文｜貴州省水利科學(xué)研究院 令疆宇丹

1 引言

2 特細砂混凝土配合比設(shè)計

2.1 混凝土配置強度

混凝土對配置強度具有一定的要求，滿足強度條件后才能夠進行使用，否則將會對水利工程質(zhì)量造成影響。混凝土強度等級用“號”進行表示，如C40、C50 等。在水利工程中，混凝土需要承受較大的壓力，因而對混凝土的強度要求較高，若混凝土強度不符合要求，則需要重新對混凝土進行配置，進而造成材料的浪費。因此，需要嚴格按照配合比對混凝土進行配置，使混凝土具有良好的配置強度?；炷僚渲脧姸刃枰哂?5%的保證率，這樣的強度才能夠符合標準，使混凝土能夠順利地投入到水利工程中。混凝土強度計算公式如下：

其中，fcu,o為強度等級（MPa），fcu,k為配置輕度（MPa），σ 為標準差（MPa），通常取5MPa。以C40、C50 為例，對應(yīng)的配置強度分別為48.2MPa、58.2MPa，進而得到對應(yīng)強度等級的配置強度。

2.2 水膠比與用水量

通過水膠比可以反應(yīng)凝膠材料的用量，對混凝土強度具有一定的影響。水膠比與骨料種類、配置強度具有密切的關(guān)系，需要基于這兩者進行計算。另外，還會受到抗壓強度的影響，所有水膠比（W/B）計算方法如下：

其中，αa、αb為骨料的回歸系數(shù)，取值為0.53、0.20；fb為抗壓強度。通過上式可知，在回歸系數(shù)、配置強度不變的情況下，水膠比主要受到抗壓強度的影響，調(diào)整抗壓強度是提高水灰比例的關(guān)鍵。

混凝土用水量主要由坍落度決定，通常情況下，混凝土坍落度一般在120-160mm 之間，對應(yīng)的單位用水量為215kg。同時，還會受到減水率的影響，本試驗減水率控制在20%-25%之間?；炷劣盟坑嬎愎饺缦拢?/p>

其中，mw0為用水量，mw為單位用水量，δ 為減水率。當mw＝215kg，20%≤δ≤25% 時，混凝土用水量在161-172kg 之間，取兩者的平均值167kg 作為用水量即可。

2.3 膠凝材料用量

凝膠材料可以增強混凝土的膠結(jié)作用，使混凝土之間能夠快速地粘合，形成良好的膠凝效果。膠凝材料需要按照一定的配比進行添加，嚴格對摻量進行控制，進而形成正確的配合比。膠凝材料主要為水泥、礦物摻和料，需要通過計算的方式得到確切的用量，提高膠凝材料的摻和精度。膠凝材料用量受到水膠比的影響，用水量mho（kg/m3）可以通過計算得到，所以膠凝量mb0＝mho/(W/B)，進而完成膠凝總量的計算。規(guī)定礦物摻合料的摻量為γ（%），則可以得到對應(yīng)的用量為γmb0。再從凝膠總量中去除礦物摻合料便可以得到水泥用量，即mho-γmb0。通過上述方法，便可以完成凝膠材料用量的計算，使用量能夠得到較為準確地評估，進而保障凝膠材料配合比的合理性，使凝膠材料得到正確的使用。

2.4 含砂率及骨料用量

含砂率對混凝土性能具有較大的影響，需要做好含砂率的計算工作，確定砂石的具體摻量，保障砂石使用的合理性。含砂率由砂和石的質(zhì)量進行求得，計算公式如下：

砂與石在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，但在建筑工程中以粒徑對砂與石進行規(guī)定，具體規(guī)則如下：當粒徑≤5mm 時，則為砂；當粒徑≥5mm 時，則為石。在混凝土配置過程中，含砂率選擇具有如下規(guī)律：第一，當粗集料用量較多時，需要增加含砂率，形成良好的級配關(guān)系；第二，當細沙用量較多時，為了使含水率降低，需要增加粗砂的用量。實際上，含砂率一般采用試配的方式，按照1%-2%的幅度進行遞增，進而得出最佳的含砂率配比。

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在骨料用量方面，一般采用質(zhì)量法進行計算，含砂率Sp與粗、細集料的質(zhì)量（mg、ms）具有如下關(guān)系：

2.5 試配及配合比調(diào)整

配合比計算工作完成后，需要對混凝土進行試配，對材料的摻量進行調(diào)整，使特細砂混凝土具有良好的性能。在試配過程中，需要保證水膠比不變，將水膠比作為參考標準展開計算。以C30 混凝土配置為例，需要對水膠比與抗壓強度的關(guān)系進行確定，如圖1所示。由曲線可知，水膠比與抗壓強度為線性關(guān)系，在實際配置過程中，水膠比需要略大一些，使配置強度能夠得到保證。

圖1 C30 混凝土水膠比與抗壓強度關(guān)系曲線

本試驗中，經(jīng)過計算C30 混凝土對應(yīng)的水膠比為0.48，需要通過上述公式，圍繞該數(shù)據(jù)對用水量、骨料用量等進行計算，使混凝土配合比能夠得到確定。在試配過程，需要根據(jù)理論值對配合比進行調(diào)整，最終得到的混凝土配合比見表1所示。

表1 C30 混凝土配合比

3 特細砂混凝土力學(xué)性能試驗

3.1 抗壓強度試驗

本試驗為立方體抗壓強度試驗，將C30 混凝土進行制樣，制作成200mm×200mm×200mm 的立方體，將其作為試樣進行試驗。試驗步驟如下：試樣制作完成后，通過壓力試驗機進行試驗，對混凝土立方體進行持續(xù)加壓，加壓速率為0.4MPa/s。由試驗機對受力情況進行記錄，直至立方體遭到破壞后停止記錄，標志著試驗過程結(jié)束。特細砂含量對抗壓強度具有一定的影響，需要對特細砂含量與強度關(guān)系進行分析，采用特細砂含量為15%、30%、45%的試樣進行試驗，采用上述試驗方法進行壓力測試，得到壓力極限值分別為3.5MPa、2.2MPa、1.5MPa。上述數(shù)據(jù)表明，特細砂含量越高，混凝土的壓力極限值就越小，不利于混凝土抗壓強度的提升。因此，將特細砂的含量控制為15%較為合適。

3.2 抗拉強度試驗

本試驗為劈裂抗拉試驗，用于對混凝土抗拉強度進行測試，采用C30 混凝土進行制樣，制作成120mm×120mm×120mm的立方體，試驗流程如下：將試樣置于承壓板中心進行試驗，對立方體中心進行加壓，同時需要對加壓速率進行控制，采用0.06MPa 的速率進行加壓，對立方體的破壞荷載進行記錄。特細砂含量對抗拉強度具有一定的影響，需要通過試驗的方式進行分析，采用特細砂含量為15%、30%、45%的試樣進行試驗，通過上述方式對抗拉極限值進行測試，得到抗拉極限值分別如下：3.8MPa、2.1MPa、1.6MPa。抗拉強度隨著特細砂含量的增加而增加，特細砂含量為15%是抗拉強度最大。特細砂屬于細骨料，有助于顆粒間的接觸，使混凝土的抗拉強度能夠增加，因而特細砂有助于抗拉強度的提升。

3.3 彈性模量試驗

本試驗需要在靜壓條件下進行，對混凝土的彈性模量進行測試，采用C30 混凝土進行制樣，制作成200mm×200mm×300mm 的長方體，試驗流程如下：將試樣置于承壓板上，在混凝土中心處逐漸增加壓力，對彈性模量進行測試。壓力增加速率為0.05MPa，每個壓力值需要保持30s，使彈性模量穩(wěn)定后再進行測試，保障測試結(jié)果的精準程度。在試驗過程中，當變形量超出20%平均水平時，需要重新進行試驗，判斷是否是由于測量不準造成的。特細砂含量對彈性模量的影響試驗如下：采用特細砂含量為0%、15%、30%、45%的試樣進行測量，對彈性模量的最大值進行測試，得到對應(yīng)的數(shù)值 如 下：41.35GPa、43.49GPa、42.75GPa、42.02GPa。由此可見，特細砂含量為15%時，混凝土的彈性模量最大，具有良好的彈性恢復(fù)能力。

3.4 收縮性能試驗

混凝土在使用過程中具有收縮現(xiàn)象，一旦收縮量過大，混凝土將會難以恢復(fù)，甚至產(chǎn)生開裂問題，對混凝土施工質(zhì)量造成影響。采用C30 混凝土進行制樣，制作成100mm×100mm×500mm 的長方形，通過收縮變形測定儀進行試驗，對混凝土的收縮性能進行測試。收縮性能試驗步驟如下：在常溫下對試件的正常收縮情況進行測試，采用手動振搗方式使試件成型，對試件的形變情況進行測試。形變量需要通過測定儀進行讀數(shù)，分別對初凝與成型兩個時間點進行測試，對試件的收縮性進行檢驗。采用特細砂含量為15%、30%、45%的試樣進行測量，對應(yīng)的收縮變化率分別為75.3%、92.5%、119.7%。在收縮變化方面，特細砂含量為30%時，收縮變化較為正常，試件收縮后能夠進行恢復(fù)，可以保障混凝土的收縮性能。

4 特細砂混凝土抗?jié)B性能試驗

4.1 含砂率對抗?jié)B性能影響

含砂率對抗?jié)B性能具有一定的影響，需要采用試驗的方式對兩者的影響進行探究。在試驗條件方面，采用水膠比為0.48的C30 混凝土進行試驗，對含砂率與抗?jié)B性能的關(guān)系進行分析?？?jié)B性能可由滲透系數(shù)進行量化，這樣便可以準確地對抗?jié)B性能進行分析。通過試驗測定，可以得到含砂率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。從整體效果來看，滲透系數(shù)隨著含砂率的增加而減少，并且減少幅度逐漸下降。從含砂率17%至21%，含砂率對滲透系數(shù)的影響較大，而含砂率大于21%之后，滲透系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，下降幅度不再明顯。滲透系數(shù)與抗?jié)B性能呈現(xiàn)反比關(guān)系，抗?jié)B系數(shù)越小，抗?jié)B性能越強。由此可見，最佳含砂率為21%，此時混凝土具有良好的抗?jié)B性能，能夠降低水分的滲透作用。

圖2 含砂率與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

4.2 粉煤灰摻量對抗?jié)B性能影響

粉煤灰摻量同樣會對滲透性造成影響，為了保證分析結(jié)果的準確性，需要通過試驗的方式進行分析。經(jīng)過試驗分析，可以得到如圖3所示的關(guān)系曲線。從整體效果來看，隨著粉煤灰摻量的增加，滲透系數(shù)先減小、后增大。在這種情況下，滲透系數(shù)便存在最小值問題，同時在該處混凝土的抗?jié)B性能最強。當粉煤灰摻量為20%，抗?jié)B系數(shù)最?。划敺勖夯液繛?5%、25%時，抗?jié)B系數(shù)基本相同，并且曲線呈現(xiàn)近似對稱。由此可見，在對粉煤灰摻量進行選擇時，為了降低材料的消耗，需要在15%-20%之間進行選擇，這樣可以有效地對粉煤灰的用量進行限制，有助于混凝土成本的節(jié)約，并且保障混凝土的抗?jié)B性能。

圖3 粉煤灰含量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

4.3 滲水性能試驗結(jié)果分析

為了進一步對混凝土滲透性能進行分析，需要進行滲透深度試驗，確定水分對混凝土的實際影響，保障混凝土具有較強的抗?jié)B能力。采用特細砂含量為15%、30%、45%的混凝土進行試驗，試樣規(guī)格為100mm×100mm×200mm。將制樣置于盛水容器中，靜置24h。然后，需要水分滲透深度進行測試，對混凝土的滲透性能進行分析。采用Minitab 對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使混凝土滲透情況能夠得到對比。經(jīng)過測試，對應(yīng)的滲透深度分別為10mm、8mm、5mm，特細砂含量越高，混凝土對應(yīng)的空隙越小，滲水抗性越強。滲透深度越小，說明混凝土對水分的阻礙作用越強，將其應(yīng)用在水利工程中越有利，能夠為水利工程的抗?jié)B能力提供重要保障。由此可見，特細砂含量為15%時，混凝土的滲透性能最強，進而使混凝土具有良好的抗?jié)B性能。

5 結(jié)論

綜上所述，特細砂混凝土對配合比具有較高的要求，一旦配合比不合理，將會對混凝土的強度造成影響，導(dǎo)致混凝土無法進行使用。在水利工程施工前，需要對混凝土的性能進行分析，使混凝土的強度能夠得到保障，防止混凝土結(jié)構(gòu)受到損傷。同時，還需要具有較強的抗?jié)B性能，降低水域環(huán)境對混凝土的侵蝕，保障混凝土符合水利工程施工的特點。