自应力混凝土配合比及设计理论

我国目前使用的自应力水泥 有三种，硅酸盐自应力水泥、铝酸 盐自应力水泥和硫铝酸盐自应力水 泥。所配置的自应力混凝土必须满 足以下几个重要技术条件和使用 功能:首先应该具有良好的膨胀值 范围，自由膨胀率控制在（试件 尺寸30mm×30mm×275mm） 1.0%～3.0%之间；后期增加的膨胀 值不大于0.2%。具有最低的强度值， 养护后的7d强度≥15Mpa。具有合适 的膨胀速度膨胀稳定期不少于3d，一 般不超过7～10d，合适的稳定期指该 混凝土自由膨胀试件达到28d以后， 继续在水中养生测得的膨胀值于原始 读数之比不超过0.2%。要求自应力 混凝土的自应力值≥2.5Mpa，自应力 混凝土的自应力值越高抗裂性能就越 好。
压力管混凝土 油库、反应罐混凝土 压力管街头砂浆 防渗砂浆
胀率1d强度超出0.15%～0.3%；3d的 强度超出0.45%～0.8%时，则应该减少 膨胀水泥的用量1.5%，低温施工时； 3d的自由膨胀率不应大于7d自由膨胀 率的70%。
通过试验分析表明；铝酸盐自应 力水泥具有较高的自应力值，该水泥 不仅在水化过程中CaO浓度低于饱和 的状态下可形成膨胀较小的钙矾石； 且在同一水化过程中可生成水化氧化 铝，和钙矾石一样对强度起到重要作 用，使钙矾石膨胀缓和与强度增长配 合良好提高强度。
150mm×150mm×150mm的标准试 件进行测定，配筋率可按 ≥1的指数采 用，目的在于比较各种配合比的膨胀能 量的大小，有效膨胀率εe和限制膨胀 率εz较大的其膨胀能也大。
选择配筋方式限制条件
为了提高粘结力除了结构为环形 配筋以外，其他结构应采取变截面钢 筋或刻痕钢筋，并采取焊接横向钢筋 进一步加强限制作用。配筋率应该接 近最佳配筋率，自应力混凝土的截面 尺寸和形状应根据使用条件按钢筋混 凝土机构设计原理进行计算。环形结 构配筋设计包括配筋率 和管壁厚度 δ，经验公式为：
一般的配筋率在1% ～2%左右。除此 之外还应采用较大面积的模板或其他 限制措施，用以提高膨胀能量的有效 利用率。
自应力水泥混凝土的配合比 设计
一般自应力混凝土压力管所用水 泥都是由水泥厂供应的自应力膨胀水 泥，由矾土水泥与石膏配制，水泥的质 量和特性是制作压力管混凝土的质量关 键，尤其是用于公路路基、市政给排 水、热力及通讯工程的管道质量至关重 要。涉及到强度、抗渗及耐久等重要指 标，选取合理特性的水泥和配合比设计 是这样的技术问题。
检验：水泥成分中的SO3含量波动 范围小于±0.15%，小于±0.5%。将 出磨水泥制成1:1.6的砂浆试件，经静 停、蒸养达到脱模强度（20±2）Mpa 以后，再放入（20±1）℃的水中，养 生到1d、 2d 、3d时分别测定自由膨胀 率，确定符合设计要求的配料方案， 并根据7d的自由膨胀率在1.2%～20% 范围内，且自应力不低于3.0Mpa情况 下，再选择膨胀水泥的用量，如自由膨
主要的水泥材料：应选用强度 等级42.5Mpa以上，常规使用的质量 稳定的矾土水泥，要求水泥的细度在 3800～4500cm2/g范围内；水泥熟料占 60%～70%；Al2O3含量应大于40%； 二水石膏中的SO3含量不低于37%，磨 细粒径小于0.1mm。规定入磨物料的 流量偏差为：石膏±0.36%，矾土水泥 ±0.72%，普通水泥±1.0%。骨料粒径 一般为5～13mm。
作者单位：密涿高速公路廊坊建设管理处
2011年第15期 (8月上) 《交通世界》 125
R —— 自 应 力 混 凝 土 的 抗 压 强 度 （Mpa）；
h——压力管管壁厚度（cm）。
提高自应力值的途径
自应力混凝土的最大缺点是产生 的自应力值太低，使该混凝土的使用范 围受到很大的限制，目前只用于自应力 混凝土的压力管，针对此技术难题，如 何提高自应力混凝土的应力值是关系到 该混凝土技术发展的前景问题。目前的 技术研究重点是在原材料的成分及配合 比、水泥的强度或膨胀剂的掺量方面进 行一系列的技术研究与应用。
—— 最 大 应 力 时 的 配 筋 率 （%）；
ES——钢筋弹性模量。
自应力混凝土的设计方法
自应力混凝土的设计关键在于进 行构件的设计和试验，取得大量的测试 数据后不断进行计算和修正，以达到自 应力混凝土的技术要求和使用功能，按 照惯例和研究有如下方法。
使用最大膨胀能量的膨胀水泥和 配合比
该设计方法可用棱柱体 试件进行测试，试件的尺寸根 据骨料的大小而定，亦可采用
自应力混凝土的技术设计 问题
自应力混凝土的设计方法至今依 然是技术领域内深入研究的课题，很 大程度上缺乏成熟的理论和公式。为 能够充分发挥和利用自应力混凝土的 功能，必须选用最大膨胀性能的混凝 土及最合理的限制方法，也是该混凝 土理论设计和实践发展面临和解决的 问题。
有效膨胀率、膨胀性能、配筋率 选择及最大自应力问题。由于该混凝土 是通过体积膨胀来进行工作，其膨胀性 能是在膨胀水泥水化过程中产生的化学 能，既产生所需要求的自应力有效膨胀 能。该混凝土的自应力值高于补偿收缩 混凝土，因此，自应力混凝土有效膨胀 率εe应考虑弹性回缩率，即εe=（1+n
环形配筋率 = f/RS 管壁厚度h=K Pi r/f（1+n ）+R 式中： ——压力管配筋率（%）； f——自应力混凝土试件计算的应 力值（Mpa）； R S —— 低 碳 冷 拔 钢 丝 的 抗 拉 强 度 （Mpa）； K —— 压 力 管 的 安 全 系 数 ， 取 1.3～1.5； P i —— 压 力 管 内 的 水 压 力 （Mpa）； r ——压力管的内半径（cm）； n——环形钢筋的层数；
表1 膨胀剂掺量（%）
10 13 16
13 16
பைடு நூலகம்
测定龄期（d） 自由膨胀率ε1（%） 有效膨胀率ε1（%） ε1/εe
0.03
3
0.15
0.59
0.03 0.15 0.18
1.00 0.50 0.31
7
0.54
3.00
0.23 0.35
0.43 0.12
124 TRANSPOWORLD 2011No.15 (Aug)
当自应力水泥的强度较低或强度 增长较慢，而水泥的膨胀率较大时，应 提高水泥的强度等级，或提高水泥强度 组分的细度和见地膨胀组分的细度。
当膨胀发生过早时，设法减少膨 胀组分或改变膨胀组分的水平速率，如 采用膨胀发生较慢或较小的矾土水泥， 既可增加矾土水泥的计量以提高早期强 度，又可在稍后的时间内产生较大的膨 胀，从而得到较高的自应力。自应力水 泥的强度高、膨胀率较小时；适当增加 膨胀组分的用量。如在硅酸盐自应力水 泥中适当增加石膏的用量。
采用适宜的热处理来调节和控 制强度及膨胀的发生和发展，是提高 自应力值的必要措施。如我国采用硫 铝酸盐水泥自应力混凝土制作压力管 时，经过40℃～60℃的热水养护则有 效的提高了自应力值。通过采用限制 方法改进混凝土的任意膨胀特征：作 为决定限制膨胀能量的重要因素，配 筋率和方法对自应力值有很大影响，
H现代公路 IGHWAY
自应力混凝土配合比及设计理论研究
文/郑 军
自应力混凝土是用特制的水泥；按 一定比例掺入石料、砂、水和适 宜的外加剂而成混凝土，经过湿润状态 的养护发生一定的体积膨胀，带动其中 配制的钢筋一起伸长，同时张拉了结构 内的钢筋而形成拉应力，而本身却受到 钢筋的弹性回缩给予的压应力。因此， 凡是不借助于外力而用自身膨胀进行张 拉钢筋达到预应力效果的混凝土称之为 自应力混凝土，亦称为化学应力混凝土 或膨胀混凝土。在土木工程中将自应 力混凝土用于制作混凝土压力管、输 气和输油的管道，同时节约钢材和降 低工程成本，对于桥梁预应力局部混 凝土及预应力钢筋混凝土管道工程的 应用；该混凝土具有良好的使用价值 和技术前景。
表2
水泥种类
301自应力水泥 302自应力水泥 303自应力水泥 304自应力水泥
水灰比 （W/C）
0.38～0.40 0.45～0.50 0.34～0.40 0.30～0.40
混凝土（砂浆）质量配合比
水泥 砂子
石子
1
0.80
1.2
1
1.40
2.1
1
1.0 2.0
1
1.0 2.0
适用于工程种类的混凝土或砂浆
）εz，并非只限制膨胀率εz。通过 大量工程实践分析得出有效膨胀率εe 与自由膨胀率ε的比值关系见表1。
鉴于以上数据分析证明；不同膨 胀的水泥、不同配合比及不同的试件尺 寸，如果配筋率 ≥1%时；其限制膨胀 率εz与配筋率 有求得最大自应力的如 下函数关系，推导过程（略）:
f=C e-1 ES 式中： f——最大自应力（Mpa）； C——在配筋率 =0时的的膨胀率 （%）； e——自然对数e=2.7183；
自应力混凝土应严格控制其强度 和膨胀率的变化，一般需要蒸汽养生。 自应力混凝土的种类不同则加热温度和 时间也不同，硅酸盐自应力混凝土的蒸 汽养生温度必须达到70℃～90℃条件 下养生1～2h，其他自应力混凝土的蒸 汽养生温度必须达到40℃～60℃条件 下养生1h左右达到10Mpa时可停止养 生。自应力混凝土或砂浆参考材料重量 配合比如表2。