关于特细砂混凝土力学性能及抗渗试验的分析

文｜贵州省水利科学研究院 令疆宇丹

1 引言

2 特细砂混凝土配合比设计

2.1 混凝土配置强度

混凝土对配置强度具有一定的要求，满足强度条件后才能够进行使用，否则将会对水利工程质量造成影响。混凝土强度等级用“号”进行表示，如C40、C50 等。在水利工程中，混凝土需要承受较大的压力，因而对混凝土的强度要求较高，若混凝土强度不符合要求，则需要重新对混凝土进行配置，进而造成材料的浪费。因此，需要严格按照配合比对混凝土进行配置，使混凝土具有良好的配置强度。混凝土配置强度需要具有95%的保证率，这样的强度才能够符合标准，使混凝土能够顺利地投入到水利工程中。混凝土强度计算公式如下：

其中，fcu,o为强度等级（MPa），fcu,k为配置轻度（MPa），σ 为标准差（MPa），通常取5MPa。以C40、C50 为例，对应的配置强度分别为48.2MPa、58.2MPa，进而得到对应强度等级的配置强度。

2.2 水胶比与用水量

通过水胶比可以反应凝胶材料的用量，对混凝土强度具有一定的影响。水胶比与骨料种类、配置强度具有密切的关系，需要基于这两者进行计算。另外，还会受到抗压强度的影响，所有水胶比（W/B）计算方法如下：

其中，αa、αb为骨料的回归系数，取值为0.53、0.20；fb为抗压强度。通过上式可知，在回归系数、配置强度不变的情况下，水胶比主要受到抗压强度的影响，调整抗压强度是提高水灰比例的关键。

混凝土用水量主要由坍落度决定，通常情况下，混凝土坍落度一般在120-160mm 之间，对应的单位用水量为215kg。同时，还会受到减水率的影响，本试验减水率控制在20%-25%之间。混凝土用水量计算公式如下：

其中，mw0为用水量，mw为单位用水量，δ 为减水率。当mw＝215kg，20%≤δ≤25% 时，混凝土用水量在161-172kg 之间，取两者的平均值167kg 作为用水量即可。

2.3 胶凝材料用量

凝胶材料可以增强混凝土的胶结作用，使混凝土之间能够快速地粘合，形成良好的胶凝效果。胶凝材料需要按照一定的配比进行添加，严格对掺量进行控制，进而形成正确的配合比。胶凝材料主要为水泥、矿物掺和料，需要通过计算的方式得到确切的用量，提高胶凝材料的掺和精度。胶凝材料用量受到水胶比的影响，用水量mho（kg/m3）可以通过计算得到，所以胶凝量mb0＝mho/(W/B)，进而完成胶凝总量的计算。规定矿物掺合料的掺量为γ（%），则可以得到对应的用量为γmb0。再从凝胶总量中去除矿物掺合料便可以得到水泥用量，即mho-γmb0。通过上述方法，便可以完成凝胶材料用量的计算，使用量能够得到较为准确地评估，进而保障凝胶材料配合比的合理性，使凝胶材料得到正确的使用。

2.4 含砂率及骨料用量

含砂率对混凝土性能具有较大的影响，需要做好含砂率的计算工作，确定砂石的具体掺量，保障砂石使用的合理性。含砂率由砂和石的质量进行求得，计算公式如下：

砂与石在本质上并没有区别，但在建筑工程中以粒径对砂与石进行规定，具体规则如下：当粒径≤5mm 时，则为砂；当粒径≥5mm 时，则为石。在混凝土配置过程中，含砂率选择具有如下规律：第一，当粗集料用量较多时，需要增加含砂率，形成良好的级配关系；第二，当细沙用量较多时，为了使含水率降低，需要增加粗砂的用量。实际上，含砂率一般采用试配的方式，按照1%-2%的幅度进行递增，进而得出最佳的含砂率配比。

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在骨料用量方面，一般采用质量法进行计算，含砂率Sp与粗、细集料的质量（mg、ms）具有如下关系：

2.5 试配及配合比调整

配合比计算工作完成后，需要对混凝土进行试配，对材料的掺量进行调整，使特细砂混凝土具有良好的性能。在试配过程中，需要保证水胶比不变，将水胶比作为参考标准展开计算。以C30 混凝土配置为例，需要对水胶比与抗压强度的关系进行确定，如图1所示。由曲线可知，水胶比与抗压强度为线性关系，在实际配置过程中，水胶比需要略大一些，使配置强度能够得到保证。

图1 C30 混凝土水胶比与抗压强度关系曲线

本试验中，经过计算C30 混凝土对应的水胶比为0.48，需要通过上述公式，围绕该数据对用水量、骨料用量等进行计算，使混凝土配合比能够得到确定。在试配过程，需要根据理论值对配合比进行调整，最终得到的混凝土配合比见表1所示。

表1 C30 混凝土配合比

3 特细砂混凝土力学性能试验

3.1 抗压强度试验

本试验为立方体抗压强度试验，将C30 混凝土进行制样，制作成200mm×200mm×200mm 的立方体，将其作为试样进行试验。试验步骤如下：试样制作完成后，通过压力试验机进行试验，对混凝土立方体进行持续加压，加压速率为0.4MPa/s。由试验机对受力情况进行记录，直至立方体遭到破坏后停止记录，标志着试验过程结束。特细砂含量对抗压强度具有一定的影响，需要对特细砂含量与强度关系进行分析，采用特细砂含量为15%、30%、45%的试样进行试验，采用上述试验方法进行压力测试，得到压力极限值分别为3.5MPa、2.2MPa、1.5MPa。上述数据表明，特细砂含量越高，混凝土的压力极限值就越小，不利于混凝土抗压强度的提升。因此，将特细砂的含量控制为15%较为合适。

3.2 抗拉强度试验

本试验为劈裂抗拉试验，用于对混凝土抗拉强度进行测试，采用C30 混凝土进行制样，制作成120mm×120mm×120mm的立方体，试验流程如下：将试样置于承压板中心进行试验，对立方体中心进行加压，同时需要对加压速率进行控制，采用0.06MPa 的速率进行加压，对立方体的破坏荷载进行记录。特细砂含量对抗拉强度具有一定的影响，需要通过试验的方式进行分析，采用特细砂含量为15%、30%、45%的试样进行试验，通过上述方式对抗拉极限值进行测试，得到抗拉极限值分别如下：3.8MPa、2.1MPa、1.6MPa。抗拉强度随着特细砂含量的增加而增加，特细砂含量为15%是抗拉强度最大。特细砂属于细骨料，有助于颗粒间的接触，使混凝土的抗拉强度能够增加，因而特细砂有助于抗拉强度的提升。

3.3 弹性模量试验

本试验需要在静压条件下进行，对混凝土的弹性模量进行测试，采用C30 混凝土进行制样，制作成200mm×200mm×300mm 的长方体，试验流程如下：将试样置于承压板上，在混凝土中心处逐渐增加压力，对弹性模量进行测试。压力增加速率为0.05MPa，每个压力值需要保持30s，使弹性模量稳定后再进行测试，保障测试结果的精准程度。在试验过程中，当变形量超出20%平均水平时，需要重新进行试验，判断是否是由于测量不准造成的。特细砂含量对弹性模量的影响试验如下：采用特细砂含量为0%、15%、30%、45%的试样进行测量，对弹性模量的最大值进行测试，得到对应的数值 如 下：41.35GPa、43.49GPa、42.75GPa、42.02GPa。由此可见，特细砂含量为15%时，混凝土的弹性模量最大，具有良好的弹性恢复能力。

3.4 收缩性能试验

混凝土在使用过程中具有收缩现象，一旦收缩量过大，混凝土将会难以恢复，甚至产生开裂问题，对混凝土施工质量造成影响。采用C30 混凝土进行制样，制作成100mm×100mm×500mm 的长方形，通过收缩变形测定仪进行试验，对混凝土的收缩性能进行测试。收缩性能试验步骤如下：在常温下对试件的正常收缩情况进行测试，采用手动振捣方式使试件成型，对试件的形变情况进行测试。形变量需要通过测定仪进行读数，分别对初凝与成型两个时间点进行测试，对试件的收缩性进行检验。采用特细砂含量为15%、30%、45%的试样进行测量，对应的收缩变化率分别为75.3%、92.5%、119.7%。在收缩变化方面，特细砂含量为30%时，收缩变化较为正常，试件收缩后能够进行恢复，可以保障混凝土的收缩性能。

4 特细砂混凝土抗渗性能试验

4.1 含砂率对抗渗性能影响

含砂率对抗渗性能具有一定的影响，需要采用试验的方式对两者的影响进行探究。在试验条件方面，采用水胶比为0.48的C30 混凝土进行试验，对含砂率与抗渗性能的关系进行分析。抗渗性能可由渗透系数进行量化，这样便可以准确地对抗渗性能进行分析。通过试验测定，可以得到含砂率与渗透系数之间的关系如图2所示。从整体效果来看，渗透系数随着含砂率的增加而减少，并且减少幅度逐渐下降。从含砂率17%至21%，含砂率对渗透系数的影响较大，而含砂率大于21%之后，渗透系数基本趋于稳定，下降幅度不再明显。渗透系数与抗渗性能呈现反比关系，抗渗系数越小，抗渗性能越强。由此可见，最佳含砂率为21%，此时混凝土具有良好的抗渗性能，能够降低水分的渗透作用。

图2 含砂率与渗透系数关系曲线

4.2 粉煤灰掺量对抗渗性能影响

粉煤灰掺量同样会对渗透性造成影响，为了保证分析结果的准确性，需要通过试验的方式进行分析。经过试验分析，可以得到如图3所示的关系曲线。从整体效果来看，随着粉煤灰掺量的增加，渗透系数先减小、后增大。在这种情况下，渗透系数便存在最小值问题，同时在该处混凝土的抗渗性能最强。当粉煤灰掺量为20%，抗渗系数最小；当粉煤灰含量为15%、25%时，抗渗系数基本相同，并且曲线呈现近似对称。由此可见，在对粉煤灰掺量进行选择时，为了降低材料的消耗，需要在15%-20%之间进行选择，这样可以有效地对粉煤灰的用量进行限制，有助于混凝土成本的节约，并且保障混凝土的抗渗性能。

图3 粉煤灰含量与渗透系数关系曲线

4.3 渗水性能试验结果分析

为了进一步对混凝土渗透性能进行分析，需要进行渗透深度试验，确定水分对混凝土的实际影响，保障混凝土具有较强的抗渗能力。采用特细砂含量为15%、30%、45%的混凝土进行试验，试样规格为100mm×100mm×200mm。将制样置于盛水容器中，静置24h。然后，需要水分渗透深度进行测试，对混凝土的渗透性能进行分析。采用Minitab 对试验数据进行统计，使混凝土渗透情况能够得到对比。经过测试，对应的渗透深度分别为10mm、8mm、5mm，特细砂含量越高，混凝土对应的空隙越小，渗水抗性越强。渗透深度越小，说明混凝土对水分的阻碍作用越强，将其应用在水利工程中越有利，能够为水利工程的抗渗能力提供重要保障。由此可见，特细砂含量为15%时，混凝土的渗透性能最强，进而使混凝土具有良好的抗渗性能。

5 结论

综上所述，特细砂混凝土对配合比具有较高的要求，一旦配合比不合理，将会对混凝土的强度造成影响，导致混凝土无法进行使用。在水利工程施工前，需要对混凝土的性能进行分析，使混凝土的强度能够得到保障，防止混凝土结构受到损伤。同时，还需要具有较强的抗渗性能，降低水域环境对混凝土的侵蚀，保障混凝土符合水利工程施工的特点。