一、掺合料的作用及常用掺合料种类
为改善新拌混凝土的和易性、调解凝结时间、改善泵送性能、改善混凝土强度发展速率、提高耐久性、增强抗裂性，保证混凝土施工质量，在混凝土拌制过程中，掺合料的使用也愈来愈广泛。目前常用的掺合料有粉煤灰、硅粉、磨细矿渣（粉）、膨胀剂。
二、各掺合料的适用范围与作用机理
1、粉煤灰的适用范围与作用机理
粉煤灰适用于配置泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗防水混凝土、蒸养混凝土、轻集料混凝土、地下工程混凝土、压浆混凝土、碾压混凝土、隧道衬砌混凝土、水中抗分离混凝土、抗硫酸盐、抗酸雨、抗软水侵蚀或需要一直碱集料反应的混凝土，并可与各类外加剂共同使用。
其作用原理是：粉煤灰作为活性掺合料具有与水泥水化生成氢氧化钙反应的特性，其反应比水泥水化滞后，称作“二次反应”。二次反应的生成物是水化硅酸钙和水化氯酸钙凝胶体，是水泥室中提供强度的主要矿物来源，这样的反应可以提高了混凝土的耐久性和强度。由于二次反应造成掺粉煤灰的水泥混凝土凝结较慢，缓凝0.5~1h，水化热低，更适用于大体积混凝土和有缓凝要求的混凝土。由于其后期强度增长率较大，长龄期强度高，强度提高后，抗渗性、抗磨性等耐久性很好。由于“二次反应”减少了氢氧化钙晶体，水泥石中微观裂纹尖端少，干缩变形小，粉煤灰水泥混凝土抗裂性能提高，使结构抗冲击、耐疲劳等动载特性得到很大改善。
高品质粉煤灰，由于其“微珠”效应，使粉煤灰水泥混凝土施工所需要的流变性、粘聚性、饰面性等工作性能良好，易于泵送、修饰，平整度高，结构外观缺陷少，更美观，更平整，且更密实，有利于提高混凝土的抗渗性。同时，掺入优质粉煤灰的混凝土硬化后干缩变形更小，抗裂性能更好。
由于普通硅酸盐水泥中一般已经掺有约15%的掺合料，因此普通硅酸盐水泥中粉煤灰的掺量不宜大于15%。
2.硅粉的适用范围与作用机理
硅粉主要适用于高强混凝土的结构和构件，适用于对抗冻（盐）性、抗渗性及盐碱腐蚀、抑制碱集料反应、抗冲磨性要求很高的结构和构件。
硅粉粒径小，容重小，单位质量的体积大，活性氧化硅含量很高，可以迅速的与水泥水化释放出的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，填充水泥石结构，改善浆体的微观结构，提高硬化体的力学性能和耐久性，是配置高强和超高强混凝土不可缺少的掺合料。
同时，微硅粉为无定型球状颗粒，具有表面光洁、流动性好、颗粒形状圆滑、粒度分布均匀、质量稳定，可以稳定的提高混凝土的流变性能。
如果其应用于热天施工、干燥条件下的高强度混凝土结构，应采取有效措施抑制温升、干缩和自收缩，并加强降温和保湿养生，避免温缩和自收缩裂缝。在使用中宜与粉煤灰和磨细矿粉共同使用，掺入膨胀剂，补偿其自收缩性。
3.磨细矿粉的使用范围和作用机理
磨细矿粉主要适用于配置高强、高性能混凝土及大体积混凝土，减少水化热温升，提高其抗裂性；用于提高抗海水、酸雨、氯离子、硫酸盐等化学侵蚀性；用于较高碱度水泥需要抑制碱集料反应的混凝土结构；用于水泥用料少，需要增加流动性、可泵性等情况。
磨细矿粉矿物成分与水泥相近，在有足够碱度的条件下自身有产生水化反应提供强度的能力，由于其含钙量偏低，需要水泥水化提供氢氧化钙补给，因此掺入矿粉的水泥水化反应速度略慢一些，水化热较低，有利于控制混凝土温度的提升。
其使用、称量和拌和与粉煤灰相同，在一定条件下可置换大量水泥。
4.膨胀剂
膨胀剂主要用于补偿收缩混凝土、填充膨胀混凝土、灌浆用膨胀砂浆、自应力混凝土等混凝土。
常用的主要有钙矾石类膨胀剂、CaO类膨胀剂和MgO类膨胀剂。钙矾石类膨胀剂膨胀源主要是钙矾石(C3A?3CaSO4?32H2O)，其膨胀效能大，但其水化速率快，膨胀主要发生在早龄期（7d左右），膨胀后的收缩落差大，对水泥基材料的中后期收缩补偿作用不明显。因此在绝湿的条件下，掺钙矾石类膨胀剂往往还有后期收缩的趋势。此类膨胀剂还存在需水量大，需加强湿养护。近年来推广应用的CaO类膨胀剂，膨胀需水量较传统的钙矾石类膨胀剂低且膨胀率高，但此类膨胀剂膨胀速率较快，且具有很强的温度敏感性；用于水工大坝的MgO膨胀剂只能在后期（常温下60d-180d）发挥作用，对大体积混凝土的温降收缩有较好的补偿作用，但对早期收缩的补偿作用不大。
根据实际混凝土温度和水化历程，早期和中期产生的自收缩和温降收缩较大，需要大的膨胀来补偿，后期的自收缩和温降收缩较小，需要微量的微膨胀来补偿，使其不收缩，以稳定早期形成的膨胀预压应力。基于以上考虑，利用特制的CaO类膨胀组分实现早期膨胀，利用高活性MgO类膨胀组分实现中期膨胀，利用低活性MgO膨胀组分实现后期膨胀，通过采用不同活性膨胀组分多元复合，实现硬化混凝土分阶段、全过程的收缩抑制，达到无收缩的目的。
三、钢管自密实混凝土性能要求
自密实混凝土是具有高流动性、均匀性和稳定性，浇筑时无需外力振捣，能够在自重作用下流动并充满模板空间的混凝土。自密实混凝土拌合物的自密实性能主要体现在以下几个方面：填充性、间隙通过性和抗离析性；其硬化混凝土的力学性能、长期性能和耐久性能根据项目设计需要进行相应的调整。
钢管内混凝土的浇筑工艺决定了钢管混凝土的性能必须满足以下条件：1)坍落度大，和易性好，可泵性好，且不泌水不离析；2）为充分发挥钢管套箍作用，混凝土是收缩率应尽量减小或没有，保证钢管内混凝土填充饱满。
根据钢管自密实混凝土各项工作性能、力学性能和耐久性的要求，在钢管自密实混凝土配合比设计中建议掺入粉煤灰、矿粉、硅粉、膨胀剂四种掺合料，置换部分水泥，达到减少水化热、增加和易性、可泵性，保证混凝土不泌水不离析，延缓凝结时间，提高混凝土强度、减少干缩甚至微膨胀的效果，最终保证钢管混凝土结构的整体力学性能。
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四、钢管自密实混凝土配合比设计应用
1.配合比设计目标：C55钢管自密实混凝土
2.选用材料
1）广西鱼峰水泥股份有限公司P.Ⅱ42.5；
2）贵港市建飞砂场河砂（II区中砂）；
3）广西来宾市富达石场5～20mm碎石，由4.75~9.5mm和9.5~19mm两个单粒级的碎石按30%:70%进行掺配组成；
4）马滩红水河河水；
5）江苏苏博特新材料股份有限公司PCA-Ｉ聚羧酸高性能减水剂，掺量：2.5%；
6）江苏苏博特新材料股份有限公司HME?-Ⅱ高性能混凝土氧化镁复合膨胀剂；
7）广西华天能环保科技开发有限公司F类I级粉煤灰；
8）柳州市强实科技有限公司S95级矿渣粉；
3.配合比计算：
1）混凝土试验强度：fcu，o=55+1.645*6=64.87MPa
2）计算水胶比W/B：
W/B＝aafb/(fcu.o+aaabfb)=0.53×42.5/(64.87+0.53×0.20×42.5)=0.32
取水灰比W/B=0.30
3）确定用水量：（查表）得：mwa=215Kg/m3，mwa=(220—90)×（5÷20）＋215=247.5kg/m3，根据外加剂掺量2.3%减水率31.0%，实际用水量为：mw0=mwa*(1-31.0%)=247.5×(1-31.0%)=170kg/m3，取mw0=159kg/m3
4）胶凝材料用量：mc=159/0.30=530kg/m3
5）根据粉煤灰等量取代法配合比计算方法，选取粉煤灰取代水泥率f(%)=8.5%，选取矿粉置换率为f(%)=4.7%，膨胀剂采用内掺法，掺量为f(%)=9.4%，选取硅粉取代率为f(%)=1.9%，计算得出每立方混凝土水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉、膨胀剂的用量分别为400、45、25、10、50，单位：kg/m3。
6）a.采用绝对体积法，计算每立方米砂（ms0）、碎石（mg0）用量，其中砂率βs采用内插法选用40.3%：
材料水泥粉煤灰矿粉硅粉膨胀剂砂碎石水（20℃）减水剂
表观密度(kg/m3)3070246028702860330026982690998.21022
每方用量（kg）40045251050697103215913.25
mc/ρc+mf0/ρf+mk0/ρk+mg0/ρg+mp0/ρp+ms0/ρs+mg0/ρg+mw0/ρw+mr0/ρr+0.01=1 ①
ms0/（ms0+mg0）×100=40.3% ②
由①、②式解方程：ms0=697kg/m3 mg0=1032kg/m3
故，初步配合比1混凝土每立方的各种材料用量为：mc0：mf0:mk0：mp0:ms0:mg0:mw0:mj0=400:45:25:10:50:697:1032:159:13.25（kg/m3），计算容重为2430kg/m3。
b.采用假定容重法，
采用混凝土假定容重法，混凝土假定容重2450kg/m3，计算每立方米砂（ms0）碎石（mg0）用量：
（mc+mf0+mk0+mg0+mp0)+ms0+mg0+mw0=2450 ①
ms0/（ms0+mg0）×100=40.3% ②
由①、②式解方程：ms0=711kg/m3 mg0=1052kg/m3
故，初步配合比2混凝土每立方的各种材料用量为：mc0：mf0:mk0：mp0:ms0:mg0:mw0:mj0=400:45:25:10:50:711:1052:159:13.25（kg/m3）
4.配合比调整
分别对以上两组配合比进行试拌，初步配合比1所得到的混凝土坍落度过大、扩展度过大，距离目标性能相差较远，实测容重为2460kg/m3，与计算容重相差较大；配合比2（假定容重法）试拌混凝土拌合物扩展度710mm，混凝土拌合物容重为2460kg/m3，经过调整用水量为157kg/m3，混凝土拌合物扩展度为650mm，混凝土拌合物容重为2450kg/m3，混凝土拌合物工作性能符合设计要求，即调整水后配合比为：水泥：粉煤灰：矿粉：硅粉：膨胀剂：砂：石：水：减水剂=400:45:25:10:50:711:1052:157:13.25，，水胶比为0.296。
五、总结
钢管自密实混凝土由于多种掺合料和外加剂的掺入，其工作性能、力学性能、耐久性等均得大幅度的提升，满足实际钢管混凝土拱桥的施工需要。但是，伴随着多种材料的加入，其设计方法和设计参数与普通混凝土也截然不同，复杂性大大增加，如果想要得到符合要求的配合比，则需要经过大量的试验和工程实践。本文通过对掺合料作用机理的分析，选择多种掺合料掺入钢管自密实混凝土，并对比了混凝土配合比设计两种计算方法。最终得出结论，自密实混凝土配合比设计采用绝对体积法还是假定容重法并不是绝对的，具体均应根据试验和工程实践进行调整，选择符合工程需要、实际能够得出符合要求的配合比方法。
论文作者:王冉冉1,覃锟1,苏萍2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年14期
论文发表时间:2019/10/18
标签：混凝土论文; 水化论文; 容重论文; 密实论文; 水泥论文; 粉煤灰论文; 钢管论文; 《建筑学研究前沿》2019年14期论文;