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1、doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2012.10.030基于致密配合比法的索塔清水混凝土配合比设计及性能研究万纯斌 1，唐 凯 2，李北星 2，胡峰强 3（1. 江西省交通运输厅 九江长江公路大桥项目建设办公室，江西 九江 332000；2. 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室， 湖北 武汉 430070；3. 南昌大学 建筑工程学院，湖北 南昌 330031）摘 要： 结合九江长江公路大桥索塔工程，采用致密配合比方法对 C50 高性能清水混凝土进行了配合比设计，通过试验验证了混凝土的性能。试验结果表明：粉煤灰填充细骨料的填塞率 为 13%，粉煤灰与细骨料混合物
2、填充粗骨料的填塞率 为 45%时，粉煤灰-细骨料-粗 骨料粒料系统达到最密实堆积；水泥浆的富裕系数 n 为 1.3 和 1.35 时，设计出的高性能混凝土的工作性、力学性能和耐久性均满足索塔工 程的设计和施工要求，且经济性较优。混凝土在索塔工程中的应用效果良好，索塔混凝土的外观质量完全达到了清水混凝土的质量要求。 关键词： 致密配合比设计法；清水混凝土；配合比；性能中图分类号： TU528.062文献标志码： A文章编号： 1002-3550（2012）10-0100-03M ixt ure proport ion and propert ies of fair- faced concret
3、e for cable support t ow er using a densified m ixt ure design algorit hmWAN Chun-bin 1，TANG Kai 2，LI Bei-xing 2，HU Feng-qiang 3（1. Jiujiang Yangtze River Expressway Bridge Project Construction Office，Department of Transportation Jiangxi Province，Jiujiang 332000，China；2. State Key Laboratory of Sili
4、cate Materials for Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3. School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China）Abstract: Aiming at the engineering practice of cable support tower of Jiujinag Yangtze River Expressway Bridge，the mixture prop
5、ortion ofC50 grade high performance fair-faced concrete has been designed using a densified mixture design algorithm（DMSA），and the concrete proper- ties were tested and verified.The experimental result indicated that when the filling ratio of fine aggregate filled with fly ash is 13% and the fill-in
6、g ratio of coarse aggregate filled with the mixture of fly ash and fine aggregate is 45%，the mineral particles system including fly ash，fine ag-gregate and coarse aggregate reached the closest packing；when the cement paste rich coefficient n is 1.3 and 1.35，the workability，mechanical properties and
7、durability of the designed HPC mixtures can meet the design and construction requirements of cable support tower engineering，andthe production cost of concrete mixtures is relatively economical.The concrete mixtures have been confirmed by the application in cable support tower projects and the concr
8、ete appearance meets the quality requirements for the fair-faced concrete.Key words: densified mixture design method；fair-faced concrete；mixture proportion；properties虑流动性的基础上，确定合理的水泥浆富裕系数，并利用粉煤灰掺合料的润滑技术，把混凝土最主要的劣化组分-水泥浆量尽 可能降至最少，使得可透水的毛细孔隙降至最低或迫使路径拉 长，通过火山灰反应，改变水泥浆体的空间网络并使之致密化， 同时改善骨料-浆体界面的密实性，降低渗透性
9、，为配制索塔清水混凝土时减少水泥用量，同时获得具有良好工作性、耐久性、生态性和经济性的致密混凝土奠定基础。1混凝土原材料水泥采用华新阳新水泥有限公司的 PII 42.5 级水泥，表观密 度 3 100 kg/m3，3、28 d 抗压强度分别为 28.0、50.5 MPa；粉煤灰 为华能阳逻电厂 I 级粉煤灰，表观密度 2 120 kg/m3；粗集料为湖 北阳新金峰碎石场生产的二级配石灰岩碎石，4.759.5 mm 与 9.519 mm 粒级搭配合比例 37，压碎值 9.6%，表观密度 2 756 kg/m3， 针片状颗粒含量 2.8%，含泥量 0.44%；细集料为江西丰城赣江0引言九江长江公路
10、大桥主桥设计为双塔双索面单侧混合梁斜拉桥， 索塔为 H 形混凝土桥塔，南塔高 230.854 m，北塔高 242.308 m， 混凝土设计强度 C50。索塔混凝土的施工，除要解决高程泵送、 大体积混凝土的温控防裂技术难题外，外观质量还要求达到清 水混凝土标准1。清水混凝土将结构与装饰功能合二为一，对混 凝土材料的施工质量和耐久性要求更为严格。因而，清水混凝土 的配合比设计非常重要，应具备良好的工作性和致密的、匀质 的结构。致密配合比法2-3乃基于骨料致密堆积所发展起来的混凝 土配合比设计方法，该法将粗、细骨料和矿物掺合料视为混凝 土的“骨架”体系，首先进行致密配合比设计，提升骨架的紧密度，以达
11、到最低孔隙率，获得最大单位密度。同时，将水和水泥（水泥浆）视为另一体系，根据二体系间的互补关系，在充分考收稿日期：2012-04-14基金项目：江西省交通运输厅科技项目（2010C00009）100河砂，细度模数 2.8，表观密度 2 673 kg/m3，含泥量 0.9%；外加剂选用 MAPEI SX-C18 缓凝型聚羧酸盐高效减水剂，固含量 29.4%。2试验原理致密配合比法以大量体积稳定的骨料为骨架，使粗细骨料 的堆积密度达到最大，从而使水泥混凝土的结构达到最密实的程 度，在保证混凝土的强度的同时最大程度的降低了水泥的用量。 致密配合比法设计混凝土的原理4，是通过寻求混凝土中 的粗细骨料的
12、最大密度来寻找最小孔隙率，通过曲线拟合可以 得出骨料间的最佳比例。粉煤灰的密度和细度均比砂小，从材 料堆积理论上讲，密度小的材料填充密度大的材料，其曲线会 表现为具有峰值的抛物线形式。按四分法取料，进行最密密度 测定，将试验数据通过曲线拟合得出最佳填塞率 、，获得最大 堆积密度 Uw。致密配合比设计法首先将不同比例的粉煤灰与砂 进行充填单位重试验，获得最大单位重，再以粉煤灰与砂为细 骨料与石子进行充填单位重试验，从而获得三者最大单位重。由此可计算出最小孔隙率 Vv，所需要的填塞和润滑水泥浆量：n 水泥浆量的富裕系数。然后依据强度和耐久性需求设定水胶比；最后求出拌和水量。3致密混凝土配合比优化设
13、计采用粉煤灰先填充中砂，二者最佳混合物再填充碎石，相关 参数的物理意义为：圯mfms圯=m +m圯mf =1-圯圯圯 sf（ ）2圯圯mf +ms（1-）ms圯=圯m =圯g圯 圯ms+mf +mg-式中：mf 粉煤灰的质量；ms 砂的质量；mg 石的质量； 粉煤灰填充河砂的填塞率； 粉煤灰与河砂的混合物填充碎石的填塞率。3.1最佳填塞率 与最大堆积密度 Uw 的确定将粉煤灰按照填塞率 =620%的比例掺入到河砂中，混合 均匀，采用四分法取料将混合物按标准方法加入 5 L 容量桶中振实，称量并计算振实堆积密度，每组测 3 组数据，计算算术平均值，结果见表 1。Vp=Vv+st=nVv式中：s
14、骨料表面积；t 包裹于骨料表面的润浆厚度；（1）表 1不同填塞率 及对应的堆积密度 Uw0.060.080.090.100.110.120.130.140.150.160.180.20Uw（/ kg/m3）1 810.51 829.91 838.81 857.21 8581 867.21 8731 863.31 852.91 8531 835.81 813.3以填塞率 为横坐标，堆积密度 Uw 为纵坐标，作图如图 1所示。采用 Origin 软件对试验数据进行二次拟合，得出二次拟合 曲线方程 Y=1 671+2 944X-11 221X2，R2=0.93，其中 Y=Uw，X=。 对方程进行求一
15、阶导数，并令其为 0，求得 =13%，即为粉煤灰填充中砂的最佳填塞率为 13%。将 =13%代回方程，即可求得粉 煤灰与砂的最大堆积密度 Uw=1 864.1 kg/m3。3.2最佳填塞率 与最大堆积密度 Uw 的确定将粉煤灰与河砂的最佳混合物按照填塞率 =37%55%的 比例掺入到碎石中，混合均匀，采用四分法将混合物按标准方法加入 10 L 容量桶中振实，测其振实堆积密度，每组测 3 组数据，计算算术平均值，结果如表 2 所示。以填塞率 为横坐标，堆积密度 Uw 为纵坐标，作图如图 2所示。采用 Origin 软件对试验数据进行二次拟合，得出二次拟 合曲线方程，Y=951+5 212X-5
16、804X2，R2=0.77，其中 Y=Uw，X=。对方程进行求一阶导数，并令其为 0，求得 =45%，即粉煤灰与河砂混合物填塞碎石的最佳填塞率为 45%。将 =45%代回方程，即可求得粉煤灰、河砂和碎石的最大堆积密度Uw=2 121.1 kg/m 。3表 2不同填塞率 及对应的堆积密度 Uw0.390.410.430.440.450.460.470.480.490.510.530.55Uw（/ kg/m3）2 0902 1202 117.52 137.52 1302 117.52 107.52 107.52 1052 097.52 0902 062.5浆富裕系数 n=1.2、1.3、1.35、
17、1.4，计算混凝土配合比，如表 3 所示，对应的混凝土拌合物工作性如表 4 所示。由表 3 可以看出，随着水泥浆富裕系数 n 的增加，各“骨 架”材料的用量减少，混凝土体系的密度也随之减小。从表 4 可 以看出，随着水泥浆富裕系数 n 的增加，体系浆体数量增加，拌和物的工作性、包裹性均更佳。其中，A1 配合比的坍落度和扩展 度较小，无法满足高程泵送施工要求；A2、A3 配合比的初始坍落度 220230 mm，扩展度 520550 mm，1 h 坍落度损失仅 10 mm，1 h 扩展度损失 70 mm，分别满足小于 20 mm 和 100 mm 的设计 指标要求，能够进行索塔高程泵送施工，且经济
18、性较好；而 A4 配合比的单位立方米胶凝材料用量超过 500 kg/m3，浆体量过多， 工作性富余大，可以预测其收缩大、水化热温升高，有开裂的风1013.3水泥浆富裕系数 n 的确定依据强度和耐久性需求，设定水胶比为 0.32，分别令水泥表 3致密混凝土配合比计算结果混凝土配合比 （/ kg/m3）胶凝材料用量（/ kg/m3）减水剂掺量/%序号水胶比水泥粉煤灰水砂碎石A1（n=1.20）A2（n=1.30）A3（n=1.35）A4（n=1.40）4414714865010.320.320.320.321.21.21.21.23223553713881191161151131411511561
19、607917697597481 1121 0811 0671 051表 4致密混凝土拌合物的工作性及状态实测密度（/ kg/m3）坍落度 /mm扩展度 /mm编号拌合物状态描述初始1 h初始1 hA1（n=1.20）A2（n=1.30）A3（n=1.35）A4（n=1.40）2 4872 4792 4712 471205220230240140210220220380520550580-460480490拌合物状态描述裹住骨料，有较多露石，混凝土拌合物和易性不良，流动性差，不符合工作性要求拌合物包裹性良好，黏聚性和保水性良好，满足经济性和工作性要求 拌合物包裹性很好，坍落扩展快，黏聚性和保水性
20、良好，满足经济性和工作性要求浆体十分充裕，工作性非常好，但不符合经济性与高体积稳定性要求险，既不经济，亦不耐久。因此，从拌合物工作性能可以初步判定，n=1.3 和 n=1.35 为合理的水泥浆富裕系数。通过致密配合比法设计出工作性满足设计要求的混凝土配合比后，还需对其进一步进行试验验证，检验其是否能够满足所设计的桥梁索塔工程清水混凝土的技术指标，表 5 为综合 性能试验结果。表 5 致密混凝土配合比综合性能试验结果抗压强度 /MPa劈拉强度 /MPa弹性模量 /MPa含气量/%压力泌水/%56 d 电通量/C编号28 d 抗冻性7 d28 d7 d28 d7 d28 d设计指标A2（n=1.3
21、0）A3（n=1.35）3.01.92.04031.834.65054.558.66267.568.6-3.84.1-4.34.63641.240.54045.647.7F200F200从表 5 可以看出，A2、A3 两组配合比的含气量小，体系密实，使得硬化混凝土表面气孔少，有利于清水混凝土的外观质量提 高；压力泌水率 S10 均小于 40%，泵送性能优异；在力学性能方面，A2、A3 配合比的各龄期抗压强度、劈拉强度和弹性模量均超过设计指标，且具有较大富余，保证了混凝土结构质量；在耐 久性方面，两组配合比的 56 d 电通量在 700 C 左右，满足小于1 000 C 的高性能混凝土抗氯离子渗
22、透性要求，抗冻性能也均超过了 F150 的设计要求。对比上述各组拌合物的工作性以及硬化混凝土的物理力 学性能、耐久性能及经济性后，可以确定 n=1.3 为最佳水泥浆富 裕系数。考虑到索塔混凝土的施工需要随泵送高度的不同，配制不同工作性能的混凝土拌合物。特别是 100 m 以上的上、中 塔柱高程及超高程泵送难度大，为减小泵压，保证泵送施工顺利，需适当增加混凝土的胶凝材料的数量，采用水泥浆富裕系数 n=1.35、流动性更大的 A3 配合比会更佳。因此，对于索塔高 性能清水混凝土而言，n=1.3 和 n=1.35 同为最佳水泥浆富裕系数，按此确定的 A2、A3 配合比分别适合于 100 m 以下的中
23、下塔柱和 100 m 以上的上中塔柱的施工。4 工程应用针对索塔高性能清水混凝土 A2、A3 两个配合比，在多次复 盘验证、微调和 4.5 m 标准节段 1/2 模型试验的基础上，确定了 如表 6 所示的 T 中下和 T 上中两个配合比分别用于九江长江公路 大桥主桥索塔中下塔柱和上中塔柱施工，T 中下 、T 上中 与表 3 的 A2、A3 配合比参数相比，胶凝材料用量和水胶比相同，粉煤灰 掺量由 24.6%、23.7%统一降至 22.5%，砂率由 41.6%降至 41%。2011 年 2 月 28 日，开始索塔混凝土的首节段浇筑。除下塔柱起 步段第 1、2 节段采用翻模施工外，后续节段采用液压
24、自动爬模系 统爬模施工，南塔柱分 53 个节段，北塔柱分 54 个节段，标准节段 高度 4.5 m。塔柱外模采用酚醛树脂覆膜的全桦木胶合板（维萨 板）作面板、圆弧倒角采用钢模板，内模采用木模板。经过 1 年多 时间的紧张施工，南、北塔均已封顶，索塔混凝土施工留样的强度 均达到或超过设计要求，塔柱未发现有害结构性裂缝，塔柱表面 平整光滑，无大气孔和明显水线等缺陷，且微小气泡较少，大部分 节段的外观质量达到九江长江公路大桥清水混凝土外观质量验 收标准A 级（优良）要求，少部分节段的外观质量为 B 级（合格）。表 6 九江长江公路大桥索塔施工用清水混凝土配合比及复盘力学性能结果混凝土配合比 （/ k
25、g/m3）抗压强度 /MPa弹性模量 /MPa坍落度/mm扩展度/mm配合比水泥粉煤灰水砂碎石外加剂7 d28 d7 d28 dT 中下T 上中3643761061091501557677591 1031 0915.65.622024055057055.258.968.071.643.444.147.049.0粉煤灰-河砂-碎石骨架体系的最大堆积密度为 2 121.1 kg/m3。（2）水泥浆富裕系数 n=1.3、n=1.35 时最为合理，所对应的A2、A3 两组致密配合比经试验验证，满足索塔 C50 高性能清水 混凝土的工作性、力学性能、耐久性、经济性和外观质量的要求。5结论（1）通过设计“
26、粉煤灰-细骨料-粗骨料”三级骨架密实填充结 构，实现了粒料系统的高密实堆积。粉煤灰填充河砂的最佳填塞率 =13%，粉煤灰与河砂混合物填充碎石的最佳填塞率 =45%时，102下转第 105 页主要结论如下：（1）在水灰比和骨料一定的条件下，水泥用量越大，沉浆厚 度越大；而当水灰比和水泥用量、品种一定的条件下，骨料粒径越大，沉浆厚度越大；当骨料粒径相同，水灰比、水泥品种和用量一定时，碎石骨料的沉浆厚度要比卵石骨料混凝土大，因此， 水泥掺量少、低水灰比、粒径小的卵石混凝土适合配制无砂大 孔生态混凝土，对植被生长有利。（2）无砂大孔混凝土的强度随水泥强度的增加而增加，在水泥、水灰比、骨料品种相同条件下
27、，骨料粒径越小，混凝土强度越 高，而骨料粒径相同条件下，卵石骨料混凝土的强度稍低与碎石混凝土的强度。无砂大孔混凝土的强度随水灰比的增大而呈现先增 大后减小的趋势，且在水灰比大概为 0.35 时发生转折，强度最高，且此时的沉浆层厚度为 0 mm，不会影响植被根系的生长，因此，水灰比为 0.35 是最合适的。综合考虑，本研究得出无砂大孔生态混 凝土采用水泥强度等级为 42.5，水灰比为 0.35，粗骨料采用卵石，级配为 515 mm，具体配合比为水泥水卵石 =150521 500。参考文献：1 李继业.新型混凝土技术与施工工艺M.北京：中国建材工业出版社，2003.2 王培民.新型和特种混凝土配合
28、比设计及施工性能检测实用手册M.北京：中国建材工业出版社，2005.3 冯辉荣，罗仁安，樊建超“. 沙琪玛骨架”绿化混凝土抗压与植草试验研究J.混凝土，2005（7）：49-53.4 孙道顺.无砂大孔绿化混凝土制备的初步研究J.安徽建筑工业学院学报，2004，12（1）：35-39.5 王永福，李彩云.无砂多孔混凝土作承重透水层的施工技术J.施工技术，2002，31（4）：14.6 董建伟，肖新民，石贵余，韩威威.多孔连续型绿化混凝土主要特性研究J.中国水利，2003（6A）：62-63.7 付贵海，张林洪，王苏打，等. 无砂混凝土试验研究 J. 交通科技 ，2004，206（5）：4-6.8
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30、.700 12.700 120.172 08.078 94.490 02.121 52.121 529.982 95.734 24.458 00.761 70.761 738.293 52.771 96.518 41.602 01.602 0333663336633366333663.016 32.390 81.136 10.450 00.450 06.724 02.693 01.496 70.353 60.353 69.994 31.911 41.486 00.127 00.127 012.764 50.924 02.172 80.267 00.267 06.705.312.52*3 d 抗
31、压强度19.027.624.23* *7 d 抗压强度78.7215.0611.70* * * *28 d 抗压强度47.813.468.14* *90 d 抗压强度*注：F0.9（0 3，6）=3.29；F0.9（5 3，6）=4.76；F0.9（9 3，6）=9.78。的经济性和低碳环保性。参考文献：1 吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土M.北京：中国铁道出版社，1999.2 覃维祖.高性能混凝土的回顾与展望J.建筑技术，2004，35（1）：12-16.3 张兰芳.锂渣混凝土的试验研究J.混凝土，2008（4）：44-46.4 赵若鹏.内掺锂渣和硅粉的 100 MPa 高强度大流动性混凝土研究
32、J.工业建筑，2004（12）：61-62.作者简介： 杨恒阳（1986-），男，硕士研究生，研究方向为寒冷干旱区混凝土耐久性。联系地址： 乌鲁木齐市黑龙江路 19 号 新疆水利水电勘测设计研究院供水所（830000）联系电话： 13999826495上接第 102 页（3）采用致密配合比方法设计的 A2、A3 两组 C50 高性能混凝 土配合比，成功应用于九江长江公路大桥南、北两个索塔工程，混凝 土良好的工作性和低含气量，配合良好的施工工艺和清水混凝土模 板处理技术，成型后的塔柱混凝土外观达到清水混凝土的质量要求。性质J.中国土木水利工程学报，1996，8（2）：207-219.3 刘军，王玲玲，王东山，等.混凝土矿质混合料致密配合比设计模式分析J.哈尔滨工业大学学报，2004，36（3）：356-358.4 丁庆军，黄修林，王红喜，等.采用密实骨架堆积法设计高掺量 II 级粉煤灰高性能混凝土J.混凝土，2007（8）：7-10.作者简介： 万纯斌（1971-），男，工程师。联系地址： 江西省九江市三里街 199 号九江市路桥工程处内（332000）联系电话： 13808694735参考文献：1 JGJ 1692009，清水混凝土应用技术规程S.2 黄兆龙，刘俊杰，李隆盛，等.高性能混凝土之致密配合比法与早期105