解析高性能混凝土配合比的优化设计

张超

摘要：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的。本文从原材料品质、配合比参数确定的技术要点及配合比设计方法进行了分析。

关键词：高性能混凝土 配合比 设计

1、技术要点

1.1 原材料品质选择

1.1.1水泥。高性能混凝土使用的水泥应满足以下条件：①标准稠度用水量要小，以使混凝土在低水灰比时获得大的流动性；②水化放热量和放热速度要低，以避免因混凝土的内外温差过大引起混凝土结构物产生裂缝，因此，早强型水泥不适用；③水泥强度要高。配制有高强、早强指标要求时，应使用高强度等级非早强型普通硅酸盐水泥。当混凝土强度等级在C60或以下时，可以使用42.5级矿渣水泥；④与外加剂相容性要好。水泥的流变性受掺用的高效减水剂的影响显著，即外加剂与水泥的相容性不佳会造成混凝土的坍落度严重损失甚至假凝。影响相容性的主要因素是水泥中的SO3含量、熟料塑化度和细度等。

1.1.2粗细集。料粗细集料占混凝土体积的65%一75%，是混凝土的主要组成部分。正确选择集料是配制高性能混凝土的基础，选择范围为：①细集料宜选择颗粒较圆滑、坚硬的河砂或碎石砂，细度模数在2.6―3.2之间，含泥量低，表观密度2.15g/cm以上，吸水率低；②粗集料的吸水率低，混凝土的强度较高，且抗冻性好，收缩值较小，所以粗集料的吸水率应不超过l%；③强度和弹性模量高的粗集料可以制得质量好的混凝土，但是粗集料过于坚硬，则在混凝土遭受温、湿变化而引起体积变化时，会使水泥浆一集料界面处受到较大应力而开裂，试验证明，粗集料压碎指标值宜为QA =lO%～15%，表观密度在2.65g/cm3以上；④加大粗集料尺寸会使混凝土强度降低，且混凝土强度等级越高越明显，主要原因是粗集料粒径越大，与胶结料的结合面越小，造成混凝土强度的微观不连续性，混凝土强度越高，这种现象越明显。因此，粗集料宜选用最大粒径在15cm～20cm。

1.1.3矿物掺合料。矿物掺合料是高性能混凝土必要组分之一。试验证明，矿物掺合料等量取代部分水泥后，可使胶凝材料具有密实填充。与高效减水剂双掺情况下，可使水泥基材料具有流化效应、耐久性效应和强度效应。是混凝土获取高性能的重要途径之一。在高性能混凝土中通常使用得的矿物掺合料的选择条件为：①矿物掺合料应是粒度20%），可大幅度降低混凝土单方用水量；②混凝土拌合物的流动性大，且保持混凝土的坍落度损失功能好；③含碱量尽可能小，不含大量氯离子，能显著提高混凝土耐久性。

1.2 配合比参数确定

1.2.1用水量在水灰比一定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小加水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定、高强度的混凝土。因此，用水量根据混凝土拌合物坍落度的大小和高效减水剂的效果而定，一般wo≯175kg/m 。

1.2.2水胶比，严格控制水胶比是保证高性能混凝土质量的关键之一。低水胶比能降低混凝土的孔隙率并减小孔隙尺寸，通过混凝土的低渗透性来保证其耐久性。高性能混凝土的水胶比[ （水泥+矿物微细粉）]一般不大于0.38。

1.2.3浆集比。水泥浆与骨料（亦称集料）的比例为浆集比。采用适宜的集料时，固定浆集体积比为35：65时可以很好地解决强度、工作性和体积稳定性之间的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。

1.2.4砂率砂率。主要影响混凝土的工作性。当水胶比不同时，高性能混凝土中的最优砂率也有所变化。高性能混凝土的砂率可根据胶凝材料总量、粗细骨料的颗粒级配及混凝土泵送要求等因素来确定，宜采用37%一44%。

1.2.5胶凝材料掺量。在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在1个适宜范围内，胶凝材料总量宜为450kg/m3～600kg/m3，其中矿物微细粉用量宜≤胶凝材料总量的40%。

1.2.6高效减水剂掺量。高效减水剂是混凝土实现大流动性的唯一途径，高效减水剂掺量应根据坍落度要求确定，其最佳摻量一般占胶凝材料质量的1%～2%。

2、配合比设计实例

2.1 设计要求

某桥梁20m后张箱梁，设计混凝土强度等级C55，坍落度180mm一220mm。

2.2 设计原则

该混凝土配合比设计原则是以普通混凝土配合比设计方法为基础，假定给出主要参数而确定。

2.3 原材料

水泥：塔牌P42.5，实测28d抗压强度为48Mpa；砂子：西江产中砂细度模数M=2.8，含泥量：2.5%；石子：碎石5―25，含泥量：1%；粉煤灰：级灰，细度：6%，需水量比：95%；矿粉：石宝75级，细度：0.8%，流动度比：105%外加剂：赞凯BZK一6，减水率：20%，pH值：8.2。

2.4 设计步骤

（1）试配强度试配强度确定为fc28=62.4MPao（2）水胶比采用清华大学提出的改进保罗米公式：

fc28=0.304？ce[（C+M）/W+0.62]

式中：

ce一测定的水泥实际强度（MPa）；

W一单位用水量（kg/m3）

M一矿物掺合料（kg/m3）

（3）单位用水量：取W0=175kg/m3

（4）矿物掺合料粉煤灰替代量取18%、超量系数取1.1，矿粉替代量取20%。

（5）外加剂掺量取胶凝材料的2.7%。

（6）砂率按经验取38%。

根据上述步骤选定的配合比设计参数，并假定混凝土表观密度2450kg/m3，经计算得出初步配合比。实验室试拌时，仍采用坍落度法测定拌合料的坍落度值和扩展度。通过反复试拌调整和强度测定，对多方案进行比较后确定出试验室配合比为：

C：S：G：W：F：K：A=1：1.50：2.45：0.43：0.32：0.32：0.04

水胶比W/（c+M）=0.26。实测坍落度：200mm。实测抗压强度：R7=49.9MPa，R28=64.5MPa。满足设计要求。

以上方案经实际应用各项指标符合设计要求。浇注时混凝土拌合料呈现出良好的填充性，拆模后混凝土板体质量均匀。对于高性能混凝土工作性的条件，应当予以很好的满足。同时，需要对于用水量进行最大限度的减少，从而对于混凝土的干缩起到一定的抑制作用，并且对于水泥石界面和骨料的粘结力，以及混凝土和钢筋之间的握裹力产生相对的作用。

3、结束语

综上所述，高性能混凝土配合比设计的最关键问题是解决在低水灰比条件下使新拌混凝土获得高流动性与高抗离析性。显然传统的坍落度试验已不能进行有效评定，特别是在高流动性条件下对混凝土要求很高的粘性值不能定量反映。施工中我们也曾发现即使混凝土拌合物坍落度满足设计要求（>180mm），但在浇注过程中仍发生粗集料成拱堵塞的离析现象。因此，合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成分的用量，获得最经济和适用的混凝土。

参考文献

[1]杨钱荣.混凝土渗透性及引气作用对耐久性的影响[J].同济大学学报2009（6）

[2]于明秀.高性能混凝土在公路桥梁建设中的应用浅析[J].中小企业管理与科技.2010（31）

[3]杨文龙.高性能混凝土在建筑工程中的应用[J].黑龙江科技信息.2010（17）