大掺量粉煤灰与矿粉混凝土用水量控制

[摘要]本文紧扣影响混凝土各项性能的关键指标——用水量，围绕大掺量粉煤灰、矿粉混凝土施工时用水量控制方面出现的问题，结合相关研究，提出了较为全面的、切实有效的用水量控制措施，以保证混凝土质量。对于混凝土施工有积极的借鉴作用。

    混凝土用水量是影响混凝土强度、工作性、耐久性等各项性能的关键因素之一。一般在实际施工中，为了提高混凝土的耐久性能，会在混凝土中掺入大量掺合料，因此，本文针对施工过程中出现的这种情况，对比研究用水量对普通混凝土及掺入大量粉煤灰、矿粉混凝土的影响，从控制用水量的重要性研究出发，提出了切实有效的控制措施，对混凝土施工有重要的指导意义。

    本试验重点研究用水量对普通混凝土及掺入大量粉煤灰、矿粉混凝土强度及其变化速率的影响，主要目的是提醒施工单位一定要对混凝土的用水量控制加以重视。

1.1原材料选取
    （1）水泥：山铝P.O42.5，低碱水泥，水泥物理性能见表1。
    （2）细骨料：安丘河砂，细度模数为2.9，含泥量为1.7%，泥块含量为0.3%。
    （3）粗骨料：临朐碎石，碳酸盐，无活性，粒径5～25mm，石粉含量0.4%。
    （4）粉煤灰（FA）：潍坊发电厂Ⅰ级粉煤灰，细度（45μm方孔筛）为9%，需水量比为91%，烧失量为4.5%。
    （5）矿粉（K）：潍坊钢铁厂，S95级，28d活性指数96%。

表1  水泥物理性能

表2  混凝土配合比表kg/m³

    （6）外加剂（HP-1）：潍坊某外加剂公司生产的聚羧酸系高性能减水剂。
1.2混凝土配合比
    如表2所示。
1.3试验结果
    如图1所示。

图１  混凝土抗压强度随用水量的变化趋势图

1.4数据分析及小结
    k1~k4为用水量增加时，混凝土强度损失率：
    7d普通混凝土k₁=(40.6-29.3)/40.6=27.8%
    28d普通混凝土k₂=(50.2-38.4)/50.2=23.5%
    7d大掺量粉煤灰、矿粉混凝土：
    k₃=(37.3-19.2)/37.3=48.5%
    28d大掺量粉煤灰、矿粉混凝土：
    k₄=(51.4-32.6)/51.4=36.6%
    若控制混凝土强度波动在5%以内，则用水量的控制界限为：

5%×（210-160）/48.5%≈5kg

    小结：
    a.用水量增加，各混凝土强度均呈明显下降趋势；
    b.同龄期，用水量对大掺量粉煤灰、矿粉混凝土强度的影响远大于普通混凝土。
    c.对同一系列混凝土，用水量对混凝土早期强度（7d）的影响大于对后期强度（28d）的影响。其中，对大掺量粉煤灰、矿粉混凝土早期强度影响最大。
    d.若控制混凝土强度保证率高于95%，则用水量波动应小于5kg。
可见，大掺量粉煤灰、矿粉混凝土强度对用水量变化更为敏感。若控制不好用水量，混凝土的强度会大打折扣。

2.1混凝土所用原材料不合格，导致用水量上升

    混凝土中任何一种原材料不合格，均会影响混凝土用水量。其中影响比较大的因素有砂子含泥量和泥块含量、石子粉尘含量、粉煤灰的级别（主要是需水量比）以及外加剂的性能。
    a.砂子含泥量和泥块含量是最容易出现问题的地方。由于大掺量粉煤灰、矿粉混凝土大多采用聚羧酸系高性能减水剂，而这类减水剂对砂子含泥量十分敏感。当砂子含泥量高于3%时，减水剂性能会大打折扣，所以配制耐久性混凝土时，砂的含泥量一般规定小于2%。有的施工单位没有重视这些问题，导致混凝土用水量上升，强度下降。
    b.对于低水胶比的大掺量粉煤灰、矿粉混凝土，粉煤灰级别对用水量的影响也非常大。一般情况下，大掺量粉煤灰、矿粉混凝土要求优先选用Ⅰ级粉煤灰，在Ⅰ级粉煤灰供应不足的情况下可以考虑使用Ⅱ级粉煤灰，禁止使用Ⅲ级粉煤灰。
笔者简单解析一下粉煤灰对用水量的影响。
    假设Ⅰ级灰的需水量比为90%，Ⅱ级灰的需水量比为100%，Ⅲ级灰的需水量比为110%，某混凝土单方粉煤灰用量80kg，则不同级别粉煤灰需水量之差如下：
    Ⅱ级灰比Ⅰ级灰需水量增加：80×（100%-90%）=8kg
    Ⅲ级灰比Ⅰ级灰需水量增加：80×（110%-90%）=16kg
    可见，粉煤灰的级别对大掺量粉煤灰、矿粉混凝土用水量影响很大。有的施工单位使用了不符合要求的粉煤灰，致使用水量增加，混凝土强度降低。
2.2计量水设备标定不准确
    不少施工单位采用水泵直接送水的方式，用时间（s）来控制水量。但是他们在标定泵的每秒钟出水量时，往往不严格。笔者遇到这样一例：某施工单位配制灌注桩C35耐久性混凝土，28d生产抗压强度比试配强度低约10MPa。对原材料进行检测，均符合要求。经排查，问题出在水泵标定上。水泵厂家提供的该型号水泵的出水流速为5kg/s，施工单位粗略标定了一下在5kg/s左右，于是采用了5kg/s这一数据。然而经连续多次准确标定，测得流速为5.68kg/s。这就导致单方混凝土实际用水量多出近17kg，造成混凝土生产强度大幅度降低。
2.3砂子含水率监测频率低，误差大
    施工单位在监测砂子含水率时，普遍存在监测频率低，多用目测估计代替标准检验的现象，这就造成混凝土质量波动较大。笔者通过实验证明，目测估计砂子含水率与标准测定的结果相差1%是十分正常的。
    假如单方混凝土用砂量（5%含水率）为800kg，则目测估计误差为：
800×1%=8kg
    再者，砂堆含水率不均匀，由砂子含水率监测不严格造成的单方混凝土用水量波动往往在10kg以上，从而引起混凝土强度波动很大，甚至造成强度不达标。
2.4调整混凝土状态的方法不当
    以往，由于减水剂的减水率所限，当减水剂的减水率达到极限时，不得不通过提高水泥浆量或用水量来增加混凝土坍落度以满足施工。
    随着外加剂技术的飞速发展，减水剂的减水率大幅度提高，以往这种调整思路已不再适合尤其对于大掺量粉煤灰、矿粉混凝土。正确的方法是，依据配比报告提供的总用水量，并固定该用水量，通过调节减水剂的方法来调整混凝土状态。
    一般情况下，高掺量粉煤灰、矿粉混凝土水胶比低，和易性好，粘度较普通混凝土大，流动速度较普通混凝土慢些。有的施工单位为了方便施工或是赶进度，竟然人为多加水增大坍落度，以获得较大的流动速度，这是绝对不可取的。

3.1严格控制原材料质量

    采用合格的原材料是控制好用水量的前提，也是配制出合格混凝土的先决条件。其中，砂子含泥量和粉煤灰级别是重中之重。
    另外，采用合格的原材料能够降低综合施工成本。中铁九局某公司实验室主任在青岛海湾大桥施工过程中深切感受到，采用优质原材料进行大掺量粉煤灰、矿粉混凝土施工，从整个施工过程（包括缩短工期、大幅度降低风险，确保工程质量等方面）来说是经济的。
3.2准确标定原材料计量设备
    应定期对各原材料计量设备进行准确标定，尤其是水和外加剂的计量设备，并满足相应精度要求。如：砂、石的计量误差应控制在总量的2%以内；胶凝材料、水和外加剂的误差应不大于总量的1%。
3.3提高砂子含水率的监测频率和精度
    采用标准方法定时对砂子含水率进行检测，及时调整计量用水，使混凝土总用水量保持稳定。尽量避免使用目测估计含水率的方法。
3.4固定总用水量，用外加剂调整混凝土状态
    配制混凝土，当原材料均合格时，采用固定总用水量，调整外加剂的方法来调控混凝土状态是十分有效的。切不可向混凝土中随意加水。

（1）大掺量粉煤灰、矿粉凝土的性能受用水量变化影响十分敏感。混凝土单方用水量的波动应控制在 5kg 以内，否则混凝土性能将发生很大变化，施工单位一定要重视。

（2）施工单位应以严格控制原材料质量为起点，定期、准确标定原材料（尤其是水与外加剂）计量设备，定时、严格监测原材料状况（重点是砂子含水率），为降低综合施工成本打基础。
（3）固定混凝土单方总用水量，通过调整外加剂的方法来调控混凝土的施工性能，确保混凝土质量。