不发火混凝土强度和工作性影响因素分析

近年来，建筑物的安全性和可靠性，尤其是防火性越来越受到重视。2012年，我国GB 50016—2014 《建筑设计防火规范》中规定：“散发较空气重的可燃气体、可燃蒸气的甲类厂房以及有粉尘、纤维爆炸危险的乙类厂房，应采用不发火花的地面”，研究与开发不发火混凝土新技术对建筑安全具有重要的意义。

所谓不发火混凝土，是指当所用材料与金属或石块等坚硬物体发生磨擦、冲击或冲擦等机械作用时不发生火花或火星，不会引起易燃物发火或爆炸的危险，即为具有不发火性能。 虽然我国不发火混凝土的研究起步较晚，但已成功用于机场、铁路、气体工厂等有特殊要求的地面工程中。

目前，我国生产的不发火混凝土和易性一般，泵送性能差，只适用于自卸施工；对如何提高混凝土的强度和工作性还有待进一步深入研究。

1??试验概况

1.1??原材料

（1）水泥。唐山产P·O 42.5水泥，其化学成分见表1，物理性能见表2。

表2  水泥物理性能

（2）粗骨料。按GB 50209—2010《建筑地面工程施工质量验收规范》推荐的不发火混凝土的粗骨料 应选用大理石、白云石或其他石料，其原因是这些材料硬度较低，纯度较高，不发火性能容易通过。按该规范的附录A对大理石、白云石和石灰石进行不发火试验，结果显示，白云石全部通过不发火试验，而部分大理石和石灰石试样因含杂质未能通过，因此本文选择白云石作为粗骨料。 白云石产地为北京房山，规格5~10?mm，5~16?mm， 5~25?mm 3种连续级配，其性能指标见表3。

（3）细骨料。白云砂采用同材质的白云石破碎成机制砂，按GB 50209—2010《建筑地面工程施工质量验收规范》中附录A进行不发火试验，胶结料选用1.1（1）所述水泥，试样顺利通过不发火性能试验。白云砂细度模数为2.7，级配区为II区，石粉含量为3.2%，堆积密度为1?550?kg/m3。

（4）矿物掺合料。采用天津产F类粉煤灰，其需水量为97%，细度为8.0%，烧失量为4.09%；河北三河产高炉矿渣，其比表面积为421?m2/kg，流动度比为101%，活性指数为84%/7?d，97%/28?d。粉煤灰和高炉矿渣的化学成分见表4。

（5）拌合水为饮用水。

（6）外加剂为北京产高性能减水剂，其减水率为34%。

1.2??试验方法

水泥胶砂试条制作参考GB/T 17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》验证细骨料的不发火性能；新拌混凝土的工作性能按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行检验。骨料及混凝土的不发火性能按 GB 50209—2010《建筑地面工程施工质量验收规范》附录A做不发火试验。

2??结果与分析

2.1??不同水胶比对混凝土工作性和强度的影响

本试验选取0.32，0.38，0.44 3种不同的水胶比，在相同的粒径范围、水泥用量和砂率等参数下，研究水胶比对不发火混凝土强度和工作性的影响规律，试验配合比见表5，试验结果见表6。

表6   不发火混凝土配合比试验结果

从表6可看出，与普通混凝土相似，不发火混凝土的强度随水胶比的降低而增高。当控制粗骨料粒径为5~16?mm时，随水胶比降低，混凝土的28?d抗压强度分别增加了9.0%和11.3%。据有关研究表明，水泥完全水化所需的水/水泥（胶凝材料不包括掺合料）为0.227，多余的水并不参加水化反应，而是成为自由水被蒸发，最后会在混凝土中形成许多贯通的毛细孔，降低骨料与水泥浆粘结力。因此，在水与水泥的比例一定时，由于活性矿物掺合料可与水泥水化产物发生二次火山灰效应，且可提高混凝土的密实度，所以水胶比越低，掺合料的掺量就越多，强度越高。 混凝土的流动性有所下降，但保水性和粘聚性有所提高，随着水胶比降低，这是因为低水胶比拌合物中胶凝材料和粉煤灰含量较多。随水胶比降低，对粗骨料粒径为5~16?mm的混凝土拌合物坍落度由170?mm依次降为160?mm, 140?mm。对其他规格粒径范围也有相似结果。经分析认为，在用水量不变的情 况下，胶凝材料用量越多其包裹所需的水量就越多，所以在低水胶比时形成的水膜就越薄，造成流动性 较差。

2.2??粗骨料粒径对混凝土工作性和强度的影响

由表6可知，在水泥用量、水胶比和砂率相同的情况下，粒径范围为5~16?mm时强度最高。在水胶比为0.32时，比粒径范围为5~25?mm的强度高出1.4%，却比5~10?mm的高出约9.3%。这是由于在5~16?mm范围内粒径对裂缝的扩展有一定的阻碍作用，所以随粒径增大其强度有所增加；但当粒径为5~25?mm时，由于粗骨料粒径增大使粗骨料与水泥浆体的粘结界面出现裂缝的几率增加，所以强度有所降低。王立新和吴历斌等人也得到了相似结论。

在水泥用量、水胶比和砂率相同的情况下，随粒径范围增大混凝土的和易性逐渐变好。当粗骨料粒径由5~10?mm增加到5~16?mm时，混凝土拌合物的坍落度突然增加；而再增加到5~25?mm时，坍落度增加变缓。经分析认为，粗骨料粒径为5~10?mm时级配为单粒级，骨料间的咬合力相对较差，且小粒径骨料需水量也较大，所以在用水量相同的情况下混凝土拌合物的流动性较差，坍落度较小。

2.3??砂率对混凝土的工作性和强度的影响

在保持水泥用量、水胶比和粗骨料粒径不变的情况下，研究不同砂率对不发火混凝土工作性和强度的影响，试验的配合比见表7，试验结果见表8。

表8  不发火混凝土配合比试验结果

从表8可知，随着砂率增加，混凝土强度先增高后降低，和易性也先变好后变差。当砂率为41%时，28?d抗压强度达到最高（48.4?MPa），且拌合物的和易性也最好。经分析认为，砂率较小时，砂浆量不足以完全包裹粗骨料表面和填充粗骨料间的空隙，导致混凝土的和易性较差，强度也较低；而砂率过大时，在相同水泥用量下，骨料表面的水泥浆量相应减少，此时骨料间的粘结力下降，导致和易性变差强度 降低。

3??结论

（1）在保持水泥用量和用水量不变的前提下，随水灰比增大，混凝土强度不断降低，流动性变好，但粘聚性和保水性逐渐变差，当水胶比为0.32时28?d抗压强度达到最大值，约为49.1?MPa。（2）在粗骨料粒径范围为5~16?mm时，不发火混凝土的强度和工作性能最佳。在水胶比为0.38时，28?d抗压强度达到47.4?MPa，坍落度达到160?mm，工作性性能良好。（3）水胶比为0.38的不发火混凝土最佳砂率约为41%，此时强度最高，达到48.4?MPa，且工作性较好。（4）按本文叙述的所有配合比配置的混凝土均可满足不发火性能要求。