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超缓凝混凝土的配合比试验研究及设计方法
发布时间:2017-4-17 阅读:2166次   打印本页 || 关闭窗口
摘要

超缓凝混凝土(ultra-retardation concrete,简记为URC)是一种对混凝土凝结时间有特殊要求的新型混凝土。试验结合超缓凝混凝土的工程实际应用情况,以URC10、URC20、URC30及URC40四个强度等级为研究对象,研究确定了不同初凝时间范围下超缓凝混凝土的抗压强度比系数,并采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路成功配制出了初凝时间不小于60h,终凝时间不大于120h,初终凝时间差不大于20h,28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。

引言


    超缓凝混凝土是一种为了满足特殊施工要求而专门配制的初凝时间达到60h~80h,28d强度不低于设计强度等级的新型混凝土[1]。在地铁、车站等深基坑围护结构的钻孔咬合桩,要求后续施工的钻孔桩在施钻时,能同时对已浇筑完毕的钻孔桩桩身混凝土进行适量的钻削,使钻孔桩相互咬合连成一个整体而提高挡水的能力[2-5]。为实现这一特殊施工要求,通常需增加缓凝剂掺量来增大水泥水化需克服的能垒,从而延缓混凝土的凝结和抑制混凝土早期强度的发展,但同时也对混凝土后期强度发展有一定的影响。
    超缓凝混凝土的凝结时间与抗压强度之间存在一定对应关系,本课题组前期研究表明:初凝时间小于60h时,28d强度降幅在5%左右;初凝时间大于60h且终凝时间小于120h时,28d强度降幅低于15%;终凝时间大于120h时,28d强度降幅达20%以上[6]。因此,采用合理的技术手段解决超缓凝混凝土超长凝结时间的施工要求与混凝土抗压强度发展要求之间的矛盾关系对科学合理的配制和应用超缓凝混凝土具有重要作用。本文结合超缓凝混凝土工程应用情况,以URC10、URC20、URC30及URC40四个强度等级为研究对象,通过试验研究不同初凝时间范围下超缓凝混凝土的抗压强度比系数,并采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路对配合比进行试验验证,提出一种科学合理的超缓凝混凝土配合比设计方法。

原材料及试验方法


2.1  试验原材料

⑴水泥:云南国资水泥红河有限公司生产的P.O 42.5级水泥,其物理力学性能见表1。

表1  水泥的物理力学性能

比表面积/m2·kg-1 80μm筛筛余/% 标稠用水量/% 密度/ g·cm-3 凝结时间/min
抗折强度/MPa
抗压强度 /MPa
初凝 终凝 3d 7d 28d 3d 7d 28d
356 3.7 26.0 3.15 220 275
6.4 7.1 8.5
27.2 36.5 48.0

⑵矿物掺合料:云南恒阳实业有限公司粉煤灰分公司生产的Ⅱ级粉煤灰及玉溪三和新型建材技术有限公司生产的S75矿粉,其性能指标分别见表2及表3。

表2  Ⅱ级粉煤灰的性能指标

细度/% 比表面积/m2·kg-1 需水量比/% 烧失量/% 含水量/% 三氧化硫/% 密度/g·cm-3 活性指数/%
7d 28d
14.0 315 100.2 2.36 0.15 2.66 2.45 62 71

表3  S75矿粉的性能指标

细度/% 比表面积/m2·kg-1 流动度比/% 烧失量/% 含水量/% 三氧化硫/% 密度/g·cm-3 活性指数/%
7d 28d
1.9 420 97.6 1.30 0.15 1.44 2.75 59 81

⑶骨料:细骨料根据机制砂和山砂的级配情况按8:2的比例调配成Ⅱ区中砂,细度模数为2.8,表观密度2.68g/cm3,MB值为1.1,石粉含量为8.2%;粗骨料为粒径5mm~31.5mm连续级配碎石,压碎值9.2%,含泥量0.82%,泥块含量0.15%,针片状颗粒含量1.7%。
⑷外加剂:高效减水剂采用萘系高效减水剂,减水率18%,推荐掺量2.5%~3.0%,固含量30%;缓凝剂采用工业葡萄糖酸钠。
⑸:水:昆明市饮用自来水。
2.2  试验方法
⑴混凝土拌合物工作性能和凝结时间测定
    参照《普通混凝土拌和物性能测试方法》GB/T 50080-2002。采用贯入阻力法测定从混凝土拌合物中用5mm标准筛筛出的砂浆凝结时间,贯入阻力达到3.5MPa时为初凝时间,达到28MPa时为终凝时间。凝结时间测试过程中环境温度始终保持(20±2)℃,凝结时间测定从水泥与水接触瞬间开始计时,且应根据拌合物性能,确定测针试验时间,以后每隔3h~4h测试一次,临近初终凝时每隔1h~2h测试一次。
⑵混凝土抗压强度测定
    参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002进行。混凝土立方体抗压强度试件应在试件成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面,且应在温度为(20±5)℃的环境中带模养护至终凝后24h内拆模。拆模后应立即放入温度(20±2)℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护,达规定龄期进行抗压强度测试。

配合比设计思路


 3.1  配合比设计要求

    ⑴超缓凝混凝土的凝结时间需满足初凝时间不小于60h,终凝时间不大于120h,初终凝时间差不大于20h的要求。超缓凝混凝土的凝结时间应根据设计要求、环境温度、运输距离、停放时间来合理调控以满足施工要求,且实际凝结时间与设计要求的允许偏差值为±10%。
    ⑵超缓凝混凝土到浇筑工作面的坍落度宜控制在180mm~200mm。考虑混凝土在运输工程中的坍落度经时损失,应根据实际情况控制混凝土出厂坍落度较浇筑现场坍落度大10mm~30mm。
    ⑶超缓凝混凝土的3d强度不大于3MPa,28天强度满足设计要求。
3.2  配合比设计原则
    超缓凝混凝土的配合比设计难点是解决凝结时间与抗压强度发展之间矛盾。因此,超缓凝混凝土的配合比设计主要遵循以下原则:一是采用提高矿物掺合料掺量且不宜采用纯水泥,延长混凝土凝结时间和保证混凝土拌合物性能满足施工要求;其次是提高试配强度,降低水胶比,保证混凝土后期强度满足设计要求。
    ⑴超缓凝混凝土凝结时间的科学调控。采用公司自有发明专利技术“基于葡萄糖酸钠缓凝剂的超缓凝混凝土凝结时间调控方法”(ZL 201410667513.8),从养护温度及缓凝剂掺量与凝结时间的关系出发,确定超缓凝混凝土的缓凝剂掺量来科学合理的控制超缓凝混凝土的凝结时间满足设计要求。
    ⑵超缓凝混凝土抗压强度的科学调控。根据超缓凝混凝土初凝时间与抗压强度比的定量关系,在用水量不变的情况下,降低水胶比,增加胶凝材料总量,保证28d强度满足试配强度要求。超缓凝混凝土的试配强度及水胶比可分别按公式⑴和公式⑵确定:

                           ⑴

    式中:fcu,0 为超缓凝混凝土的试配强度,MPa;fcu,k为超缓凝混凝土立方体抗压强度标准值,MPa;σ为超缓凝混凝土强度标准差,MPa。

                       ⑵

    式中:k为标准养护条件下,同一配合比超缓凝混凝土与普通混凝土28d抗压强度之比;fb为胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值,MPa;αaαb为回归系数。

试验结果与讨论


 4.1  超缓凝混凝土抗压强度比的确定

    课题组前期采用不同的缓凝剂单掺、复掺配制了不同凝结时间范围的超缓凝混凝土,对7d及28d抗压强度比进行统计分析,结果见表4。前期研究未考虑掺合料的影响,仅采用纯水泥配方进行研究,且仅针对同一等级的混凝土进行研究,试验结果不能对其他等级的超缓凝混凝土进行科学指导。因此,课题组在前期研究的基础上,考虑矿物掺合料的影响,通过缓凝剂掺量控制超缓凝混凝土的初凝时间在60h~100h范围,针对URC10、URC20、URC30及URC40四个不同强度等级的超缓凝混凝土进行研究,混凝土的配合比见表5,凝结时间及抗压强度试验结果见表6。
    由表6可知,强度等级的变化对超缓凝混凝土与同等级普通混凝土的28d及60d抗压强度比的影响较小,7d抗压强度比的波动较大。初凝时间在60h~80h范围时,URC10~URC40混凝土的7d强度为同等级普通混凝土的60%~80%,平均值为77.5%;28d强度为同等级普通混凝土的90%~94%,平均值为92%;60d强度为同等级普通混凝土的93%~96%,平均值为94.8%。初凝时间在80h~100h范围时,URC10~URC40混凝土的7d强度为同等级普通混凝土的54%~71%,平均值为66.1%;28d强度为同等级普通混凝土的85%~87%,平均值为85.9%;60d强度为同等级普通混凝土的88%~92%,平均值为90.4%。

表4 前期试验28d抗压强度比试验结果[6]

凝结时间 组数 7d抗压强度比
28d抗压强度比
****值 ****值 **小值 平均值 **小值 平均值
初凝时间<60h 7 106% 77% 90%
102% 87% 94%
初凝时间>60h,终凝时间<120h 8 94% 60% 72%
100% 82% 90%
终凝时间>120h 5 65% 11% 39%
88% 75% 80%

表5  超缓凝混凝土与普通混凝土的配合比

编号 设计初凝时间/h 水/kg 水泥/kg 粉煤灰/kg 矿粉/kg 砂/kg 石/kg 砂率/% 水胶比 高效减水剂/% 缓凝剂/%
C10 - 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0
URC10A 60~80 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0.265
URC10B 80~100 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0.290
C20 - 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0
URC20A 60~80 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0.270
URC20B 80~100 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0.295
C30 - 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0
URC30A 60~80 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0.280
URC30B 80~100 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0.300
C40 - 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0
URC40A 60~80 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0.295
URC40B 80~100 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0.315

注:高效减水剂及缓凝剂掺量均为总胶凝材料质量的百分比。

表6  超缓凝混凝土与普通混凝土的凝结时间及抗压强度试验结果

编号 凝结时间/h   抗压强度/MPa   抗压强度比/%
初凝 终凝 凝结时间差 7d 28d 60d 7d 28d 60d
C10 14.4 19.3 4.9
11.2 18.6 21.8
100 100 100
URC10A 69.6 78.7 9.1 6.9 17 20.2
62 91 93
URC10B 92 102.6 10.6 6.1 16.2 19.6
54 87 90
C20 10.4 13.3 2.9 18 28.9 35
100 100 100
URC20A 72.8 85.1 12.3 15.1 26.8 33.6
84 93 96
URC20B 90.6 104.2 13.6 12.6 24.5 30.7
70 85 88
C30 9.2 11.4 2.2 25.5 38.7 47.2
100 100 100
URC30A 73 86.9 13.9 20.6 36.4 44.4
81 94 94
URC30B 89.4 104.3 14.9 17.5 33.5 43.2
69 87 92
C40 8.1 10.2 2.1 42.3 52.4 60.9
100 100 100
URC40A 75.6 87 11.4 35 47 58.8
83 90 97
URC40B 93.5 106.7 13.2 30.1 44.6 56.3
71 85 92

4.2  超缓凝混凝土的配合比设计与验证
    超缓凝混凝土以28d抗压强度作为评定和验收依据时,根据URC10~URC40混凝土的28d抗压强度比试验结果,初凝时间在60h~80h时,抗压强度比按0.90取值;初凝时间在80h~100h时,抗压强度比按0.85取值。采用抗压强度比系数合理降低水胶比,计算调整URC10~URC40四个强度等级混凝土的配合比,并与普通混凝土进行对比分析,验证配合比设计的科学性和经济可行性。
    按超缓凝混凝土的配合比设计思路,计算确定了URC10~URC40超缓凝混凝土的验证配合比,配合比及试验结果分别见表7和表8。

表7  URC10~URC40超缓凝混凝土的验证配合比

编号 设计初凝时间/h 水/kg 水泥/kg 粉煤灰/kg 矿粉/kg 砂/kg 石/kg 砂率/% 水胶比 高效减水剂/% 缓凝剂/%
C10 - 195 87 116 87 860 1050 45 0.67 2.6 0
URC10AY 60~80 195 96 126 96 847 1035 45 0.61 2.6 0.270
URC10BY 80~100 195 100 134 100 839 1026 45 0.58 2.6 0.295
C20 - 190 176 106 71 799 1059 43 0.54 2.8 0
URC20AY 60~80 190 194 116 78 783 1039 43 0.49 2.8 0.275
URC20BY 80~100 190 204 123 82 775 1027 43 0.47 2.8 0.300
C30 - 185 251 84 84 736 1060 41 0.44 2.9 0
URC30AY 60~80 185 277 92 92 736 1060 41 0.40 2.9 0.285
URC30BY 80~100 185 292 97 97 709 1020 41 0.38 2.9 0.305
C40 - 180 341 68 45 689 1077 39 0.40 3.0 0
URC40AY 60~80 180 375 75 50 671 1049 39 0.36 3.0 0.300
URC40BY 80~100 185 396 79 53 660 1032 39 0.34 3.0 0.320

注:1、高效减水剂及缓凝剂掺量均为总胶凝材料质量的百分比;2、编号A代表超缓凝混凝土设计初凝时间为60h~80h,B代表超缓凝混凝土设计初凝时间为80h~100h。

表8  URC10~URC40超缓凝混凝土的配合比验证试验结果

编号 凝结时间/h   坍落度/mm   抗压强度/MPa   抗压强度比/%
初凝 终凝 凝结时间差 初始 1h 3d 7d 28d 7d 28d 60d
C10 14.4 19.3 4.9
185 155
11.2 18.6 21.8
100% 100% 100%
URC10AY 71.3 79.0 7.7 185 170 8.7 19.2 22.5 78% 103% 103%
URC10BY 89.6 98.7 9.1 190 180 7.7 18.9 21.6 69% 102% 99%
C20 10.4 13.3 2.9 195 170 18 28.9 35 100% 100% 100%
URC20AY 74.9 88.6 13.7 195 185 13.4 29.7 35.9 74% 103% 103%
URC20BY 92.8 100.1 7.3 200 180 12.9 29.3 35.7 72% 101% 102%
C30 9.2 11.4 2.2 190 180 25.5 38.7 47.2 100% 100% 100%
URC30AY 72.7 87.1 14.4 200 190 21.3 39.6 48 84% 102% 102%
URC30BY 93 106.9 13.9 210 195 19.7 38.5 48.2 77% 99% 102%
C40 8.1 10.2 2.1 205 185 42.3 52.4 60.9 100% 100% 100%
URC40AY 72.6 83.3 10.7 210 195 34.1 54.3 62.8 81% 104% 103%
URC40BY 85.6 97 11.4 220 205 32 51.4 60.6 76% 98% 100%

    由表8可知,URC10~URC40超缓凝混凝土流动性能优于同等级普通混凝土,1h坍落度经时损失为10mm~15mm,较普通混凝土降低5mm~10mm。采用抗压强度比对超缓凝混凝土配合比进行合理调整后,初凝时间在60h~80h之间的URC10~URC40超缓凝混凝土7d强度为同等级普通混凝土的74%~84%,平均值为79%;28d强度为同等级普通混凝土的102%~104%,平均值为103%;60d强度为同等级普通混凝土的102%~103%,平均值为103%。初凝时间在80h~100h之间的URC10~URC40超缓凝混凝土7d强度为同等级普通混凝土的69%~77%,平均值为74%;28d强度为同等级普通混凝土的98%~102%,平均值为100%;60d强度为同等级普通混凝土的99%~102%,平均值为101%。可见,经配合比试验验证,采用抗压强度比系数合理降低超缓凝混凝土水胶比的URC10~URC40混凝土28d强度及60d强度可以达到同等级普通混凝土强度。采用该配合比设计思路可以成功配制出了初凝时间不小于60h,终凝时间不大于120h,初终凝时间差不大于20h,28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。

结论

    ⑴超缓凝混凝土以28d抗压强度作为评定和验收依据时,初凝时间在60h~80h范围内,抗压强度比可按0.90取值;初凝时间在80h~100h范围内,抗压强度比可按0.85取值。
    ⑵通过配合比试验验证,采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路可以配制出了初凝时间不小于60h,终凝时间不大于120h,初终凝时间差不大于20h,28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。
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