高掺量粉煤灰混凝土配合比设计应用技术

　　1.引言

　　随着我国土建行业的快速发展，水泥混凝土由于其具有节能、成本偏低、应用方便耐久性好等特点导致其需求量不断增加。同时，水泥混凝土需求量的增加也带来很多负面影响，因为水泥的生产需要耗费巨大的能源和资源。为解决这个问题国内外水泥混凝土行业研究人员展开了很多研究，其中高掺量粉煤灰混凝土（High fly-ash content concrete，简称HFCC）就是其提出的一种“绿色环保”混凝土。所谓粉煤灰混凝土就是泛指掺有粉煤灰的混凝土，而高掺量粉煤灰混凝土的定义到目前还没有统一。因此，国内外对于高掺量粉煤灰混凝土的配合比设计方法也有很多不同，以下笔者将进行详细介绍。

　　2.配合比设计方法简介

　　2.1.等量取代法

　　粉煤灰混凝土配合比的设计技术发展到现在已经经历了3个阶段，而等量取代法属于早期的高掺量粉煤灰混凝土设计技术，又称“简单取代法”。这种设计方法原理是参照普通混凝土设计方法，然后直接用粉煤灰等量取代水泥，根据所用粉煤灰的品质及混凝土的和易性等要求来对混凝土的用水量进行调节。其设计步骤为：（1）配合比设计配置强度的龄期；（2）设计用的基准配合比，以体积法设计的为准；（3）计算粉煤灰用量；（4）计算水泥用量；（5）粉煤灰混凝土的灰浆体积计算；（6）砂、石的总体积计算；（7）砂、石用量计算和砂率计算，该计算与体积法基准混凝土的计算法一样。等量取代法在早期得到广泛的应用但是该方法由于没有考虑粉煤灰的某些特性对混凝土的和易性及强度的影响，只按照粉煤灰掺量大致估算混凝土强度，然后按普通混凝土计算方法进行混凝土配合比设计。然而粉煤灰的第二次反应和水泥的水化反应不一样，故该方法设计的混凝土的早期强度有所降低，这样就增加了粉煤灰混凝土达到预定强度的龄期。除此之外，混凝土的其它一些性能也会发生一定程度的削弱，如收缩性大、弹性模量低、徐变值大、抗冻性差、抗碳化性能差[1,2]。

　　2.2.理性法

　　随着粉煤灰混凝土配合比设计原理的发展，后期出现了一些比取代法更合理的配合比设计方法。（1）最优化方法，该方法是基于经济原则进行的配合比设计的一种方法，其设计理念是使得粉煤灰混凝土获得最大的技术经济效益。最为著名的有两段法和数值法。（2）按混凝土耐久性要求设计配合比法，该方法把混凝土的耐久性作为混凝土配合比设计过程中的一个重要依据。一般情况下，我们将强度指标看作为混凝土的质量指标，但是仅仅考虑强度作为衡量混凝土质量的指标，会忽略实际工程中对混凝土耐久性的要求，因为很多工程实例证明混凝土的破坏不一定是强度的问题，而是耐久性的问题。（3）规定强度法，为了反映粉煤灰在混凝土中的胶凝作用，1967年，I．A．Smith最早提出了“粉煤灰胶凝效率系数k”的概念，建立起“等效水灰比”公式。以此为理论基础，I．A．Smith建立了推理性比较周密的等稠度和28d等强度的粉煤灰混凝土配合比设计方法——规定强度法。根据假定的或经验确定的k值及各组分的用量计算出等效水灰比，应用普通混凝土强度公式即可预测一定龄期粉煤灰混凝土的抗压强度。

　　2.3.简易配合比设计法

　　粉煤灰混凝土简易配合比设计方法主要可以分为两种：（1）固定用量法，该方法的主 要原理是通过设计经验或者水泥用量变化的试验，选择出一个固定粉煤灰用量的合适配合比。这种方法实际上也是基于与基准混凝土对比的基础上，并考虑设计应满足28d强度和稠度等要求的一种设计方法，其本质只是一种改良也具有一定的局限性。（2）调整系数法，调整系数法直接引用基准混凝士配合比设计结果，按照设计和易性相等和28d强度相等的粉煤灰混凝土的要求，适当地调整各种基本材料用量，然后确定配合比。在粉煤灰混凝土简易配合比设计方法中，调整系数法是比较合理的。它适用于粉煤灰质量基本稳定，并积累了大量试验资料的混凝土工厂和现场试验室。从实用的角度来看，调整系数法简单易懂，简捷易行，比较容易接受。

　　2.4  HFCC配比设计法

　　目前，我国粉煤灰配合比设计一般用等量取代法或者是超量取代法通过常规步骤进行配合比设计。虽然这种设计方法简单，但是其不能预估所设计的粉煤灰混凝土的强度。英国学者Dunstan提出一种考虑粉煤灰作用并能预计所设计混凝土强度的设计方法，该法经过改良后叫做Dunstan三维设计方法。三维设计法在二维的基础上增加了一根轴线，使得设计成为一个以强度为y轴，水胶比和灰胶比分别为x和z轴的三维模型。在该设计模型中假定一个设计强度会得到一系列工作度相同的配合比，再通过比较一些其他因素例如经济因素从而得到一个特定的配合比。但是该设计方法由于计算量大，需要编制计算机程序。英国学者Dhir在考虑Munday等提出的粉煤灰掺量存在一个最佳值，而且这个最佳值是水灰比的函数这个理论，提出一种简单的图表设计法。首先假定粉煤灰含量为30%的情况下绘制出水灰比与强度之间的关系曲线、水灰比与不同等级粉煤灰最佳灰胶比关系曲线、制定用水量w的经验数据表格、绘制不同用水量与混凝土振实密度与骨料密度间的关系图、总胶凝材料用量(cuff)与细骨料(分粗、中、细)间的关系图。归纳起来可以理解为：①根据要求的强度设计水灰比；②运用水灰比确定灰胶比；③根据曲线确定用水量；④确定水泥用量和粉煤灰用量；⑤通过关系图确定骨料用量；⑥按配合比进行拌合试验验证。然而经过比较我们发现虽然上述两种配合比设计方法更加完善，但其设计的基础均依赖于大量的试验与经验数据，故在工程实践中很少运用[3]。

　　3．高掺量粉煤灰混凝土工程应用建议

　　实际工程在使用高掺量粉煤灰混凝土时应该注意一些相关问题：1）施工质量的控制，在原材料方面应对采用的水泥、砂、石等按相关规范进行现场二次抽查。注意控制粉煤灰的质量，因为粉煤灰是原材料中质量波动较大的一种材料。2）在浇筑过程当中，由于大掺量粉煤灰混凝土十分粘稠，这个对提高其均匀性有一些好处，但是在浇筑完成后，应该及时对混凝土表面喷洒养护剂。适当延长支模时间，以保证足够的水化时间。3）当施工温度很低时，施工完成后还应注意采取保温养护措施，这样才能保证粉煤灰混凝土的强度发展满足要求，因为粉煤灰混凝土早期强度本身就很低。

　　4. 结语

　　用粉煤灰作掺和料生产粉煤灰混凝土，一是可节约水泥10%—30%，带来显著经济效益；二是可以改善或提高混凝土的技术性能，如改善拌和物的和易性、可泵性和抹面性；降低大体积混凝土内部水化热，减少温度应力和裂缝；提高混凝土的抗侵蚀件和抑制碱-集料反应等；三是利用粉煤灰，可以减轻粉煤从对环境的污染，带来一定的环保效益和社会效益。