《混凝土配合比设计案例报告》5300字

混凝土配合比设计案例报告目录TOC\o"1-2"\h\u10866混凝土配合比设计案例报告 1240461.1试验原材料 1213011.1.1胶凝材料 159811.1.2粗骨料 195621.1.3纤维 2227111.1.4其他材料 283351.2混凝土配合比设计 2300611.3混凝土基本力学性能结果与分析 4151281.3.1再生粗骨料取代率对混凝土的基本力学性能的影响 52471.3.2纤维体积掺量对再生混凝土基本力学性能的影响 6326791.4断裂试验方法及试验装置 750851.4.1常用试验方法 7253081.4.2试件制作 7239761.4.3试验装置 81.1试验原材料1.1.1胶凝材料试验使用P.O41.5普通硅酸盐水泥，表观密度为3150kg/m3，比表面积为352m2/kg；粉煤灰等级为Ⅱ级，其表观密度为2300kg/m3，比表面积为442m2/kg。胶凝材料的主要化学成分含量如表2-1所示，其中水泥满足国家标准《通用硅酸盐水泥（GB175-2020）》的要求，粉煤灰满足国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596-2017）》的要求。表2-1胶凝材料化学成分(wt%)成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3SO3MgO其他烧矢量水泥61.5321.704.353.321.921.081.501.60粉煤灰11.2046.3229.516.780.571.341.631.601.1.2粗骨料所用的粗骨料包括天然粗骨料(NA)和再生粗骨料(RA)，NA为粒径5～20mm的连续级配碎石，主要性能满足Ⅰ类骨料的要求[中华人民共和国国家技术监督局.GB/T14684-2011.建设用卵石、碎石[S].中国标准出版社,2012-02-01.]；RA为某建筑拆除废弃混凝土(基体混凝土约为C18，使用年限约30年)，经破碎加工形成粒径为5～20mm的连续级配骨料，其表观密度、含泥量、压碎指标和针片状含量符合Ⅰ类再生粗骨料的要求，吸水率符合Ⅱ类再生粗骨料的要求[中华人民共和国国家技术监督局中华人民共和国国家技术监督局.GB/T14684-2011.建设用卵石、碎石[S].中国标准出版社,2012-02-01.中华人民共和国国家技术监督局.GB/T25176-2010.混凝土用再生粗骨料[S].中国标准出版社,2011-08-01.表2-2粗骨料的物理性能骨料类型表观密度/kg·m-3吸水率/%压碎指标/%含泥量/%针片状含量/%再生粗骨料26534.24131.830.2天然粗骨料26710.743.780.261.451.1.3纤维聚丙烯粗纤维为宁波时科新材料公司生产的高强度聚丙烯纤维，长径比为67，其外观如图2-1所示；使用的PVA纤维为日本可乐丽公司生产的K-Ⅱ型纤维，长径比为300，PVA纤维外观如图2-2所示。两种纤维的物理性能指标见表2-3。表2-3纤维的性能参数纤维类型表观密度/kg·m-3抗拉强度/MPa弹性模量/GPa长度/mm直径/mm聚丙烯粗纤维9106507500.6PVA纤维1300156041120.041.1.4其他材料细骨料使用福州地区的河砂，其表观密度为2600kg/m3，细度模数1.78，符合连续级配要求。混凝土拌合水为福州地区自来水，外加剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为30%。1.2混凝土配合比设计再生混凝土的生产工艺本身是一项变废为宝技术，考虑到工程经济性，将胶凝材料取为390kg/m3，水胶比定为0.42；因试验用砂为细砂，为使拌制的混凝土满足一定的和易性，将砂率取为0.33。配合比设计参考《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2019)》。考虑到再生粗骨料的掺入会降低混凝土的流动性[王健,孟秦倩.再生混凝土基本性能的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2004(02):46-49.]，因此，每组配合比中以30%的粉煤灰等质量取代水泥，以提高再生混凝土拌合物的工作性能[张顺.全再生混凝土高性能化及再循环研究[D].广西大学,2014.]。王健,孟秦倩.再生混凝土基本性能的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2004(02):46-49.张顺.全再生混凝土高性能化及再循环研究[D].广西大学,2014.断裂试验考虑了再生粗骨料取代率、聚丙烯粗纤维体积掺量和PVA纤维体积掺量3个影响因素。再生粗骨料取代率设置了0%、50%和100%三个水平，由表2-2粗骨料的物理性能可知，RA与NA的表观密度相近，因此，在计算不同再生粗骨料取代率的混凝土配合比时，可以将RA以等质量取代NA的方式掺入混凝土中。试验在再生粗骨料取代率为100%的基础上，研究聚丙烯粗纤维与PVA纤维对再生混凝土力学性能的改善效果。聚丙烯粗纤维在较低掺量下对混凝土的增强作用不明显，现有的研究中[68][72][邵运达,李建辉,郭鸿.聚丙烯粗合成纤维混凝土力学性能及其增强机理研究[J].混凝土,2012(04):52-54+57.]，聚丙烯粗纤维在混凝土中的质量掺量普遍取6kg/m3(折算为体积掺量约0.65%)以上，且当纤维质量掺量为13kg/m3(体积掺量约为1.4%)时，纤维对混凝土的增强效果反而有所减弱，同时混凝土的工作性能也会显著降低，聚丙烯粗纤维不能有效发挥出增强增韧的作用。试验参考已有聚丙烯粗纤维混凝土的研究成果，考虑聚丙烯粗纤维体积掺量对新拌混凝土流动性和再生混凝土试件强度的影响，最终选定聚丙烯粗纤维体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%。邵运达,李建辉,郭鸿.聚丙烯粗合成纤维混凝土力学性能及其增强机理研究[J].混凝土,2012(04):52-54+57.聚乙烯醇纤维在普通混凝土中的体积掺量一般为0.1%-0.5%之间[NoushiniA,VessalasK,ArabianG,etal.DryingShrinkageBehaviourofFibreReinforcedConcreteIncorporatingPolyvinylAlcoholFibresandFlyAsh[J].AdvancesinCivilEngineering,2014,2014(2014):355-365.]。本文使用的PVA纤维为日产K-Ⅱ型纤维，文献[宁逢伟,陈波,张丰,等.PVA纤维掺量对水工混凝土抗裂性能的影响[J].水利水电技术,2017,48(2):124-129.]提到：在混凝土中，PVA纤维表面包裹的水是以自由水的形式存在，当PVA纤维混凝土振捣时，纤维表面的水分随之释放，表现出内泌水现象，且随着掺量增大，内泌水现象加重，坍落度也随之减小。考虑到纤维再生混凝土的工作性能，并参考课题组以往的研究成果，最终选定PVA纤维掺量为0.1%、0.2%NoushiniA,VessalasK,ArabianG,etal.DryingShrinkageBehaviourofFibreReinforcedConcreteIncorporatingPolyvinylAlcoholFibresandFlyAsh[J].AdvancesinCivilEngineering,2014,2014(2014):355-365.宁逢伟,陈波,张丰,等.PVA纤维掺量对水工混凝土抗裂性能的影响[J].水利水电技术,2017,48(2):124-129.综上，断裂试验共设计9组配合比，其中，素混凝土试件3组、聚丙烯粗纤维再生混凝土(PPFRC)试件3组、聚乙烯醇纤维再生混凝土(PVAFRC)试件3组。本试验中纤维是采用等体积取代再生粗骨料的方式掺入再生混凝土中。因此，在计算纤维再生混凝土配合比时，要将再生粗骨料的质量进行换算。试验配合比如表2-4所示。表2-4混凝土配合比试验组配合比(kg/m3)水泥粉煤灰砂再生骨料天然骨料水减水剂纤维NC273117617012501645.070RC502731176176256251645.070RC100273117617125001648.970RC100-PP0.5273117617123601649.754.55RC100-PP1.02731176171223016410.149.10RC100-PP1.5273117617121001649.3613.65RC100-PVA0.1273117617124701649.361.3RC100-PVA0.2273117617124401649.751.6RC100-PVA0.32731176171242016411.313.9注:NC表示普通混凝土试件组；RCX表示再生粗骨料取代率为X%的混凝土试件组；RC100-PPY表示再生粗骨料取代率为100%、聚丙烯粗纤维体积掺量为Y%的再生混凝土试件组；RC100-PVAY表示再生粗骨料取代率为100%、聚乙烯醇纤维体积掺量为Y%的再生混凝土试件组，余同。1.3混凝土基本力学性能结果与分析为了避免纤维再生混凝土在搅拌过程中发生团聚现象，试验采用干拌法拌制混凝土，搅拌流程如图2-3所示。试验根据国标《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2016)》的要求，对混凝土立方体试块分别进行7d和28d龄期的抗压强度和劈裂抗拉强度的测定，试验结果见表2-5。根据表2-5中各试验组所测定的结果，分析再生粗骨料取代率、聚丙烯粗纤维体积掺量及PVA纤维体积掺量对再生混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。本文中，若无特别说明混凝土强度的龄期，均指28d龄期。表2-5混凝土基本力学性能试验组混凝土基本力学性能抗压强度(MPa)劈裂抗拉强度(MPa)7d28d7d28dNC31.6241.363.565.16RC5027.2143.273.204.78RC10030.4645.083.134.57RC100-PP0.534.6647.254.535.69RC100-PP1.035.0248.994.525.74RC100-PP1.531.1248.595.186.53RC100-PVA0.126.1239.353.524.61RC100-PVA0.227.4241.674.305.25RC100-PVA0.325.5340.773.995.101.3.1再生粗骨料取代率对混凝土的基本力学性能的影响不同RA取代率下，混凝土7d和28d龄期的基本力学性能如图2-4所示。由图2-4(a)可知：再生粗骨料的加入对混凝土不同龄期的抗压强度影响不同，7d抗压强度有所下降，但28d抗压强度略有提高；而RC100不同龄期的抗压强度均高于RC50。这是因为：混凝土的抗压强度主要取决于骨料、基体的强度以及混凝土的密实程度。当再生粗骨料取代天然粗骨料时，由于再生粗骨料吸水率较高，在拌合水用量一定的情况下，再生粗骨料吸水增多导致混凝土基体中实际参与拌合的水更少，因此混凝土基体实际的水胶比低于配合比设计值，混凝土基体的强度得到一定的提升。混凝土的密实程度可借助Dinger-Funk紧密堆积模型[BrouwersHJH.Theroleofnanotechnologyforthedevelopmentofsustainableconcrete[J].ACISpecialPublication，2008，254:69-91.]来解释，该模型在经典的连续颗粒尺寸堆积与分布理论方程Andreessen方程[HEYebang，Sawulet·BEKEY，LIUJi.StudyonmixproportiondesignofdesertsandconcretebasedonDinger-Funkequation[J].Concrete,2018(04):145-150.]的基础上，考虑了固体原料最小粒径的限制后进行了优化，得到式(2-1)：BrouwersHJH.Theroleofnanotechnologyforthedevelopmentofsustainableconcrete[J].ACISpecialPublication，2008，254:69-91.HEYebang，Sawulet·BEKEY，LIUJi.StudyonmixproportiondesignofdesertsandconcretebasedonDinger-Funkequation[J].Concrete,2018(04):145-150.(2-1)式中：为粒径小于的累积百分数，为最小颗粒粒径，为最大颗粒粒径，为分布系数。其中，值较小时（）适用于混凝土中细骨料较多的情况，值比较大时（）适用于粒径级配较大的情况[HüskenG,BrouwersHJH.Anewmixdesignconceptforearth-moistconcrete:Atheoreticalandexperimentalstudy[J].CementandConcreteResearch,2008,38(10):1246-1259.][BrouwersHJH,RadixHJ.Self-compactingconcrete:theoreticalandexperimentalstudy[J].CementandConcreteResearch,2005,35(11):2116-2136.]。HüskenG,BrouwersHJH.Anewmixdesignconceptforearth-moistconcrete:Atheoreticalandexperimentalstudy[J].CementandConcreteResearch,2008,38(10):1246-1259.BrouwersHJH,RadixHJ.Self-compactingconcrete:theoreticalandexperimentalstudy[J].CementandConcreteResearch,2005,35(11):2116-2136.结合试验所用粗骨料的颗粒级配曲线，分别选取为0.25和0.3时，计算不同再生粗骨料取代率下粗骨料颗粒级配曲线和Dinger-Funk紧密堆积理论方程之间的标准差。如REF_Ref12707\h图2-5所示，时与实际粗骨料级配曲线更相近。经计算得，再生粗骨料取代率为0%、50%、100%时，与理论方程的标准差分别为0.397、0.392、0.387，表明再生粗骨料取代率越高，骨料堆积越紧密。因此，虽然再生粗骨料压碎指标大于天然粗骨料，一般情况下会导致再生混凝土的抗压强度小于普通混凝土，但因试验使用的再生粗骨料吸水率较大，导致基体强度会大于配合比设计值，且本试验中，随着再生粗骨料取代率的提高，混凝土中粗骨料颗粒级配越接近紧密堆积状态，有利于混凝土抗压强度的提高。由图2-4(b)可知：再生粗骨料的掺入降低了混凝土立方体试块的劈裂抗拉强度，再生粗骨料取代率越高，劈裂抗拉强度越低，这与文献[朋改非,黄艳竹,张九峰.骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响[J].建筑材料学报,2012,15(1):80-84.][孙冰,肖茁良,陈露辉,李一鸣,蒲华乔.再生混凝土力学性能研究进展[J].硅酸盐通报,2017,36(02):496-501.]的结论一致。尽管再生粗骨料的掺入会降低混凝土基体实际的水胶比，但是混凝土本身抗拉强度与抗压强度有较大差异，水胶比的减少对混凝土基体抗裂性能的贡献非常有限。研究表明：混凝土的劈裂抗拉强度不仅取决于水泥砂浆基体的强度，还取决于骨料的强度以及骨料与基体的粘结强度[肖建庄,雷斌,袁飚.不同再生粗集料混凝土劈裂抗拉强度分布特征[J].建筑材料学报,2008(02):223-229.]，再生混凝土中低强度的再生粗骨料更易断裂，且多重薄弱界面更有利于裂缝的发展，再生粗骨料越多，混凝土整体的缺陷也越多，因此，朋改非,黄艳竹,张九峰.骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响[J].建筑材料学报,2012,15(1):80-84.孙冰,肖茁良,陈露辉,李一鸣,蒲华乔.再生混凝土力学性能研究进展[J].硅酸盐通报,2017,36(02):496-501.肖建庄,雷斌,袁飚.不同再生粗集料混凝土劈裂抗拉强度分布特征[J].建筑材料学报,2008(02):223-229.1.3.2纤维体积掺量对再生混凝土基本力学性能的影响不同聚丙烯粗纤维体积掺量下，PPFRC的基本力学性能如图2-6所示。由试验结果可知：聚丙烯粗纤维的掺入提高了RC100的立方体抗压强度，当纤维体积掺量达到1.0%后，提升幅度有所下降。纤维体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，PPFRC的7d抗压强度较RC100分别提高了13.79%、14.97%、5.45%，28d抗压强度较RC100分别提高了4.81%、8.67%、7.79%。聚丙烯粗纤维的掺入显著提高了RC100的劈裂抗拉强度。再生混凝土开裂后，因其抗拉强度较低，裂缝会迅速扩展导致破坏，而聚丙烯粗纤维因表面凹凸刻痕的存在，可与再生混凝土基体形成较强的粘结，在混凝土受拉过程中可有效桥接裂缝两侧基体，阻碍了宏观裂缝的开展，使得劈裂抗拉强度有所提高。当聚丙烯粗纤维体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，PPFRC的7d劈裂抗拉强度较RC100分别提高了44.73%、44.41%、65.5%，28d劈裂抗拉强度较RC100分别提高了24.51%、25.6%、41.89%。不同聚乙烯醇纤维体积掺量下，PVAFRC的基本力学性能如图2-7所示。由图2-7可知，PVA纤维的掺入降低了RC100试块的抗压强度，这与文献[86]的结果相似。当纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%时，PVAFRC试块的7d抗压强度较RC100分别降低了14.25%、9.98%、16.19%，28d抗压强度较RC100分别降低了11.71%、7.56%、9.56%。PVA纤维的掺入可提高RC100试块的劈裂抗拉强度，当纤维体积掺量达到0.2%后，提升幅度有所下降。由于聚乙烯醇纤维直径较小，掺入再生混凝土中可以缓和基体中初始裂缝尖端处的应力集中，减少混凝土中初始裂缝的发展，而聚乙烯醇纤维又具有亲水性，可与再生混凝土基体形成较强的界面粘结，在微裂缝发展成宏观裂缝的过程中可以有效阻止裂缝的开展，从而提高再生混凝土的劈裂抗拉强度。当聚乙烯醇纤维掺量继续增大时，纤维分散性降低，在再生混凝土基体中易出现成团现象，形成薄弱区，抵消了聚乙烯醇纤维的部分增强作用。当纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%时，7d劈裂抗拉强度分别提高了11.46%、37.38%、27.48%，28d劈裂抗拉强度分别提高了0.88%、14.88%、11.60%。1.4断裂试验方法及试验装置1.4.1常用试验方法在实际工程中，混凝土构件最常见且危害最大的裂缝类型为张开型裂缝，又称I型裂缝。研究表明，在复合受力状态下，实际裂缝的断裂特性可用张开型裂缝的断裂特征反映，且考虑到结构的安全性，常常将工程中的实际裂缝当作张开型裂缝来处理。测试张开型裂缝的断裂参数对混凝土断裂性能的研究有重要作用。混凝土断裂试验方法主要有：(1)楔入劈拉法：通过传力装置将试验机施加的竖向压力转换为与裂缝面垂直的水平拉力，从而形成与张开型裂缝相同的受力状态；其试件的制作较为方便，且试验操作简单，但其装置在加工过程中存在的质量问题会引起实验中受力偏心而产生附加弯矩，使试验结果会有所偏差。(2)三点弯曲梁法：是由RILEM混凝土断裂委员会所推荐的[Netanswer.FMC1Determinationofthefractureenergyofmortarandconcretebymeansofthree-pointbendtestsonnotchedbeams,1985[J].Materials&Structures.]，具有明确的断裂参数计算公式，适用于张开型裂缝；其所需的试验设备较为常规，简便易行，且对试验条件要求不严格，可在一般实验室进行；目前，三点弯曲梁法是应用最为广泛的一种混凝土断裂参数测试方法。因此，本文选取三点弯曲梁法作为断裂试验方法。Netanswer.FMC1Determinationofthefractureenergyofmortarandconcretebymeansofthree-pointbendtestsonnotchedbeams,1985[J].Materials&Structures.1.4.2试件制作由文献[吴智敏,徐世烺,王金来,等.三点弯曲梁法研究砼双K断裂参数及其尺寸效应[J].水力发电学报,2000(4):15-24.][徐世烺,周厚贵,高洪波.各种级配大坝混凝土双K断裂参数试验研究[J].土木工程学报,2006,39(11):50-61.]可知，当三点弯曲梁试件的高度不低于200mm时，试验得出的混凝土双K断裂参数没有明显的尺寸效应。为了便于实验室研究，本文将三点弯曲梁试件