1、快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術王澤民張東長李凌 交通部重慶公路科學研究所, 630067摘 要: 立足室內試驗, 采用正交試驗、單因素分析試驗和區(qū)組試驗設計理論, 比較詳細、深入地研究了快硬早強混凝土混合料設計中的粗集料優(yōu)選, 外加劑的使用和 系統(tǒng)質量控制方法等關鍵技術; 在室內試驗的基礎上, 結合實體工程經驗, 提出了 一套較為完善、實用的混合料組成設計方法, 供工程實踐中參考。關鍵詞: 快硬早強混凝土, 混合料組成, 外加劑應用, 質量控制中圖分類號: U 41411The Key Techn ique f or H igh- Ea r ly Stren g thCon cre te

2、 M ix D e s ignW a n g Z em inZ h a n g D on g ch a n gL i L in gC ho ngq ing H ighw ay R e sea rch In st itu te o f the M in ist ry o f Comm un ica t io n P. R. C. , 630067A bstra c t: B a sed o n th e te st s in labo ra to ry an d adop ted o r tho g rah ica l te st an d sin g le fac to ran a ly si

3、s te st an d g ro up in g te st, th e re sea rch in to th e k ey tech n iqu e o f choo sin g o u t o f co u r se agg rea te an d app lica t io n o f adm ix tu re to m ix an d m e tho d o f sy stem qu a lity co n t ro l is m ade in de ta il an d tho ro u gh ly. O n th e b a sis o f te st o u tcom e i

4、n labo ra to ry an d com b in ed w ith th e exp e r ien ce s f rom su b stan t ica l en g in ee r in g p ro jec t s, a p e rfec t an d p rac t ica l m e tho d fo r h igh 2ea r ly st ren g th co n c re te m ix de sign is p u t fo rw a rd fo r refe ren ce in en g in ee r in g p rac t ice.Key word s: H

5、 ig2ea r ly st ren g th co n c re te, M ix , A pp lica t io n o f adm ix tu re, Q u a lity co n t ro l快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術是國家“八五”重點科技攻關項目中“快硬早強水泥混凝土在高等級公路路面工程應用技術的研究”專題的主要成果之一。其主要內容包 括:收稿日期: 1997208210國家“八五”重點科技攻關項目王澤民, 男, 1957 年 9 月出生, 副研究員中國公路學報1998 年2(1) 混合料組成設計的影響因素分析;(2) 混合料組成的材料優(yōu)選; (3) 外加劑的應用研究;

6、(4) 混合料組成設計研究及質量控制;(5) 快硬早強混凝土的路用性能研究。 筆者著重介紹混合料設計研究中粗集料的評價與優(yōu)選, 外加劑的使用和混合料設計質量控制。混合料的組成設計研究是生產混凝土的關鍵技術, 快硬早強混凝土也是如此。其基本原 則是選擇混凝土中不同組分之間的最佳比例, 使混凝土滿足特定的施工和易性和特征強度, 同時盡量降低混凝土的單位造價和兼顧其它性能?？煊苍鐝娀炷恋幕旌狭辖M成更復雜, 影 響因素多, 尤其是應充分考慮影響早期強度的因素。本研究在優(yōu)選粗集料的研究中, 比較深入地研究了粗集料表面特征對混凝土早期抗折 強度的影響; 外加劑的合理應用也是快硬早強混凝土獲得成功的核心技

7、術。筆者比較詳細地介紹了外加劑的劑量優(yōu)選, 氣溫影響等重要因素; 混凝土混合料質量控制被普遍認為是目前 世界上都沒有得到很好解決的難題。本研究采用可靠性分析方法從實際出發(fā), 分別研究了粗 集料的表面特征變異、水灰比的影響、結構工程的重要程度等因素與混合料質量控制之間的 關系, 并可應用于工程實踐中。粗集料的評價與優(yōu)選1研究表明粗集料的巖性、吸水率、最大粒徑、表面特征和級配的變化均對混凝土的強度有影響, 根據混凝土的破壞機理, 特別是考慮到早期強度、集料的表面特征變異、集料的最大 粒徑和集料在混凝土中所占的單位體積率是主要的。111 粗集料表面特征評價粗集料的表面特征主要指集料的表面形狀和顆粒度

8、狀況。 在中國“水泥路面的施工規(guī) 范”中限制粗集料的針片狀顆粒含量不得超過 15% , 這一規(guī)定間接考慮了部分表面特征因素。 但室內試驗證明, 即使針片狀顆粒含量滿足要求, 如集料的扁平和不規(guī)則的顆粒太多也 會影響混合料的和易性和強度, 也就是說僅用針片狀顆粒含量來評定集料的級配質量是完 全不夠的。經試驗研究, 粗集料的表面特征用細度模數和比表面積來評價是比較貼切的。若用 PD表示集料的表面特征指數, 則有:PD = f (C ,M x , S g )式中: C 與集料石質相關的系數;M x 集料的細效模數;S g 集料的比表面積。(1)本研究采用液體吸附法測得花崗巖的吸附能力系數為 0179

9、5, 石灰?guī)r為 110, 砂巖為1135。為測 S g 與M x 之間的關系, 采用最大粒徑 30 mm 、40 mm 兩種級配的優(yōu)質石灰石碎石,分別測其細度模數和比表面積, 見表 1。第 2 期王澤民等: 快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術3表 1粗集料級配及表面特征試驗值級配范圍(mm )細度模數碎石試樣重(g)試驗后重(g)重量增長率( )比表面積(m 2k g)88216880118801718251518301018321622121222181722141715315153181561931843154316111421167118101550185016401330152015

10、80187301804018260132701379014110112501193011450107501118011325 1061085010 20710180020 40810220040 50910153經整理表 1 中, S g 與M x 存在關系:ln (M x ) =在本文的情況下, 常數 a = 51772, b= -a + b ln (S g )01189, R 2 = 01985, 相關性好, 見圖 1。(2)式 ( 2) 表明, 集料級配和表面特征一定時,M x 與 S b 的積是一個常數。若令標準集料g的表面特征指數為 1, 則任何級配狀況下混合料的表面特征指數可表示為

11、:PD = M S M x S b( )3g式中: PD 集料表面特征指數;M S 標準集料細度模數與比表面積 的積;b常數。式 ( 3) 中 PD 是評價集料表面特征的相 對值, 當 PD 越接近于 1 時, 說明集料的顆粒狀況越好。 研究表明, PD值與巖性無關。圖 1 比表面積與細度模數的關系112PD 指數與抗折強度的關系表 2 是 PD 指數的變化對混凝土強度的影響值, 表 2 表明, 當集料的 PD 指數從 110 降 到 01634 時, 抗折強度下降 12 , 這一影響在實際工程中是不能忽視的, 抗壓強度也隨著集料表面狀況的惡化而下降。 圖 2 是 PD指數與抗折強度的關系圖。

12、113粗集料最大粒徑與體積率對抗折強度的影響大量的室內試驗表明, 粗集料的最大粒徑和集料所占的體積率均對混凝土抗折強度有 影響。集料最大粒徑的影響與水泥漿的富度有關, 本研究的單位水泥用量從 280k g 變化至380k g , 試驗結果表明: 當水泥用量在 330k g 左右時, 對抗折強度最有利。骨料的最大粒徑為中國公路學報1998 年430mm , 國外的研究報告認為, 當水泥用量為 330k g 時, 骨料的最大粒徑為 3810mm , 對抗壓強度最有利。中國水泥混凝土路面有關規(guī)范要求碎石最大粒徑為 40mm , 這對抗壓強度是有 利的, 對抗折強度來說并不是最佳的選擇。 在有條件的地

13、區(qū)或高等級路面施工中, 最好控制骨料最大粒徑在 30mm 以下。表 2混凝土抗折和抗壓強度隨粗集料比表面積變化的結果扁平針狀顆粒( )細度模數M x比表面積S (m 2k g)抗壓強度(M P a)抗折強度(M P a)坍落度(mm )PD051071337130619271137133715161886197710161510136201391014280144801481015200157101610016650174310192501846018080175301696016340159301544014872313231122122318251524162017211919171813

14、411631913178315831643189315631823149313670105901550207025303012354045粗集料的體積率對混凝土抗壓強度和抗折強度的影響是有差別的, 在相同水灰比條件 下, 骨料的體積率越小對抗折強度越有利, 但 抗壓強的最佳體積率在 75 85 之間。 根據 室內試驗結果, 在保證混凝土耐久性和耐磨性 要求的同時, 應盡量降低粗集料的體積率, 但 當體積率低于 60 時, 若水泥用量不變, 水泥 漿的富度太大抗折強度有降低的趨勢。一般控 制在 74 85 范圍為好。外加劑的應用2圖 2PD 指數與抗折強度的關系為大幅度提高普通混凝土的早期強度,

15、 最有效的途徑就是充分利用好外加劑。LW外加劑是本專題的主要研究成果之一, 在常溫情況, 在普通混凝土中摻入適量的 LW早強早強外加劑, 可使混凝土 1 3 天強度達設計強度的 75 以上, 但該外加劑與水泥的作用受外加劑的劑量、環(huán)境溫度、濕度、混凝土的齡期以及水泥質量等因素的影響, 本研究僅考慮外加劑 的摻量、混凝土的齡期和環(huán)境溫度之間相互影響, 以利于充分發(fā)揮外加劑的作用。假定在混凝土中摻入LW 外加劑后, 其強度搞高系數為 k g , 則 k g 應是外加劑摻量、溫 度和齡期的函數, 即:k g = 5 (g , t, d )(4)第 2 期王澤民等: 快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技

16、術5式中: g 外加劑的摻配劑量 ( ) ;t 混凝土的養(yǎng)護溫度;d 早強設計齡期。211 外加劑早強作用與齡期在試驗研究中, 同時考慮外加劑的摻量、齡期和溫度三個因素對試驗設計和數據處理都 是比較復雜的事, 而且混凝土試驗要控制環(huán)境溫度也比較困難, 如要考慮溫度影響, 必須按自然氣溫來劃分溫度區(qū)間, 這樣試驗周期拖得很長, 并且必然增加大量的系統(tǒng)誤差, 為解決這一問題, 本研究采取單因素試驗分析方法, 首先解決外加劑的早強作用與齡期的關系。 為 簡化試驗設計, 在溫度為 25±1 時, 固定外加劑摻量為水泥用量的 115 , 將此時的早強 混凝土強度的提高值作為基準作用系數 K 0

17、 , 為了研究 K 0 , 在室內作了 6 批試驗, 每批有 21 28 組試件, 共考察了 7 個不同的齡期, 得到圖 3 和圖 4。圖 3 摻LW 外加劑與不摻LW 時強度的比較圖 4 LW 的作用系數基準線圖 3 是氣溫 25時, 摻入LW 外加劑 115 時與空白混凝土的比較, 其水泥為普硅 525# 。普硅 425# 水泥也有類似關系。圖 4 中 K 0 線為圖 3 中強度提高的百分值, 也就是LW 的 作用系數基準線。從圖 4 中可知, 一天齡期時, 抗折強度提高值可達 9617 , 3 天齡期時提高5419 , 7 天齡期可提高 2410 。 值得說明的是外加劑占水泥劑量的 11

18、5 并不是最佳摻 量, 只是反映出外加劑的早強作用規(guī)律。212 外加劑摻配劑量與溫度因素的考慮如果不考慮溫度因素, 外加劑的最佳摻量是易于解決的, 引入溫度因素后, 外加劑的摻 配設計就變得非常復雜, 首先是混凝土的硬化受溫度的影響很大, LW 外加劑的活性也受溫度的影響。如果僅分別研究外加劑的活性和溫度對混凝土的硬化作用關系, 對實際應用來說價值不大。只有找出外加劑在不同溫度作用下對混凝土早期強度綜合作用規(guī)律, 才有應用價 值。實際上, 在試驗過程中, 溫度是難以控制的, 只有借助于自然氣候的變化, 根據試驗要求, 滿足溫度條件的時間需要半年多, 這樣長的時間跨度, 水泥不同批次的影響, 環(huán)

19、境溫度也在變化, 試驗人員的操作等都難以達到一致, 為盡量消除這些系統(tǒng)因素的影響, 引入區(qū)組試驗設計原理。區(qū)組試驗設計常用于一個較大的綜合試驗, 解決試驗過程中系統(tǒng)偏差或對主要因素有 干擾的次要因素, 通常把這些因素稱為區(qū)組因素, 在試驗設計過程中, 允許區(qū)組因素存在并中國公路學報1998 年6變動, 但又不影響對試驗中所關心那些主要因素。區(qū)組設計的理論性極強, 要用到較深的線性代數理論。目前區(qū)組設計在國外是比較活躍 的課題, 主要用于農業(yè)、醫(yī)藥、生物和環(huán)境工程等試驗研究。 區(qū)組設計分為完全隨機區(qū)組、不完全隨機區(qū)組、tm 型區(qū)組和區(qū)組混雜設計等, 本研究采用不完全隨機區(qū)組和區(qū)組混雜設計原 理。

20、將外加劑、溫度的組合影響試驗分為 36 組并將 36 個處理 (試驗組) 安排在 6 個區(qū)組中,進行一套完全重復試驗, 歷時 6 個月。 經數據處理后得表 3。表 3摻 LW 外加劑混凝土強度隨溫度變化的試驗值抗壓(M P a)抗折(M P a)平均溫度( )外加劑摻量( )外加劑摻量( )0110114310011011431071513101815231328103315817161020162113211622141513201221102316221525111810251421102419311928172014281426152513341932131163210421462154

21、21412194211221742195219031103135213721953138313931303168310231323196319131864101用表 3 中抗折強度的數據作空間柱狀圖進行直觀比較, 明顯可看出一種趨勢, 即增加外加劑的摻量, 外加劑的作用增強, 但溫度上升外加劑的作用減弱, 這也表明當混凝土自然硬 化速度受到低溫環(huán)境的制約時, LW 外加劑的作用特別明顯。根據數據分析和空間柱狀圖, 可將外加劑與溫度對混凝土早期強度的作用規(guī)律表示為:K g = K 0 0 + 1 ( t -式中: K g 強度提高系數;25) +2 (g -115) (5)K 0 溫度為 25時

22、, 外加劑摻量為水泥的 1150、1、2 常數。將表 3 進行數值處理, 經二元回歸, 得到:時的提高值, 與齡期有關;0 =0. 511 = - 0. 022 = 0. 38K g = K 0 0 151 - 0. 02 ( t - 25) + 0. 38 (g - 115) 即(6)式中: 5t35; 0g 3. 5213外加劑的摻配設計。首先確定混凝土工程需要多少齡期投入使用, 然后測定普通混凝土 28 天強度 f m , 同時測出相同條件下所需齡期普通混凝土的強度 f , 計算該工程投入使用時需要的強度 f c , 一般 為 28 天強度的 65 75 , 即 f c = (0165

23、0175) f m , 則 f = f c - f 就是需外加劑的作用來提 高的早期強度, 于是, 提高系數 k g = f f , K 0 的值可以從圖 4 中查得, 再通過式 ( 6) 即可算得外加劑的用量。第 2 期王澤民等: 快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術7混合料設計的質量控制3混合料設計質量控制的目的有兩點, 即:(1) 滿足一定的使用要求, 比如設計強度、耐久性、耐磨性要求, 盡量小的收縮變形等, 可 表示為:f c k f cm(7)式中: f c 構件的設計強度;f cm 構件的計算強度;k 由于材料的變異, 構件的重要程度、施工水平的差異等所需要的提高系數。(2) 盡量

24、降低成本, 也就是說應該找到滿足 ( 7) 式的 f c 最小值, 也可以歸結為一個優(yōu)化 問題的最小成本目標函數, 即:$ = m in $ iC i(8)式中: $ i 材料或工序的單價;C i 單位體積混凝土所需各種材料或工序臺班等。 優(yōu)化是一個比較復雜的技術經濟問題, 對小規(guī)模的維修工程, 混合料的優(yōu)化意義不大,對于大規(guī)模工程優(yōu)化工作是十分重要的。綜上所述, 混凝土混合料的質量控制首先是合理確定強度提高系數 K值; 其次是盡量少用價格高的材料, 比如水泥, 加強管理, 降低標準離差, 使混凝土的單位造價$ 取得最小值。確定混合料的強度提高系數 K在中國水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范(GBJ

25、 9787) 中提出, 混凝土的試配強度按 下式確定311f c = (1110 - 1115) f cm(9)也可按下式確定1(10)f c =f cm1 -tC v式中: f c 混凝土試配強度;f cm 混凝土設計強度;t 保證率系數;C v 強度變異系數。(9) 和(10) 式的提高系數均按常變異系數法原理確定的, 其實, 這一方法不盡合理, 對快 硬早強混凝土更是如此。 國外研究資料認為, 對于抗壓強度低于 20M P a 的低標號混凝土變 異系數 C v 基本是一個常數; 對于抗壓強度大于 20M P a 的高標號混凝土標準離差趨于一個 常數, 變異系數隨混凝土的平均強度增大而變小

26、。 本研究在大量的室內試驗中也發(fā)現, 混凝 土的早期強度變異系數偏大。 對大規(guī)模工程, 尤其是高等級路面工程混凝土強度比較高, 如 果還是沿用這一方法必將造成較大的浪費, 也就是說 (7) 式中的提高系數 k 與混凝土的平均 強度值有關。 例如混凝土設計抗折強度為 410M P a, 其標準離差為 15 , 取保證率系數為1104, 則試配強度為 4174; 如按這一標準, 設計強度為 510M P a, 按保證率不變其試配強度應中國公路學報1998 年8是 5192M P a, 按離差不變則為 5174M P a, 相差 311 , 這對于大規(guī)模工程還是一個不小的浪費。 因此本文推薦采用標準

27、離差方法, 即:(11)f c = f cm + t式中: 標準離差, 其它符號同前。由于對某一工程來說 f cm 總是常數, 所以 (11) 式中的 t完全等價于可靠指標 。在實際中, 保證率系數或可靠度可根據工程的重要程度由決策機構 定下其取值, 而 則由材料的變異施工單位控制水灰比的能力確定, 但當 f c 與水灰比、材料變異等因素為多元函數時, 不能直接求出, 如果 f c 服從正態(tài)分布(有研究證明 f c 服從正態(tài) 分布) 后, f c 與這些相同因素的關系可通過級數展開并忽略余項。5f c22 =2 (x i)(12)5x ix i結合 (7) 式和 (11) 式, 混合料的強度提

28、高系數 K = 1+ tf cm312質量控制質量控制的目標是使 (11) 式中標準離差越小越好, 但過強的管理付出的代價是否值得 應該和成本的節(jié)約費用進行比較, 從中找到一個最佳值。本研究在實體工程中主要控制兩大環(huán)節(jié), 一是粗集料的質量; 再就是現場控制水灰比,當然, 水泥質量是任何一個工程都必須控制的。粗集料的控制首先根據第一節(jié)的內容, 測出每批進料表面特征指數 PD 的變化, 然后調 整試配強度。 一般控制 PD 的離差。對水灰比的現場控制, 首先由大量室內的試驗結果, 得出抗折強度和水灰比, 水泥膠砂強度 f 的經驗式 (13) , (13) 式也是進配合比設計的經驗式, 然后根據保證

29、率系數, 控制水灰 比的允許變化范圍。f c =0. 395f(cw- 0. 261)(13)R 2 = 0. 943現場水灰比的測試方法用水洗法, 其方法簡便易行。(11) 式實際上是一個質量控制方程, 混凝土試配強度與設計強度之間的差值依賴 于工程的保證率系數 t 和綜合離差 ; 反之, 當試配強度和保證率系數一旦確定, 對施工單位 的現場質量管理主要就是控制綜合離差 ?？煊苍鐝娀炷烈话愣荚?1 3 天內通車, 結構強度的檢測來不及等待現場試件的結果, 為使早強混凝土盡早投入使用, 本研究采用 H T 225A型回彈儀, 結合室內實驗和實體工程統(tǒng)計回歸出適用于快硬早強混凝土的專用曲線, 供路面工程檢測用。7. 448e0. 0369N(14)R a =R 2 = 0. 9145118689e0. 0234N(15)R f =R 2 = 0. 9325式中: R a 混凝土抗壓強度評定值(M P a) ; R f 混凝土抗折強度評定值(M P a) ; N 混凝土測區(qū)平均回強值。第 2 期王澤民等: 快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術9結語4混凝土混合料的組成設計是一個由來已久但又是永無止境的課題, 幾