一种粉煤灰混凝土及其配合比设计方法

摘要

本发明涉及建筑材料制作技术领域，尤其是一种粉煤灰混凝土及其配合比设计方法，通过对粉煤灰混凝土中的原料进行控制，进而使得各原料之间的加入呈现出一定的规律，使得在满足这种规律的前提下，提高了粉煤灰混凝土的性能，提高了产品的强度和膨胀收缩性能；并且结合对粉煤灰混凝土配合比的设计思路进行调整，进而使得在进行粉煤灰混凝土配合比设计时，能够更加的科学性与合理性，使得粉煤灰混凝土或者采用粉煤灰混凝土浇注的产品的强度和膨胀收缩性能能够被兼顾，进而最大程度的改善了粉煤灰混凝土的性能，降低了粉煤灰混凝土配合比设计的误差，降低了粉煤灰混凝土设计的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料制作技术领域，尤其是一种粉煤灰混凝土及 其配合比设计方法。

背景技术

随着各种现代新型混凝土的不断发展和新技术的出现，混凝土的 材料组成逐渐复杂化，对拌合物的工作性及硬化后混凝土的力学、耐 久性能、热学等性能的要求也越来越高。依据普通混凝土组成与性能 的一般性规律计算得到的粗略初始配合比，再经试配调整得到以强度 为主要指标的最终配合比的传统的配合比设计方法“计算——试配 法”已经不能满足现代混凝土在材料和性能上的高要求。

因此，有研究人员采用全计算配合比设计法来替代传统的查表取 值经验值的配合比设计方法，进而提高了混凝土配合比设计方法的科 学性以及合理性，使得混凝土的配合比设计方法从原来的半定量到定 量、从经验到科学的变化，创新了混凝土配合比设计方法，改善了混 凝土的性能。

但是，随着工业废弃物的不断增多，人们将工业固体废弃物(如， 粉煤灰等)掺入混凝土中作为原料来对混凝土进行配制，进而减少了 工业固体废弃物的排放量和处理量，降低混凝土的配制成本；而混凝 土的性能由于原料的组配方式和配比不同，其最终的产品的性能也将 会不同。比如，浆骨比较低，将会导致混凝土的膨胀收缩性能受到限 制，降低混凝土的膨胀收缩性能，进而影响混凝土浇注产品的质量； 再如浆骨比较大，则会导致混凝土浇注的产品的强度较低。因此，合 理的设计混凝土配合比，能够为改善混凝土的性能提供优异的条件， 也是改善混凝土产品性能的关键因素之一。

而目前较为普遍的是将粉煤灰作为外掺物添加在混凝土原料中 进行粉煤灰混凝土的制备。传统的混凝土配合比设计方法很难满足现 代混凝土多样性的需求，同时现有技术中的全计算法对粉煤灰在胶凝 材料中掺入量采用假设的方式，提出的“干砂浆模型”假定混凝土由 水、水泥、细掺料(粉煤灰)、空气、砂、石等部分组成，对应的体 积分别为V_w、V_c、V_f、V_a、V_s、V_g。V_e为浆体体积(L)，V_es为干砂 浆体积(L)，即水泥与细掺料体积之比为则当掺加各种 不同数量细掺料时单方混凝土用水量的计算通式为：

质量砂率计算的通式为：

$S_p=\frac{(V_{\mathrm{es}}-V_e+W){\rho }_s}{(V_{\mathrm{es}}-V_e+W){\rho }_s+(1000-V_{\mathrm{es}}-W){\rho }_g}*100\%$

对于上述的两个公式的求解，起决定因素的是V_e:(V_s+V_g)(浆骨 比)，使得整个配合比设计过程中，需要进行多次的假定设计，进而 导致全计算法在粉煤灰混凝土的配合比设计中难有普适性，使得制作 的粉煤灰混凝土的性能以及采用该法配制出的混凝土浇注的产品的 性能均不理想，难以满足市场的需求。

同时，根据基础研究结论可以得知，粉煤灰作为组份配入混凝土 原料中时，往往会导致混凝土的结构性能发生较大的变化，进而使得 粉煤灰混凝土的强度以及膨胀收缩性能难以得到兼顾。

因此，本发明的研究者基于上述的技术问题，对粉煤灰混凝土设 计过程中，原料的配合比应当符合的规律做出了研究，使得该粉煤灰 混凝土的强度性能和膨胀收缩性能能够得到同时兼顾，同时也为粉煤 灰混凝土配合比设计技术领域提供了一种新思路，从而提供了一种新 型混凝土。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种能够 较为准确的定量配制粉煤灰混凝土中的粉煤灰掺量的配合比设计方 法。该方法配制的混凝土使得粉煤灰混凝土的强度性能和膨胀收缩性 能均能够得到改善，改善了粉煤灰混凝土配合比设计方法以及该方法 设计出来的粉煤灰混凝土质量，并对该粉煤灰混凝土中的各原料的配 合比应当满足的要求和规律进行限制，最终提高了粉煤灰混凝土的性 能。

具体是通过以下技术方案得以实现的：

一种粉煤灰混凝土，该粉煤灰混凝土由骨料、胶凝材料和外加剂 组成，其中胶凝材料由水泥和粉煤灰组成，并且粉煤灰混凝土中的浆 骨比随着粉煤灰的掺量增加而降低；胶凝材料中的膨胀剂掺量范围与 粉煤灰掺量值成反相关。

所述的骨料为砂子和石子，其中砂子为中砂，细度目数在2.3～3.0； 石子为最大粒径为40cm的连续级配的砾石。

所述的膨胀剂为WG-CMA三膨胀源膨胀剂。

所述的减水剂为ZWL-A型高效减水剂。

所述的减水剂的掺入量为胶凝材料总重量的0.75％。

所述的浆骨比的变化范围为32.5/67.5至37.5/62.5。

所述的胶凝材料中的膨胀剂掺量范围与粉煤灰掺量值成反相关， 当粉煤灰掺量占总原料重量<10％时，膨胀剂掺量为>12％；当粉煤灰 掺量占原料重量>10％时，膨胀剂掺量为<12％；即，当粉煤灰掺量为 原料重量10％时，膨胀剂的掺入量为10-12％；当粉煤灰掺量为原料重 量30％时，膨胀剂的掺量为8-10％。

上述粉煤灰混凝土原料配合比设计方法，为采用全计算法对粉煤 灰混凝土原料配合比进行设计。具体在配合比设计方法中，将粉煤灰 体积掺量设为水泥百分率设为β_C、粉煤灰超量系数设为δ_C、粉煤 灰密度设为ρ_f、水泥密度设为ρ_c；并对粉煤灰掺入量不在依据经验 得到而是通过下式精确得到：

其他步骤按照全计算法进行计算，即可获得粉煤灰混凝土恰当的 配合比。

本研究中粉煤灰混凝土的水泥采用冀东水泥厂生产的盾石牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理、力学性能指标分别见表1-1、表1-2。

表1-1水泥主要物理性能指标

表1-2水泥主要力学性能指标

本研究采用的砂子和石子的性能指标见表1-3，其中砂子为中砂， 石子为最大粒径不超过40cm的砾石。

表1-3骨料主要物理性能指标

本研究采用大唐彬长发电厂生产的二级粉煤灰，其性能指标见表 1-4。

表1-4粉煤灰主要性能指标

粉煤灰作为掺合料替代部分水泥，使水泥用量减少，同时也降低 了水化热，有利于降低混凝土自收缩。

本研究采用的膨胀剂为上海武冠新材料有限公司生产的 WG-CMA三膨胀源膨胀剂，并将膨胀剂掺量取：8％、12％、16％三 个水平进行研究。

本研究使用的减水剂为浙江五龙新材股份有限公司生产的 ZWL-A型高效减水剂。减水剂的掺量在本研究采用其最佳掺量即 0.75％。其基本性能指标见表1-5。

表1-5减水剂主要性能指标

本研究将混凝土配合比设计等级定为C40。一个试验组里2组试 验：一组做抗压强度试验，一组做限制膨胀率测定试验。

掺膨胀剂的粉煤灰混凝土强度性能采用《GB/T 50081-2002普通 混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，成型150×150×150mm3试 件，测试标养(雾室养护)7d、28d、90d龄期时抗压强度。

掺膨胀剂的粉煤灰混凝土限制膨胀率的测试采用《GB 23439-2009混凝土膨胀剂》中所规定的方法进行，成型 100×100×300mm3混凝土限制膨胀率试件，在混凝土标养室养护1天 后拆模，测初始、1d、3d、7d水养试体的长度以及干空14d、21d、 28d、35d、42d、49d的试体长度，计算限制膨胀率。

粉煤灰掺量为10％和30％两个水平，采用等量取代法掺入；膨胀 剂掺量取：8％、12％、16％三个水平；浆骨比V_e:(V_s+V_g)在32.5∶67.5 至37.5∶62.5间选取3组比例进行混拌成型。对不同的粉煤灰掺量、 膨胀剂掺量以及不同浆骨比的取值，试验方案见表1-6。

表1-6掺粉煤灰膨胀混凝土试验方案

掺膨胀剂的粉煤灰混凝土试件的限制膨胀率按下式计算：

ε_t＝(L_t-L₀)/L×100

式中，ε_t为试件在t时期的纵向限制膨胀率；L_t为所测龄期的限 制试件长度，mm；L₀为限制试件的初始长度，mm；L为试件的测量 标距，300mm。

与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：

①通过对粉煤灰混凝土中的原料进行控制，进而使得各原料之 间的加入呈现出一定的规律，使得在满足这种规律的前提下，使得产 品的强度和膨胀收缩性能同时兼顾，改善了粉煤灰混凝土的性能，并 且结合对粉煤灰混凝土配合比的设计思路进行调整，进而使得该方法 在进行粉煤灰混凝土配合比设计时，更具有科学性与合理性，降低了 粉煤灰混凝土配合比设计的误差，减少了粉煤灰混凝土设计的成本。

②本发明通过大量的试验，将全计算法进一步完善，提供了一 种切实可行、科学合理的粉煤灰混凝土配合比设计方法，进而确保了 配制出来的混凝土能够同时满足强度性能和膨胀收缩性能的要求，进 而提高粉煤灰混凝土的质量。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限 定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

该混凝土配合比进行了两个批次的全计算法配合比试验。首先进 行了单一浆骨比(即V_e:(V_s+V_g)＝36.5/63.5)情况下的不同粉煤灰掺量 的混凝土配合比试验，粉煤灰为超量取代水泥，粉煤灰取代率β_c分别 为15％、20％、25％、30％，超量系数δ_c＝1.3。设计混凝土强度等级 C30，施工要求坍落度为30～60mm。具体配合比见表1-7。

同时又进行了32.5/67.5，35/65，37.5/62.5等3个不同浆骨比时的 粉煤灰混凝土配合比试验。粉煤灰内掺等量取代水泥，掺量变化范围 为：10％、30％两个水平。设计混凝土强度等级C40，施工要求为泵 送混凝土。具体配合比见表1-8。

表1-7浆骨比为36.5/63.5时的混凝土配合比

表1-8掺粉煤灰的补偿收缩混凝土的配合比

根据上述配合比设计完成后，对其进行各项指标进行以下检测：

1、C40级粉煤灰混凝土的膨胀性能

测试了膨胀剂为三个水平，即8％、12％、16％；粉煤灰为两个水 平，即10％，30％；浆骨比为三个水平，即32.5/67.5、35/65、37.5/62.5 时19种组合配比的混凝土初始、1d、3d、7d水养试体的限制膨胀率以 及干空14d、21d、28d、35d、42d、49d的试体限制膨胀率。试验结 果见表1-9。

表1-9混凝土限制膨胀率试验结果(×10^-2)

本研究为了更好地比较各组混凝土的限制膨胀率试验结果，采用 相对膨胀落差与补偿效率的概念对试验结果进行分析。

由于本试验测试取混凝土水中7d的限制膨胀率为干空降落的起 始值，所以补偿收缩混凝土的相对膨胀落差和补偿效率是：

相对膨胀落差：

$R_c=\frac{\Delta {ϵ}_{\mathrm{rc}}}{{ϵ}_{\mathrm{rc}}^7}\times 100\%$

补偿效率：

式中，R_c、C_c——分别为补偿收缩混凝土的相对落差、补偿效率；

Δε_rc、——分别为膨胀落差、未掺膨胀剂的同配比混 凝土的同龄期干缩后的剩余限制膨胀率、混凝土水中7d的限制膨胀 率、掺膨胀剂的混凝土任一龄期干缩后的剩余限制膨胀率。

再对上述各实验组中的相对膨胀落差、7d和49d补偿收缩率进行 计算，其结果见表1-10.

表1-10各试验组的相对膨胀落差、7d和49d补偿收缩率计算结果

2、C40级粉煤灰混凝土的强度性能

测试了粉煤灰混凝土7d、28d、90d龄期时抗压强度。试验结果见表1-11。

表1-11混凝土抗压强度试验结果

本研究通过对上述表1-9、1-10和1-11中的数据进行分析，进而 达到对掺膨胀剂的粉煤灰混凝土强度、膨胀性能试验结果的具体分 析，可以得出以下结论：

(1)当膨胀剂掺量为8％、体系浆骨比保持不变时，所有试件各 个龄期均表现为粉煤灰掺量为10％的抗压强度要大于粉煤灰掺量为 30％的抗压强度。在混凝土前期掺粉煤灰的试件强度均低于空白试件 (即不掺粉煤灰)的强度，而所有试件的后期强度均发展较快，在 90d基本都能达到甚至超过空白试件强度。

(2)当粉煤灰掺量为10％或30％、体系浆骨比保持不变时，试 件抗压强度与膨胀剂掺量的关系均表现为随着膨胀剂掺量的加大混 凝土强度逐渐降低。但是无论粉煤灰和浆骨比如何变化，膨胀剂掺量 为8％的试件尽管早期(7d)强度有所下降，后期(90d)强度却都能 超过空白试件的强度。主要是随着膨胀剂的水化反应，会生成大于自 身体积的水化产物钙矾石，它逐步的在水泥石构架中搭接延伸，使混 凝土内部的密实性增加从而是混凝土强度增加。

(3)无论浆骨比如何，掺10％和30％粉煤灰的两种混凝土7d抗 压强度均小于空白试件强度，这符合一般粉煤灰混凝土早期的力学变 化规律；而且7d抗压强度均表现出浆骨比越大强度越低的反相关性 规律。这主要是由于混凝土的强度是由水泥石强度、骨料强度以及水 泥石与骨料的界面共同决定的，早期混凝土中水泥还没有充分水化， 影响混凝土强度的主要是骨料，因此浆骨比越大，骨料含量越小，混 凝土强度就越低。

(4)对于掺10％和30％粉煤灰的两种混凝土的28d抗压强度表 现出3种浆骨比的抗压强度相近，且均未能达到空白试件的强度。这 与掺入的粉煤灰对混凝土强度的降低有直接的联系，但都达到了配合 比设计的强度。

(5)对于掺10％粉煤灰的混凝土90d抗压强度都已经接近甚至 超过空白试件强度，其中浆骨比为37.5/62.5时的强度最高。这是由 于随着混凝土中水泥胶凝材料的水化反应，浆骨比大的混凝土的强度 增长速度一般要高于浆骨比低的混凝土强度的增长速度，所以浆骨比 越大后期强度发展就越好。

所以得出以下工程实际应用建议：(1)对于水泥—膨胀剂—粉煤 灰三元胶凝材料组成的系统可以通过膨胀与强度的协调性来确定膨 胀剂的合理掺量范围。在这个掺量范围内，体系是具有较理想的膨胀 和强度协调性能的。当粉煤灰掺量较低(10％)时，膨胀剂的合理掺 量范围是10％～12％；当粉煤灰掺量较高(30％)时，膨胀剂的合理 掺量范围是8％～10％。因此可知，随体系的粉煤灰掺量增加，体系中 基于膨胀和强度发展良好协调性的膨胀剂掺量的最佳范围是递减趋 势的。

(2)设计使用掺膨胀剂的粉煤灰混凝土时，在中等强度等级的 混凝土中应控制膨胀剂掺量和粉煤灰细掺料的加入量的匹配。当膨胀 剂掺量较高(大于12％)时，粉煤灰的掺量应降低，一般不超过10％； 当膨胀剂掺量较低(小于12％)时，粉煤灰的掺量可以适当提高，超 过10％，这样对于降低混凝土早期水化热、提高混凝土强度、增强膨 胀性能都是非常有利的。

(3)浆骨比对于掺膨胀剂的粉煤灰混凝土的膨胀与强度发展的 协调性的也有一定的影响。无论膨胀剂掺量如何，当粉煤灰掺量较低 (10％)，浆骨比较大(37.5/62.5)时，越有利于体系的膨胀和强度的 协调发展。当粉煤灰掺量较高(30％)，浆骨比降低时，越有利于体 系的膨胀和强度的协调发展。所以在选择最佳浆骨比时，应当结合采 用实际原材料的试验来确定。不能将所有混凝土的最优浆骨比都确定 为35/65这一经验值，对于不同类型的混凝土它是有一定变化范围的。

进一步的可以得出在进行粉煤灰混凝土配合比设计过程中应当 满足如下结论：

该粉煤灰混凝土采用由骨料、胶凝材料和外加剂组成，其中胶凝 材料由水泥和粉煤灰混合而成，并且粉煤灰混凝土中的浆骨比随着粉 煤灰的掺量增加而降低；胶凝材料中的膨胀剂掺量范围与粉煤灰掺量 值成反相关。

所述的骨料为砂子和石子，其中砂子为中砂；石子为最大粒径为 40cm的连续级配的砾石。

所述的膨胀剂为WG-CMA三膨胀源膨胀剂。

所述的减水剂为ZWL-A型高效减水剂。

所述的减水剂的掺入量为胶凝材料总重量的0.75％。

所述的浆骨比的变化范围为32.5/67.5至37.5/62.5。

所述的胶凝材料中的膨胀剂掺量范围与粉煤灰掺量值成反相关， 当粉煤灰掺量占总原料重量<10％时，膨胀剂掺量为>12％；当粉煤灰 掺量占原料重量>10％时，膨胀剂掺量为<12％；当粉煤灰掺量为原料 重量10％时，膨胀剂的掺入量为10-12％；当粉煤灰掺量为原料重量 30％时，膨胀剂的掺量为8-10％。

上述粉煤灰混凝土原料配合比设计方法，为采用全计算法对粉煤 灰混凝土原料配合比进行设计，具体在配合比设计方法中，将粉煤灰 体积掺量设为水泥百分率设为β_C、粉煤灰超量系数设为δ_C、粉煤 灰密度设为ρ_f、水泥密度设为ρ_c；并对粉煤灰掺入量不在依据经验 得到而是通过下式精确得到：

其他步骤按照全计算法进行计算，即可获得粉煤灰混凝土恰当的 配合比。