高抗冻混凝土（C30F300）配合比的设计与研究

1.前言

 

鄂温克发电厂（2×600MW）新建工程是我公司在东北地区施工的重点工程。本工程位于内蒙古呼伦贝尔市，属高寒地区，历年的气象资料表明，冬季冰天雪地，历达半年之久，平均气温为零下-1.5°C左右，极端最低气温-48.5℃左右。按混凝土冬期施工及设计要求，混凝土抗冻等级为高抗冻等级（C30F300）。

由于本工程工期紧、质量要求严、技术标准高。公司及项目部的目标是：“创高寒地区施工标准，建东北地区样板工程！”，争创“草原杯”及“鲁班奖”！。其中有抗冻要求的主要单位工程为综合水池、循环水泵房等混凝土工程，共计混凝土浇筑量2600余立方，因此解决高抗冻等级（特别是C30F300）混凝土问题刻不容缓。

 

2、混凝土的冻融破坏机理

 

混凝土是一种多孔性材料，在拌制混凝土时为了得到必要的和易性,加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中，形成连通的占有一定体积的毛细孔，这种孔隙中的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要原因。吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要由两部分组成：一是膨胀压力。当温度降到0 ℃以下时，水便凝结成冰，水结成冰且体积膨胀，因受毛细孔约束形成膨胀压力；二是渗透压力。由于表面张力作用,混凝土孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。因而在粗孔中的水结冰后，冰与过冷水(存在于较细孔和凝胶孔中) 的饱和蒸气压差和过冷水之间盐份浓度差引起水份迁移而形成渗透压力。

另外，过冷水迁移渗透的结果必然会使毛细孔中的冰的体积不断增大，从而形成更大的膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土的内部微观结构，在经过反复多次冻融循环后,损坏逐步积累，不断扩大，发展成相互连通的大裂缝，使混凝土的强度逐渐降低，最后混凝土结构由表及里遭受破坏。

 

3、高抗冻混凝土配合比设计

 

对于有冻融要求的混凝土配台比设计，就是在普通混凝土配合比设计的基础上，把冻融耐久性考虑进去，在我国目前的有关标准、规定中，高抗冻混凝土在满足其它普通混凝土设计的基础上，还必须满足以下要求：

①高抗冻混凝土必须添加引气剂，使含气量控制在5％～6％范围内；

②高抗冻混凝土必须提高混凝土的密实性，水灰比不应大于0.55；

其中掺加外加剂的方法是最经济，最可靠的方法。具体设计与研究步骤如下：

3.1 合理选择外加剂

对于抗冻要求高的混凝土来说，根据标准、规范要求，必须掺加引气剂和减水剂。混凝土掺入引气剂后，可在混凝土中引入微小气泡，减缓膨胀压力，不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护成熟混凝土免于伤害，从而提高混凝土的抗冻能力；而掺加减水剂不仅能够提高混凝土的和易性、节约水泥，更能够降低混凝土的水灰比并充分水化，从而更可能生产出实际上不包含可冻水的饱和混凝土及不包含毛细水（或数量很少）的混凝土，而凝胶材料中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，从而也能提高混凝土的抗冻能力。

高抗冻混凝土掺加外加剂有三种方法：① 引气剂单掺法；②引气剂和减水剂双掺法③减水引气复合型外加剂；根据我们的经验，双掺比单掺的效果好，掺加复合型外加剂更优于双掺。

本项目工程主要使用NF-AII减水引气复合型外加剂。外加剂最优掺量要根据混凝土抗冻设计标号及所用原材料情况（骨料：5～31.5mm碎石、2.3细度模数的中砂、蒙西42.5P.O普通水泥）参考产品推荐掺量（水泥用量的3.0%）通过试验来确定。

表1：含气量含量配合比

 

参数   方案	水 用 量 (kg/m3)	外加剂掺量 （%）	水 胶 比	砂 率 （%）	坍落度 （mm）	容 重 (kg/m3)
1	175	2.5%	0.39	36	150	2400
2	170	3.0%	0.38	37	150
3	165	3.5%	0.37	37	150

选取三个配合比进行试配，选取含气量范围在5％～6％的配合比。（见表2）

表2：外加剂掺量方案试验论证表

 

方案 因素	方案一	方案二	方案三
	2.5%掺量	3.0%掺量	3.5%掺量
坍落度（mm）	175	160	175
含气量（%）	3.9	5.2	5.8
和 易 性	较好、稍泌水	好	好
综合结论	不符合要求，不选	含气量偏低，考虑到施工时运输、振捣等不可控制的因素，不选	符合要求，选择

可见：选用水泥用量的3.5%外加剂掺量最为合适。

3.2 配合比设计

一般来说，掺外加剂混凝土配台比没有特殊要求，可按普通混凝土进行设计，但在减水或节约水泥的情况下，应对砂率，水泥用量，水灰比等作适当调整。其步骤为：

3.2.1 根据《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204-92计算配制强度。

F_cu,o=F_cu，k + 1．64ó即 (1)

3.2.2 根据保罗米公式计算W／C。

f _cl，n =ARc (C／W-B) (2)

由于（2）式是在不掺外加剂和混合材料的情况下推导的，所以此公式算出的W／C，只能做掺外加剂后计算减水率的参考。根据耐久性要求验证W／C是否满足最大水灰比要求。

3.2.3 根据粗骨料的最大粒径选择用水量，然后求出水泥用量，由于使用减水剂和引气剂减水率可达15% ～20%．以此算出实际用水量；根据耐久性要求，验证水泥用量是否满足最小水泥用量要求。

3.2.4 修正砂率和用水量 由于使用外加剂．砂率和用水量都必须修正。

3.2.5 根据假定容重法或体积法求出砂石用量：

3.2.6 对于引气混凝土关键是看它的引气效果是否达到要求，在选取的掺量下，根据外加剂掺量方案，以选取的方案三作为基准配合比，水灰比分别增加和减少0.05，用水量相同，砂率分别增加和减少1%，分别设计出另外两个配合比（即：调整配合比）。（见表3）

表3：基准配合比及调整配合比

 

参数 编号	水泥品种 及 强度等级	水(kg/m3)	外加剂 掺量	坍落度 （mm）	水胶比	砂率 （%）
S2009-001	蒙西42.5P.O	165	3.5%	150	0.42	36
S2009-002	蒙西42.5P.O	165	3.5%	150	0.37	37
S2009-003	蒙西42.5P.O	165	3.5%	150	0.32	38

这样选择三个配比，通过试样测含气量、坍落度和通过分析28天强度及冻融试验结果，最后确定出满足抗冻设计要求的最佳配合比。

 

名称 试 验 号	坍落度 （mm）	含气量 （%）	和易性	抗压强度试验 （MPa）			冻融试验		结果分析
				3天	7天	28天	强度 损失率	重量 损失率
							标 准要 求＜25%	标准要求 ＜5%
S2009-001	185	5.8	较好、稍泌水	12.8	25.7	33.3	22	3.6	含气量、冻融试验均满足要求，和易性稍差，坍落度偏高，抗压强度值低。
S2009-002	170	5.6	好	16.5	33.0	40.9	13	1.5	和易性好，坍落度、含气量、抗压强度及冻融试验均满足要求。
S2009-003	105	4.3	好	16.9	37.3	49.5	8	0.8	和易性较好，坍落度、含气量偏低，浪费水泥。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表4：配合比试配结果统计分析表

由表4可以看出，“S2009-002”属最佳配合比，因此选取“S2009-002”配合比作为最佳施工配合比。

3.3 2009年08月24日，循环水泵房及综合水泵房混凝土（标号C30F300）开始浇筑，对现场混凝土进行和易性试验、试块留置，混凝土和易性良好！并随机各抽检了4（共8）组进行质量跟踪（见表5）：

 

施工现场混凝土和易性良好！

表5：现场浇注混凝土和易性试验及试块抗压、冻融试验统计表

 

试验项目 点 数	和易性	强度	冻融性能	平均
不合格点数	0	0	0	0
合格点数	8	8	8	8
合格率	100%	100%	100%	100%

 

 

 

 

 

 

 

可见：各项性能均能满足标准要求，而且混凝土和易性完全能够满足施工需要。

3.4 值得注意的是，在测量含气量的时候，还需要振捣，以消除气泡，所以为保正配比的真实性，最好不要用测过含气量的混合料再制作抗压试件，以免带进试验误差。

 

4、结语

 

配制高抗冻混凝土最有效的方法是除了掺加减水剂外，必须掺加引气剂，并注意避免施工中消泡作用的工艺施工方法(如振捣和静停时间过长等)以保证发挥引气剂的作用。由于选取抗冻配台比比一般普通混凝土试验周期长，最好提前做试验，以保证在开工时得到正确的配比，从而保证工程质量