超缓凝混凝土的配合比试验研究及设计方法

摘要

超缓凝混凝土（ultra-retardation concrete，简记为URC）是一种对混凝土凝结时间有特殊要求的新型混凝土。试验结合超缓凝混凝土的工程实际应用情况，以URC10、URC20、URC30及URC40四个强度等级为研究对象，研究确定了不同初凝时间范围下超缓凝混凝土的抗压强度比系数，并采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路成功配制出了初凝时间不小于60h，终凝时间不大于120h，初终凝时间差不大于20h，28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。

一

引言

    超缓凝混凝土是一种为了满足特殊施工要求而专门配制的初凝时间达到60h~80h，28d强度不低于设计强度等级的新型混凝土^[1]。在地铁、车站等深基坑围护结构的钻孔咬合桩，要求后续施工的钻孔桩在施钻时，能同时对已浇筑完毕的钻孔桩桩身混凝土进行适量的钻削，使钻孔桩相互咬合连成一个整体而提高挡水的能力^[2-5]。为实现这一特殊施工要求，通常需增加缓凝剂掺量来增大水泥水化需克服的能垒，从而延缓混凝土的凝结和抑制混凝土早期强度的发展，但同时也对混凝土后期强度发展有一定的影响。
    超缓凝混凝土的凝结时间与抗压强度之间存在一定对应关系，本课题组前期研究表明：初凝时间小于60h时，28d强度降幅在5%左右；初凝时间大于60h且终凝时间小于120h时，28d强度降幅低于15%；终凝时间大于120h时，28d强度降幅达20%以上^[6]。因此，采用合理的技术手段解决超缓凝混凝土超长凝结时间的施工要求与混凝土抗压强度发展要求之间的矛盾关系对科学合理的配制和应用超缓凝混凝土具有重要作用。本文结合超缓凝混凝土工程应用情况，以URC10、URC20、URC30及URC40四个强度等级为研究对象，通过试验研究不同初凝时间范围下超缓凝混凝土的抗压强度比系数，并采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路对配合比进行试验验证，提出一种科学合理的超缓凝混凝土配合比设计方法。

二

原材料及试验方法

2.1  试验原材料

⑴水泥：云南国资水泥红河有限公司生产的P.O 42.5级水泥，其物理力学性能见表1。

表1  水泥的物理力学性能

比表面积/m2?kg-1	80μm筛筛余/%	标稠用水量/%	密度/ g?cm-3	凝结时间/min			抗折强度/MPa				抗压强度 /MPa
				初凝	终凝		3d	7d	28d		3d	7d	28d
356	3.7	26.0	3.15	220	275		6.4	7.1	8.5		27.2	36.5	48.0

⑵矿物掺合料：云南恒阳实业有限公司粉煤灰分公司生产的Ⅱ级粉煤灰及玉溪三和新型建材技术有限公司生产的S75矿粉，其性能指标分别见表2及表3。

表2  Ⅱ级粉煤灰的性能指标

细度/%	比表面积/m2·kg-1	需水量比/%	烧失量/%	含水量/%	三氧化硫/%	密度/g·cm-3	活性指数/%
							7d	28d
14.0	315	100.2	2.36	0.15	2.66	2.45	62	71

表3  S75矿粉的性能指标

细度/%	比表面积/m2·kg-1	流动度比/%	烧失量/%	含水量/%	三氧化硫/%	密度/g·cm-3	活性指数/%
							7d	28d
1.9	420	97.6	1.30	0.15	1.44	2.75	59	81

⑶骨料：细骨料根据机制砂和山砂的级配情况按8:2的比例调配成Ⅱ区中砂，细度模数为2.8，表观密度2.68g/cm³，MB值为1.1，石粉含量为8.2%；粗骨料为粒径5mm～31.5mm连续级配碎石，压碎值9.2%，含泥量0.82%，泥块含量0.15%，针片状颗粒含量1.7%。
⑷外加剂：高效减水剂采用萘系高效减水剂，减水率18%，推荐掺量2.5%~3.0%，固含量30%；缓凝剂采用工业葡萄糖酸钠。
⑸：水：昆明市饮用自来水。
2.2  试验方法
⑴混凝土拌合物工作性能和凝结时间测定
    参照《普通混凝土拌和物性能测试方法》GB/T 50080-2002。采用贯入阻力法测定从混凝土拌合物中用5mm标准筛筛出的砂浆凝结时间，贯入阻力达到3.5MPa时为初凝时间，达到28MPa时为终凝时间。凝结时间测试过程中环境温度始终保持（20±2）℃，凝结时间测定从水泥与水接触瞬间开始计时，且应根据拌合物性能，确定测针试验时间，以后每隔3h~4h测试一次，临近初终凝时每隔1h~2h测试一次。
⑵混凝土抗压强度测定
    参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002进行。混凝土立方体抗压强度试件应在试件成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面，且应在温度为（20±5）℃的环境中带模养护至终凝后24h内拆模。拆模后应立即放入温度（20±2）℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，达规定龄期进行抗压强度测试。

三

配合比设计思路

 3.1  配合比设计要求

    ⑴超缓凝混凝土的凝结时间需满足初凝时间不小于60h，终凝时间不大于120h，初终凝时间差不大于20h的要求。超缓凝混凝土的凝结时间应根据设计要求、环境温度、运输距离、停放时间来合理调控以满足施工要求，且实际凝结时间与设计要求的允许偏差值为±10%。
    ⑵超缓凝混凝土到浇筑工作面的坍落度宜控制在180mm～200mm。考虑混凝土在运输工程中的坍落度经时损失，应根据实际情况控制混凝土出厂坍落度较浇筑现场坍落度大10mm~30mm。
    ⑶超缓凝混凝土的3d强度不大于3MPa，28天强度满足设计要求。
3.2  配合比设计原则
    超缓凝混凝土的配合比设计难点是解决凝结时间与抗压强度发展之间矛盾。因此，超缓凝混凝土的配合比设计主要遵循以下原则：一是采用提高矿物掺合料掺量且不宜采用纯水泥，延长混凝土凝结时间和保证混凝土拌合物性能满足施工要求；其次是提高试配强度，降低水胶比，保证混凝土后期强度满足设计要求。
    ⑴超缓凝混凝土凝结时间的科学调控。采用公司自有发明专利技术“基于葡萄糖酸钠缓凝剂的超缓凝混凝土凝结时间调控方法”（ZL 201410667513.8），从养护温度及缓凝剂掺量与凝结时间的关系出发，确定超缓凝混凝土的缓凝剂掺量来科学合理的控制超缓凝混凝土的凝结时间满足设计要求。
    ⑵超缓凝混凝土抗压强度的科学调控。根据超缓凝混凝土初凝时间与抗压强度比的定量关系，在用水量不变的情况下，降低水胶比，增加胶凝材料总量，保证28d强度满足试配强度要求。超缓凝混凝土的试配强度及水胶比可分别按公式⑴和公式⑵确定：

                           ⑴

    式中：f_cu,0 为超缓凝混凝土的试配强度，MPa；f_cu,k为超缓凝混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；σ为超缓凝混凝土强度标准差，MPa。

                       ⑵

    式中：k为标准养护条件下，同一配合比超缓凝混凝土与普通混凝土28d抗压强度之比；f_b为胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值，MPa；α_a、α_b为回归系数。

四

试验结果与讨论

 4.1  超缓凝混凝土抗压强度比的确定

    课题组前期采用不同的缓凝剂单掺、复掺配制了不同凝结时间范围的超缓凝混凝土，对7d及28d抗压强度比进行统计分析，结果见表4。前期研究未考虑掺合料的影响，仅采用纯水泥配方进行研究，且仅针对同一等级的混凝土进行研究，试验结果不能对其他等级的超缓凝混凝土进行科学指导。因此，课题组在前期研究的基础上，考虑矿物掺合料的影响，通过缓凝剂掺量控制超缓凝混凝土的初凝时间在60h~100h范围，针对URC10、URC20、URC30及URC40四个不同强度等级的超缓凝混凝土进行研究，混凝土的配合比见表5，凝结时间及抗压强度试验结果见表6。
    由表6可知，强度等级的变化对超缓凝混凝土与同等级普通混凝土的28d及60d抗压强度比的影响较小，7d抗压强度比的波动较大。初凝时间在60h~80h范围时，URC10~URC40混凝土的7d强度为同等级普通混凝土的60%~80%，平均值为77.5%；28d强度为同等级普通混凝土的90%~94%，平均值为92%；60d强度为同等级普通混凝土的93%~96%，平均值为94.8%。初凝时间在80h~100h范围时，URC10~URC40混凝土的7d强度为同等级普通混凝土的54%~71%，平均值为66.1%；28d强度为同等级普通混凝土的85%~87%，平均值为85.9%；60d强度为同等级普通混凝土的88%~92%，平均值为90.4%。

表4 前期试验28d抗压强度比试验结果^[6]

凝结时间	组数	7d抗压强度比				28d抗压强度比
		最大值	最大值	最小值		平均值	最小值	平均值
初凝时间<>	7	106%	77%	90%		102%	87%	94%
初凝时间>60h，终凝时间<>	8	94%	60%	72%		100%	82%	90%
终凝时间>120h	5	65%	11%	39%		88%	75%	80%

表5  超缓凝混凝土与普通混凝土的配合比

编号	设计初凝时间/h	水/kg	水泥/kg	粉煤灰/kg	矿粉/kg	砂/kg	石/kg	砂率/%	水胶比	高效减水剂/%	缓凝剂/%
C10	-	195	87	116	87	860	1050	45	0.67	2.6	0
URC10A	60~80	195	87	116	87	860	1050	45	0.67	2.6	0.265
URC10B	80~100	195	87	116	87	860	1050	45	0.67	2.6	0.290
C20	-	190	176	106	71	799	1059	43	0.54	2.8	0
URC20A	60~80	190	176	106	71	799	1059	43	0.54	2.8	0.270
URC20B	80~100	190	176	106	71	799	1059	43	0.54	2.8	0.295
C30	-	185	251	84	84	736	1060	41	0.44	2.9	0
URC30A	60~80	185	251	84	84	736	1060	41	0.44	2.9	0.280
URC30B	80~100	185	251	84	84	736	1060	41	0.44	2.9	0.300
C40	-	180	341	68	45	689	1077	39	0.40	3.0	0
URC40A	60~80	180	341	68	45	689	1077	39	0.40	3.0	0.295
URC40B	80~100	180	341	68	45	689	1077	39	0.40	3.0	0.315

注：高效减水剂及缓凝剂掺量均为总胶凝材料质量的百分比。

表6  超缓凝混凝土与普通混凝土的凝结时间及抗压强度试验结果

编号	凝结时间/h				抗压强度/MPa				抗压强度比/%
	初凝	终凝	凝结时间差		7d	28d	60d		7d	28d	60d
C10	14.4	19.3	4.9		11.2	18.6	21.8		100	100	100
URC10A	69.6	78.7	9.1		6.9	17	20.2		62	91	93
URC10B	92	102.6	10.6		6.1	16.2	19.6		54	87	90
C20	10.4	13.3	2.9		18	28.9	35		100	100	100
URC20A	72.8	85.1	12.3		15.1	26.8	33.6		84	93	96
URC20B	90.6	104.2	13.6		12.6	24.5	30.7		70	85	88
C30	9.2	11.4	2.2		25.5	38.7	47.2		100	100	100
URC30A	73	86.9	13.9		20.6	36.4	44.4		81	94	94
URC30B	89.4	104.3	14.9		17.5	33.5	43.2		69	87	92
C40	8.1	10.2	2.1		42.3	52.4	60.9		100	100	100
URC40A	75.6	87	11.4		35	47	58.8		83	90	97
URC40B	93.5	106.7	13.2		30.1	44.6	56.3		71	85	92

4.2  超缓凝混凝土的配合比设计与验证
    超缓凝混凝土以28d抗压强度作为评定和验收依据时，根据URC10~URC40混凝土的28d抗压强度比试验结果，初凝时间在60h~80h时，抗压强度比按0.90取值；初凝时间在80h~100h时，抗压强度比按0.85取值。采用抗压强度比系数合理降低水胶比，计算调整URC10~URC40四个强度等级混凝土的配合比，并与普通混凝土进行对比分析，验证配合比设计的科学性和经济可行性。
    按超缓凝混凝土的配合比设计思路，计算确定了URC10~URC40超缓凝混凝土的验证配合比，配合比及试验结果分别见表7和表8。

表7  URC10~URC40超缓凝混凝土的验证配合比

编号	设计初凝时间/h	水/kg	水泥/kg	粉煤灰/kg	矿粉/kg	砂/kg	石/kg	砂率/%	水胶比	高效减水剂/%	缓凝剂/%
C10	-	195	87	116	87	860	1050	45	0.67	2.6	0
URC10AY	60~80	195	96	126	96	847	1035	45	0.61	2.6	0.270
URC10BY	80~100	195	100	134	100	839	1026	45	0.58	2.6	0.295
C20	-	190	176	106	71	799	1059	43	0.54	2.8	0
URC20AY	60~80	190	194	116	78	783	1039	43	0.49	2.8	0.275
URC20BY	80~100	190	204	123	82	775	1027	43	0.47	2.8	0.300
C30	-	185	251	84	84	736	1060	41	0.44	2.9	0
URC30AY	60~80	185	277	92	92	736	1060	41	0.40	2.9	0.285
URC30BY	80~100	185	292	97	97	709	1020	41	0.38	2.9	0.305
C40	-	180	341	68	45	689	1077	39	0.40	3.0	0
URC40AY	60~80	180	375	75	50	671	1049	39	0.36	3.0	0.300
URC40BY	80~100	185	396	79	53	660	1032	39	0.34	3.0	0.320

注：1、高效减水剂及缓凝剂掺量均为总胶凝材料质量的百分比；2、编号A代表超缓凝混凝土设计初凝时间为60h~80h，B代表超缓凝混凝土设计初凝时间为80h~100h。

表8  URC10~URC40超缓凝混凝土的配合比验证试验结果

编号	凝结时间/h				坍落度/mm			抗压强度/MPa				抗压强度比/%
	初凝	终凝	凝结时间差		初始	1h		3d	7d	28d		7d	28d	60d
C10	14.4	19.3	4.9		185	155		11.2	18.6	21.8		100%	100%	100%
URC10AY	71.3	79.0	7.7		185	170		8.7	19.2	22.5		78%	103%	103%
URC10BY	89.6	98.7	9.1		190	180		7.7	18.9	21.6		69%	102%	99%
C20	10.4	13.3	2.9		195	170		18	28.9	35		100%	100%	100%
URC20AY	74.9	88.6	13.7		195	185		13.4	29.7	35.9		74%	103%	103%
URC20BY	92.8	100.1	7.3		200	180		12.9	29.3	35.7		72%	101%	102%
C30	9.2	11.4	2.2		190	180		25.5	38.7	47.2		100%	100%	100%
URC30AY	72.7	87.1	14.4		200	190		21.3	39.6	48		84%	102%	102%
URC30BY	93	106.9	13.9		210	195		19.7	38.5	48.2		77%	99%	102%
C40	8.1	10.2	2.1		205	185		42.3	52.4	60.9		100%	100%	100%
URC40AY	72.6	83.3	10.7		210	195		34.1	54.3	62.8		81%	104%	103%
URC40BY	85.6	97	11.4		220	205		32	51.4	60.6		76%	98%	100%

    由表8可知，URC10~URC40超缓凝混凝土流动性能优于同等级普通混凝土，1h坍落度经时损失为10mm~15mm，较普通混凝土降低5mm~10mm。采用抗压强度比对超缓凝混凝土配合比进行合理调整后，初凝时间在60h~80h之间的URC10~URC40超缓凝混凝土7d强度为同等级普通混凝土的74%~84%，平均值为79%；28d强度为同等级普通混凝土的102%~104%，平均值为103%；60d强度为同等级普通混凝土的102%~103%，平均值为103%。初凝时间在80h~100h之间的URC10~URC40超缓凝混凝土7d强度为同等级普通混凝土的69%~77%，平均值为74%；28d强度为同等级普通混凝土的98%~102%，平均值为100%；60d强度为同等级普通混凝土的99%~102%，平均值为101%。可见，经配合比试验验证，采用抗压强度比系数合理降低超缓凝混凝土水胶比的URC10~URC40混凝土28d强度及60d强度可以达到同等级普通混凝土强度。采用该配合比设计思路可以成功配制出了初凝时间不小于60h，终凝时间不大于120h，初终凝时间差不大于20h，28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。

五

结论

    ⑴超缓凝混凝土以28d抗压强度作为评定和验收依据时，初凝时间在60h~80h范围内，抗压强度比可按0.90取值；初凝时间在80h~100h范围内，抗压强度比可按0.85取值。
    ⑵通过配合比试验验证，采用抗压强度比系数合理降低水胶比及大掺量矿物掺合料的配合比设计思路可以配制出了初凝时间不小于60h，终凝时间不大于120h，初终凝时间差不大于20h，28d强度不低于设计强度等级的超缓凝混凝土。
参考文献
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[6] 李世华，闫能雷，梁丽敏，王模弼，等.缓凝剂对混凝土拌合物性能及抗压强度的影响[C]. 预拌混凝土实用技术—2015CCPA预拌混凝土分会年会暨第二届绿色混凝土发展高峰论坛论文集， 2015：145-152.

作者：李世华 李章建 王模弼 何云 男帅

：李世华 李章建 王模弼 何云 男帅
信息来源：混凝土第一视频网