然而由于輕集料本身性能的不穩(wěn)定性, 導(dǎo)致其配制較普通混凝土要困難。盡管很多專家試驗研究總結(jié)出了2 種較為合理的配合比設(shè)計方法, 但仍存在很多問題。為此, 本文在原有方法的基礎(chǔ)上提出了富余填充配合比設(shè)計方法, 將輕集料混凝土配合比設(shè)計方法進一步優(yōu)化。
1 現(xiàn)有輕集料混凝土配合比設(shè)計方法及其缺點
1. 1 常用的計算公式及方法
目前常用的計算輕集料混凝土的強度公式有2 種形式[1], 即:
R28=b1c/w+b2 rk+b3VQ+a; ( 1)
式中: R28 為輕集料混凝土28 d 抗壓強度, MPa; c/w為輕集料混凝土的有效水灰比; rk 為輕集料的顆粒密度; VQ 為輕集料實際用量; b1、b2、b3、a 為試驗參數(shù)。
R28=b1Rc+b2c/w+b3RT- a。( 2)
式中: Rc 為水泥實際強度, MPa; RT 為輕集料筒壓強度, MPa; 其他符號同前。
由公式可以看出, 其表達方式僅能反映通過正交試驗所確定的各因素對強度的影響, 而且這2 種公式從量綱分析來看是不一致的, 應(yīng)用起來也不方便。為此一些專家對此進行了進一步研究, 確定了現(xiàn)在正在采用的2 種輕集料混凝土配合比設(shè)計方法, 即: 松散堆積體積法; 絕對體積法。
1. 2 松散堆積體積法與絕對體積法的缺點
其設(shè)計步驟按《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002 操作。
絕對體積法與松散堆積體積法的區(qū)別在于對集料用量計算方法上有所不同。松散堆積體積法通過標準中提供的粗細集料總的松散堆積體積參考值來確定集料的用量, 而絕對體積法則是利用混凝土的體積減去水泥漿所占體積后, 結(jié)合所選擇的砂率計算出粗、細集料的體積用量。然而, 這2 種方法都存在著缺點:
(1) 把影響輕集料混凝土強度的重點放在了水泥用量及水灰比上, 忽視了輕粗集料對輕集料混凝土的重要影響, 而在實際應(yīng)用中, 輕集料自身的性能及用量是制約輕集料混凝土強度變化的重要因素;
(2) 無法使輕粗集料多項性能指標對輕集料混凝土強度造成的影響進行準確的評估, 如輕粗集料的密度、空隙率、粒徑大小、級配以及用量等因素對輕集料強度以及密度影響;
(3) 普通混凝土配合比設(shè)計中, 合理砂率可以使砂石達到最緊密堆積, 有利于強度增長, 所以砂率為重要參數(shù)之一; 輕集料混凝土中砂漿用量大, 粗集料間隙大, 混凝土強度取決于砂漿強度及用量, 砂率不適于作為其配合比設(shè)計的重要參數(shù);
(4) 配合比中參數(shù)較多, 取值范圍較大, 選取不同的參數(shù)值會導(dǎo)致結(jié)果差異較大, 設(shè)計方法不易被掌握。
2 富余填充法
由式(1) 、(2) 可以看出, 輕集料混凝土中輕粗集料的用量及其強度選擇是影響混凝土強度的重要因素。基于對以上2 種配合比設(shè)計理論缺點的探討, 提出了富余填充配合比設(shè)計理論, 其原理是根據(jù)輕集料自身的性能指標, 通過調(diào)整輕集料的用量控制混凝土的強度。另外, 我們通過大量試驗得出: 填充于混凝土中的砂漿密度變化范圍較小, 一般在2 100～2 250 kg/m3, 為配合比設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 同時將砂率、水泥用量以及水灰比對輕集料混凝土性能的影響合理轉(zhuǎn)變?yōu)樯皾{對其性能的影響, 改善了上述2 種配合比設(shè)計方法的不足。
2. 1 富余填充法優(yōu)點
(1) 無論從理論還是試驗室研究以及工程實踐中都可以看出, 對于輕集料混凝土而言, 輕粗集料的用量及性能指標都是影響輕集料混凝土的重要因素之一, 所以通過累計的富余填充系數(shù)確定輕集料的用量是較為合理的配合比設(shè)計方法。其原理是通過富余填充系數(shù)將混凝土配合比設(shè)計中的各項參數(shù)聯(lián)系起來,簡化了參數(shù)選取的程序, 降低了由于多參數(shù)而導(dǎo)致的設(shè)計結(jié)果差別較大并且性能不穩(wěn)定等問題。
(2) 輕集料混凝土的密度還可以通過選取適當?shù)摩胖? 來簡單地估算出預(yù)配制的輕集料混凝土的密度范圍。計算方法如下:
ρh=(Vj ×ρj+Vg ×ρg)/V。
(3) 目前在輕集料的應(yīng)用中, 往往需要在規(guī)定的密度等級下配制具有一定強度及工作性能的輕集料混凝土, 所以往往需要通過估算來確定混凝土中原材料的強度和輕集料混凝土的密度。為了達到較好的工作性和選取較為合理的富余填充系數(shù), 通過以上的分析可以看出, 當輕集料混凝土的富余填充系數(shù)確定以后, 混凝土的基本材料用量即可以確定在一定的合理范圍內(nèi), 并通過公式推算出所需輕集料的密度等級范圍。由此可知, 富余填充系數(shù)法對混凝土的選材具有很好的指導(dǎo)意義。
(4) 配合比設(shè)計中表干密度值與實測值更接近,并且在設(shè)計值與實測值有偏差時, 其調(diào)整方法更直觀、更合理。
2. 2 富余填充配合比設(shè)計方法
富余填充理論模型見圖1。
通過大量試驗證實, 可以把混凝土的結(jié)構(gòu)模型簡化為圖1(a) 所示, 則混凝土結(jié)構(gòu)可視為輕粗集料分布于水泥砂漿中或水泥砂漿填充于輕粗集料的間隙中。從理論上分析, 我們可以將圖1(a) 結(jié)構(gòu)做進一步排列, 則在保持各物質(zhì)量不變的條件下將輕粗集料堆積在一起, 就可以將砂漿視為2 部分, 即: 一部分用于填充輕集料堆積的空隙, 另一部分則為富余填充的砂漿量[2], 其結(jié)果如圖1(b) 所示。
本文提出的配合比設(shè)計方法是通過確定“富余填充系數(shù)”來計算輕粗集料的用量, 同時將砂漿密度視為一個定值, 以確定砂漿的總體積并計算出砂漿填充質(zhì)量, 然后選擇合理的水泥用量, 確定水灰比, 計算出砂用量。
為了確定水泥砂漿的強度、密度、工作性等性能及水泥砂漿在混凝土中所起的作用, 我們還對不同砂漿配合比進行了試驗研究。無論是通過實際測試還是理論計算, 都能得出這樣的結(jié)論: 水泥砂漿的密度會隨砂用量的增加而略有增加, 但變化范圍比較小。所以, 為了方便計算, 將其初步視為定值( 通過實際應(yīng)用也可以看出, 這種假定是可行的) 。
為了以后計算及公式運用方便, 這里給出各量之間的關(guān)系式:
V=V1+V2=1; ( 3)
Vj=V2+V2′; ( 4)
式中: V 為混凝土總體積, 設(shè)為1 m3; V1 為粗集料的堆積體積, m3; V2 為富余的砂漿體積, m3; V2′為填充在粗集料空隙內(nèi)的砂漿體積, m3; Vj 為單位混凝土中總的砂漿體積用量, m3; V1′為單位混凝土中粗集料的實體體積用量, m3; P 空為粗集料的空隙率; ε為富余填充系數(shù);ρh為所配制的混凝土的密度, kg/m3; ρj為砂漿的密度, kg/m3; ρg為粗集料的表觀密度, kg/m3。
2. 3 配合比設(shè)計步驟
(1) 粗集料基本性能試驗項目為: 輕集料的堆積密度、表觀密度、空隙率、1 h 吸水率、筒壓強度等主要性能指標。
(2) 確定砂漿的富余填充系數(shù), 用公式( 3) 、( 6) 、(8) 組成方程組計算V1、V2、V2′, 由式( 5) 可計算出V1′;
(3) 用公式( 4) 計算砂漿用量;砂漿的密度ρj
可以在2 100～2 250 kg/m3 范圍內(nèi)選取適當值, 水泥用量較少時, 可取較大值, 反之取小
值。計算水泥砂漿的用量mj=Vj×ρj。
(4) 可按照松散堆積體積法選取水泥用量, 確定水灰比計算用水量, 或通過大量的砂漿試驗, 選擇合理的砂漿配合比。
(5) 去除砂漿中的水泥及水的質(zhì)量即為砂用量ms=mj- mc- mw( 還可以計算出混凝土的砂率與其他2 種方法所取得砂率進行對比) 。
(6) 根據(jù)實際混凝土密度對混凝土配合比設(shè)計進行調(diào)整。
3 用試驗結(jié)果對不同配合比設(shè)計方法做對比
3. 1 試驗基本情況
預(yù)配制高性能輕集料混凝土, 強度等級為LC45。原材料中: 頁巖陶粒900 級, 表觀密度為920 kg/m3,吸水率6.8%, 空隙率0.42, 筒壓強度10.1 MPa; 水泥P.O 42.5; 普通砂, 堆積密度1 550 kg/m3。
3. 2 配合比設(shè)計對比分析( 見表1)
以上內(nèi)容只是部分試驗數(shù)據(jù), 另外, 還利用富余填充系數(shù)法做了大量試驗配合比設(shè)計工作, 經(jīng)過試驗證明, 富余填充系數(shù)法不但與實測值最為接近, 而且富余填充系數(shù)與輕集料混凝土的性能有著密切聯(lián)系。
4 對輕集料混凝土中水泥石(即水泥砂漿)的研究
在上一節(jié)介紹的配合比設(shè)計理論中, 是將混凝土視為由高性能輕集料與水泥砂漿兩部分組成, 并對水泥砂漿部分作了大量試驗研究, 當選擇合適水泥砂漿配合比后, 再將部分適當?shù)呐浜媳壬皾{用于高性能輕集料混凝土中。這樣, 就可以在砂漿配合比強度不變的條件下調(diào)整高性能輕集料的用量, 并為研究用量變化而引起混凝土各種性能變化做好鋪墊。研究內(nèi)容見表2。
對表2 數(shù)據(jù)進行分析, 可以得出以下結(jié)論:
(1) 配合比變化對水泥砂漿表觀密度等的影響見圖2。
由圖2 可知:①水泥砂漿的密度波動范圍較小, 一般在2 100～2 250 kg/m3 之間, 隨著用砂量的增加, 密度逐漸增大;表2 單方混凝土中用于填充輕粗集料空隙的水泥
備注: 1.除S1 采用聚羧酸外加劑外, 其他均采用氨基磺酸鹽類高效減水劑;
2.密度為水泥砂漿塊從養(yǎng)護間取出表面水分風干后所測得, 其所測值略大于混凝土的表干密度。②增加混凝土中粉煤灰的取代量會降低砂漿的密度;③礦粉的取代量對水泥砂漿的密度影響不大;
④砂的用量在655～782 kg/m3 范圍內(nèi)變化時, 對水泥砂漿密度的影響不明顯( 由S3 和S5 對比可知) ;⑤外加劑的種類、減水效果對水泥砂漿密度的影響較為明顯( S1 與其他對比, 由于S1 選用了聚羧酸高效減水劑, 其密度明顯高于其他密度) 。
(2) 配合比變化對水泥砂漿強度的影響見表3、圖3。
由表3、圖3 可以看出:①礦粉的摻入對水泥砂漿的強度影響較小, 其摻
量宜在20%;②粉煤灰的摻入明顯降低了水泥砂漿的強度, 隨著其取代量的增加, 強度降低增大;③當粉煤灰和礦粉的取代量均為10%時, 水泥砂漿與礦粉取代量為20%時的強度相比較, 基本沒有較大幅度的降低, 而10%粉煤灰的摻入不但可以降低造價, 同時還可以減輕水泥砂漿的表干密度, 有利于克服輕集料中輕粗集料的上浮, 所以這種取代方式較為合理( 后面還將這一結(jié)果在混凝土中的應(yīng)用做進一步驗證) ;④聚羧酸減水劑減水效果優(yōu)于氨基環(huán)酸鹽類高效減水劑, 且用量少、強度高, 但由于增加了水泥砂漿的密度, 對輕集料克服上浮性能不利。
5 富余填充系數(shù)( 即輕粗集料用量) 對混凝土強度的影響
研究依據(jù)是用混凝土富余填充設(shè)計理論進行不同富余填充系數(shù)( 不同輕粗集料用量) 的配合比設(shè)計。該配合比中混凝土性能與輕集料混凝土配合比設(shè)計中重要參數(shù)富余填充之間的關(guān)系見表4、圖4。
備注: 表中輕集料用量為該料1 h 吸水后的質(zhì)量, 其空隙率為0.40。
由表4 及圖4 可以看出: 隨著富余填充系數(shù)的增加, 輕集料用量的逐漸減少, 混凝土的強度會發(fā)生明顯變化, 這與理論設(shè)計過程所預(yù)期的結(jié)果相吻合。但富余填充系數(shù)的選取也受到一定限制, 隨著富余填充系數(shù)的增加, 輕集料的用量逐漸減少, 則增加了水泥砂漿的用量, 提高了單位混凝土中水泥的用量。而水泥砂漿用量的增加勢必造成輕集料混凝土密度的增加, 同時也增加了混凝土的單方造價。另外, 如果富余填充系數(shù)取值過小, 則單位輕集料混凝土中輕集料用量增加, 不但會降低混凝土的強度, 同時由于砂漿量的減少而導(dǎo)致混凝土的工作性不良。
通過對G- 2、G- 4 的對比可以看出: 在粗集料用量不變的條件下, 水泥砂漿的調(diào)整對混凝土的強度有
一定影響, 但與混凝土中輕集料的用量變化而引起的混凝土強度的變化相比, 砂漿配比變化的影響作用要小得多。這里也充分證實了在假設(shè)條件下, 輕集料的變化對輕集料混凝土的強度、密度等性能的影響起主導(dǎo)作用。
6 結(jié)論
通過理論研究與試驗驗證, 富余填充配合比設(shè)計方法是可行和更易掌握的, 它更能反映出輕集料性能、用量等的變化對輕集料混凝土性能的影響, 并且為研究輕集料中各種原材料的變化對輕集料混凝土性能的影響提供了便利的途徑以及理論依據(jù)。
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