C90高性能混凝土配合比設(shè)計

陳強(qiáng)

（黃龍縣建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，陜西 黃龍 715700）

1 緒 論

1.1 引言

隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，高效減水劑和高活性的混凝土摻合料不斷得到開發(fā)與應(yīng)用，并滿足工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高層、超高層及超大型發(fā)展的需要，混凝土強(qiáng)度、性能不斷提高。越來越多的大跨橋梁、高層建筑、地下與水下建筑工程的修建和使用，要求混凝土具有高強(qiáng)、高體積穩(wěn)定性、高彈性模量、高密實度、低滲透性、耐化學(xué)腐蝕性及高耐久性并具有高工作性等特性，使高強(qiáng)和高性能化的混凝土逐漸成為了主要的工程結(jié)構(gòu)材料。高強(qiáng)高性能混凝土是重點保證耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、適用性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性的一種新材料。因此，它在工程建設(shè)中將占據(jù)主要地位。

1.2 C90 高強(qiáng)高性能混凝土的技術(shù)要求

C90 高強(qiáng)高性能混凝土是在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的，要求易于泵送、澆筑、搗實，不離析，能長期保持高強(qiáng)、高韌性與體積穩(wěn)定性，且使用壽命長。因此它必須具有工程設(shè)計和施工所要求的優(yōu)異的綜合技術(shù)特性，具體如下：

（1）具有高抗?jié)B性和高抗介質(zhì)侵蝕能力。高抗?jié)B性是高耐久性的關(guān)鍵。

（2）具有高體積穩(wěn)定性，即低干縮、低徐變、低溫度應(yīng)變率和高彈性模量。

（3）高強(qiáng)、超早強(qiáng)，即滿足工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件較高要求的承載能力。

（4）具有良好的施工性，即滿足施工要求的高流動性、高黏聚性, 坍落度損失小，泵送后易于振搗，甚至免振達(dá)到自密實。

（5）經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)利于節(jié)約資源、能源及環(huán)境保護(hù)。

1.3 C90 高強(qiáng)高性能混凝土的研制技術(shù)途徑

C90高強(qiáng)高性能混凝土作為一種新型高技術(shù)混凝土，它的研制要求我們必須從原材料、配合比、施工工藝與質(zhì)量控制等方面綜合考慮。首先必須優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)原材料。其次在配合比研制時，在滿足設(shè)計要求的情況下，盡可能降低水泥用量并限制水泥漿體的體積；根據(jù)工程的具體情況摻用一種及一種以上礦物質(zhì)超細(xì)粉摻合料；在滿足流動度的前提下，通過優(yōu)選高效減水劑的品種與劑量，盡可能降低混凝土的水膠比。第三是正確選擇施工方法，合理設(shè)計施工工藝并強(qiáng)化質(zhì)量控制意識與措施，以保證C90 高強(qiáng)高性能混凝土滿足工程結(jié)構(gòu)的需要。

2 原材料的優(yōu)選

2.1 原材料的影響

采用基準(zhǔn)混凝土(試樣1)與對比組混凝土(試樣2，3，4，5，6)的水泥用量相同,坍落度基本相同的試驗方案，分別研究減水劑、緩凝劑、復(fù)合超細(xì)粉和骨料粒徑等因素對混凝土強(qiáng)度的影響。試驗方案及試驗結(jié)果見表1。

分析表1試驗結(jié)果,可以得出如下結(jié)論：

（1）試樣3摻加了高效減水劑，骨料粒徑較小為10mm，28d強(qiáng)度達(dá)到了100MPa，說明高效減水劑和較小的骨料粒徑是制備高強(qiáng)混凝土的必備條件。

（2）試樣2與試樣3對比，粗骨料的最大粒徑Dmax增加，水泥漿與骨料的粘結(jié)面積減小，因此，28d強(qiáng)度降低19%。

（3）試樣1未摻加高效減水劑，盡管用水量較多，但混凝土拌合物的坍落度僅為60mm，類似于普通塑性混凝土。由于W/C較低，混凝土拌合物粘度很大，無法與普通塑性混凝土一樣易于密實成型，實際上無法完成現(xiàn)場施工。

表1 混凝土配合比及性能指標(biāo)

（4）試樣4與試樣3對比，由于摻加了緩凝劑葡萄糖酸鈉緩凝劑，調(diào)整了水泥的水化過程，使水泥的水化產(chǎn)物分布比較均勻，從而改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，混凝土28d強(qiáng)度提高了約7%。

（5）試樣5與試樣3對比，摻加10%的復(fù)合超細(xì)粉(等量取代水泥)，混凝土拌合物的和易性有所改善，28d強(qiáng)度提高10%。

（6）試樣6與試樣3對比，在同時摻加緩凝劑和復(fù)合超細(xì)粉時，混凝土拌合物的和易性有較大改善，混凝土強(qiáng)度提高11.4%。

上述試驗研究表明：摻加減水劑、緩凝劑、復(fù)合超細(xì)粉和采用較小的骨料粒徑是獲得高強(qiáng)混凝土的有效技術(shù)途徑。

3 C90高性能混凝土配合比設(shè)計

3.1 原材料的確定

（1）水泥采用賽馬牌P·O52.5，各項指標(biāo)檢驗合格。

（2）細(xì)集料選用細(xì)度模數(shù)為2.9的二區(qū)中砂，表觀密度為2600kg/m3，堆積密度為1480kg/m3，緊密密度為1530 kg/m3，含泥量為0.1%，泥塊含量為0，云母含量0；輕物質(zhì)含量0；硫化物及硫酸鹽含量0；有機(jī)質(zhì)含量0。

（3）粗集料選用5～20mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2710kg/m3，堆積密度為1510 kg/m3，緊密密度為1550kg/m3，空隙率為46%，含泥量為0，針片狀含量為2.0%，吸水率為0.2%，壓碎值指標(biāo)為6%。采用花崗巖破碎，母材強(qiáng)度符合要求。

（4）外加劑

本設(shè)計選用自配緩凝高效減水劑，減水率可達(dá)25%以上，保坍性好，具有增稠、減縮、低引氣等特點。與所用水泥有較好的適應(yīng)性，坍落度經(jīng)時損失小，能滿足設(shè)計要求。

（5）摻合料

本設(shè)計選用I級粉煤灰、磨細(xì)礦渣與硅灰復(fù)合摻用，充分發(fā)揮了這三種材料的填充效應(yīng)，火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)等方面的相互促進(jìn)相互補(bǔ)充作用，進(jìn)而起到超疊加效應(yīng)。比單摻效果更好。摻合料的主要性能指標(biāo)如表2所示，其性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

表2 摻合料主要性能指標(biāo)

3.2 原材料參數(shù)的確定

3.2.1 砂率的確定

砂率的大小主要影響混凝土拌合物的流動性能，同時砂石混合空隙率的大小決定了膠凝材料漿體能否既充分又經(jīng)濟(jì)地包裹、填隙骨料的表面。因此，本文根據(jù)砂石混合空隙率和砂率的關(guān)系，測定砂石混合空隙率，確定最佳砂率。先根據(jù)石子、砂級配情況初選幾個砂率，然后將不同砂率換算成砂石比，將不同砂石比的砂石混合，分三次裝入15～20升的鋼桶中，每次用圓頭搗棒各插搗30次(或在振動臺上振至材料不再下沉為止)，刮平表面后，稱量并計算搗實堆積密度ρ0，再測出砂石混合料的視密度ρ。計算砂石混合料的空隙率A=(1-ρ0/ρ)×100%，選取具有最小空隙率的砂率βs。一般A=18%～23%。本實驗砂石率在34%～56%之間進(jìn)行混合，砂石混合表觀密度為2650kg/m3。可以根據(jù)最小砂石混合最小空隙率確定出最佳砂率，初步定為42%。

3.2.2 外加劑摻量的確定

在配制高強(qiáng)高性能混凝土?xí)r，減水劑和緩凝劑是必不可少的成分，必須根據(jù)選定的水泥做水泥與外加劑適應(yīng)性實驗，為了在低水膠比條件下獲得良好的流動性和保坍性，確定外加劑的最佳摻量是十分必要的。具體做法如下，估選水灰比0.25，摻入不同摻量緩凝高效減水劑（摻量變化根據(jù)具體的復(fù)合外加劑定），按標(biāo)準(zhǔn)方法測定水泥凈漿的初始流動度和1h后的損失，做外加劑摻量和流動度的關(guān)系圖，選擇最佳摻量，如圖1所示，外加劑摻量達(dá)到1.8%時為飽和摻量。如果條件容許，為了確定摻合料與外加劑的合理摻量，還可以與預(yù)期混凝土配合比相同的水泥砂漿進(jìn)行摻量試驗，外加劑摻量為1.8%時，砂漿的抗壓強(qiáng)度最大。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)綜合分析，確定外加劑的最佳摻量為1.8%。

3.2.3 礦物摻合料摻量的確定

經(jīng)驗表明：硅粉、磨細(xì)礦渣和天然沸石粉可等量替代水泥。保持混凝土的單位用水量和坍落度不變，混凝土中以5%～7%的硅粉置換相應(yīng)的水泥，強(qiáng)度提高10 %左右；以5%～10%的天然沸石粉置換相應(yīng)的水泥，強(qiáng)度提高10%左右；以25%的磨細(xì)礦渣置換相應(yīng)的水泥，強(qiáng)度也能提高1%左右；而粉煤灰應(yīng)采用超量取代法摻入，超量取代系數(shù)K = 1.2～1.4，也即以1.2～1.4kg的粉煤灰取代1.0 kg 水泥，才能使28d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相同。當(dāng)超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的摻入增加了膠凝材料的絕對體積時，應(yīng)相應(yīng)減少砂的用量。超細(xì)礦物質(zhì)摻合料若以復(fù)合形式摻加時，效果會更好。礦物摻合料有助于提高硬化混凝土強(qiáng)度，同時影響混凝土拌合物和易性。

本文選定硅粉摻量6%，磨細(xì)礦渣摻量25%，與粉煤灰復(fù)合，粉煤灰摻量變化為10%～30%，做復(fù)合礦物摻合料與水泥凈漿流動性實驗，找出礦物摻合料摻量與流動性之間的關(guān)系，確定最佳粉煤灰摻量為15%。

3.3 C90混凝土配合比設(shè)計

3.3.1 試配強(qiáng)度的確定

混凝土試配強(qiáng)度必須超過設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,以滿足強(qiáng)度保證率的需要，我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程中規(guī)定了普通混凝土強(qiáng)度的保證率為95%時，混凝土的試配強(qiáng)度fcu,ρ與混凝土的設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k之間的關(guān)系為fcu,ρ= fcu,k+ 1.645σ，而對高強(qiáng)混凝土沒有規(guī)定，按日本規(guī)范規(guī)定，配制高強(qiáng)混凝土的試配強(qiáng)度公式為：

式中 fcu,ρ——混凝土試配強(qiáng)度，MPa ；

fcu,k——混凝土設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa ；

T ——溫度修正系數(shù)，即不同氣溫下的強(qiáng)度修正值,一般為4 ～6 MPa ；

K——常數(shù)，取2.0～2.5 ；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取3.5 MPa。

由公式可知，C90混凝土試配強(qiáng)度應(yīng)在100MPa。

3.3.2 水膠比的確定

配制C90 混凝土必須采用低水灰比，其強(qiáng)度變化規(guī)律已經(jīng)與鮑羅米公式相差較遠(yuǎn),它們的基準(zhǔn)水灰比只能按現(xiàn)有試驗資料確定，然后通過試配予以調(diào)整。為保證工作性，采用水灰比一般為0.23～0.28（具體由試配確定），太小保證不了混凝土的坍落度，無法施工，太大混凝土的強(qiáng)度無法保證。本設(shè)計估選水灰比為0.25。

3.3.3 用水量的確定

硬化后混凝土的強(qiáng)度通常與用水量成反比，因此，在施工和易性允許的條件下，混凝土的單位用水量應(yīng)盡可能小。對于高強(qiáng)混凝土由于其骨料最大粒徑波動范圍很小為10～25mm，坍落度波動范圍也很小為180～210mm，每立方米混凝土單位用水量的取用見表3。

表3 混凝土單位用水量的取用

根據(jù)試配強(qiáng)度，應(yīng)選取用水量在130～140kg/m3，考慮和易性等因素，本設(shè)計選取用水量為140kg/m3。

3.3.4 水泥用量的確定

由上述得到的水灰比W/C和單位用水量W，可計算出水泥用量mc=W/(W/C) 。但應(yīng)注意當(dāng)水泥用量超過某一最佳值后，在等流動性下，混凝土強(qiáng)度將不會再提高。根據(jù)規(guī)范要求， 高強(qiáng)混凝土的膠凝材料用量不大于600kg/m3。

本設(shè)計單方水泥用量mc=W/(W/C)＝140/(0.25)=560 (kg)

3.3.5 計算砂石用量

高強(qiáng)混凝土的表觀密度一般為2410～2450kg/m3。假定該混凝土的表觀密度為2430kg/m3。砂率選定為42%。那么，

3.3.6 計算超細(xì)摻合料用量

本文選定硅粉摻量6%；磨細(xì)礦渣摻量25%；粉煤灰摻量為15%，超量取代系數(shù)K = 1.3。水泥的實際摻量為54%。

則每方混凝土需硅灰量為msf=560×0.06 = 34kg需磨細(xì)礦渣量為msgf= 5 60× 0 .25 = 1 40kg，

需粉煤灰量為mf= 5 60× 0 .15× 1 .3 = 1 09kg，

需水泥量為mcf= 5 60× 0 .54 = 3 02kg。

3.3.7 確定最終砂子用量

計算粉煤灰超出水泥部分的體積并且扣除等體積砂子用量，得出最終砂子用量。設(shè)粉煤灰的密度為2100kg/m3，硅灰的密度為2200kg/m3，磨細(xì)礦渣的密度為2300kg/m3，已知水泥的密度為3100kg/m3，砂子的表觀密度為2600kg/m3。

由以下公式知，

所以砂子的最終用量為610kg。

3.3.8 緩凝高效減水劑的用量

選取緩凝減水劑的摻量為1.8%，按膠凝材料總量計算緩凝減水劑的用量為：(34+109+140+302)× 0.018=10.53kg。

綜上所述，C90高性能混凝土初步配合比見表4。

表4 混凝土最終配合比 kg/m3

4 C90高性能混凝土的性能

4.1 拌合物性能

C90高性能混凝土拌合物由于水泥用量和摻合料用量較大，總量每立方米達(dá)580kg，所以粘聚性較大，但流動性仍很好，混凝土的坍落度最大值達(dá)210mm，可滿足泵送施工的要求，拌和物的保塑性較好，經(jīng)過0.5～1h后坍落度損失不大，仍可操作。C90高性能混凝土具有好的可操作性，可確保工程質(zhì)量。

4.2 硬化混凝土的物理力學(xué)性能

4.2.1 混凝土強(qiáng)度的發(fā)展

C90高性能混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，3d可達(dá)28d強(qiáng)度的70%左右，7d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的85%左右，28d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，60d和90d強(qiáng)度均有不同程度的增長。但是C90混凝土由于強(qiáng)度很高，兩個端面的不平行性，試件的初始缺陷分布的不均勻性，以及實驗誤差，強(qiáng)度的離散性較大。

4.2.2 劈拉強(qiáng)度

用10cm×10cm×10cm試件測其劈拉強(qiáng)度，經(jīng)計算C90混凝土的劈拉強(qiáng)度約為6.13MPa，為抗壓強(qiáng)度的1/15.6，比普通混凝土的拉壓比1/10低的多，說明了高強(qiáng)度混凝土的脆性比普通混凝土的高的多。

4.2.3 靜力彈性模量

用尺寸為10cm×10cm×30cm的試件測定高強(qiáng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)0.2fc～0.4 fc線段之間的應(yīng)力與相對應(yīng)的應(yīng)變計算所得的平均值，即為彈性模量，C90混凝土的彈性模量Ec約為42000MPa，該值較高，說明混凝土強(qiáng)度越高， Ec值也越大。

4.3 C90混凝土的收縮

收縮是混凝土在凝結(jié)硬化過程中自發(fā)的，不可避免地要產(chǎn)生體積的變形。C90混凝土由于強(qiáng)度較高，收縮變形及自收縮變形更為顯著。這是因為水膠比越低，隨著時間的推移，混凝土相對濕度下降越快，相對濕度值越低，也即自干燥程度越大。而混凝土的自收縮則是由于混凝土的自干燥引起的，所以高強(qiáng)度的混凝土自收縮較大，再加之其他收縮變形，高強(qiáng)混凝土總收縮值很大，180天的收縮量可達(dá)到 (1229～1579)×10-6。

高強(qiáng)混凝土的收縮絕大部分發(fā)生在早期，3天齡期的收縮達(dá)到180天齡期收縮的一半以上。

摻加UEA膨脹劑可以一定程度上補(bǔ)償高強(qiáng)混凝土的收縮。實驗表明，在水養(yǎng)護(hù)的條件下，高強(qiáng)混凝土和普通混凝土一樣會產(chǎn)生濕漲，即使不摻加膨脹劑，也會有不同程度的膨脹。

5 結(jié)論

（1）通過凈漿流動度確定各摻合料的比例，采用HPC簡易法設(shè)計C90高性能混凝土配合比為：585(水泥302，礦粉140，粉煤灰109，硅灰 34):140（水）:610（砂）:1003（石）:10.53（減水劑）。

（2）采用上述配比制得混凝土由于水泥用量和摻合料用量較大，所以粘聚性較大，但流動性仍很好，可滿足泵送施工的要求，具有好的可操作性，可確保工程質(zhì)量。

（3）C90高性能混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，3d可達(dá)28d強(qiáng)度的70%左右，7d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的85%左右。經(jīng)計算C90混凝土的劈拉強(qiáng)度約為6.13MPa，說明了高強(qiáng)度混凝土的脆性比普通混凝土的高的多。

（4）C90混凝土的彈性模量Ec約為42000MPa，該值較高，說明混凝土強(qiáng)度越高， Ec值也越大。

（5）高強(qiáng)混凝土的收縮絕大部分發(fā)生在早期，摻加UEA膨脹劑可以一定程度上補(bǔ)償高強(qiáng)混凝土的收縮。

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