C90高性能混凝土配合比設計

陳強

（黃龍縣建設工程質量檢測站，陜西 黃龍 715700）

1 緒 論

1.1 引言

隨著混凝土技術的不斷發展，高效減水劑和高活性的混凝土摻合料不斷得到開發與應用，并滿足工程結構向大跨度、高層、超高層及超大型發展的需要，混凝土強度、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、高體積穩定性、高彈性模量、高密實度、低滲透性、耐化學腐蝕性及高耐久性并具有高工作性等特性，使高強和高性能化的混凝土逐漸成為了主要的工程結構材料。高強高性能混凝土是重點保證耐久性、工作性、各種力學性能、適用性、體積穩定性和經濟合理性的一種新材料。因此，它在工程建設中將占據主要地位。

1.2 C90 高強高性能混凝土的技術要求

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

（1）具有高抗滲性和高抗介質侵蝕能力。高抗滲性是高耐久性的關鍵。

（2）具有高體積穩定性，即低干縮、低徐變、低溫度應變率和高彈性模量。

（3）高強、超早強，即滿足工程結構或構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，甚至免振達到自密實。

（5）經濟合理，應利于節約資源、能源及環境保護。

1.3 C90 高強高性能混凝土的研制技術途徑

C90高強高性能混凝土作為一種新型高技術混凝土，它的研制要求我們必須從原材料、配合比、施工工藝與質量控制等方面綜合考慮。首先必須優先選用優質原材料。其次在配合比研制時，在滿足設計要求的情況下，盡可能降低水泥用量并限制水泥漿體的體積；根據工程的具體情況摻用一種及一種以上礦物質超細粉摻合料；在滿足流動度的前提下，通過優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，合理設計施工工藝并強化質量控制意識與措施，以保證C90 高強高性能混凝土滿足工程結構的需要。

2 原材料的優選

2.1 原材料的影響

采用基準混凝土(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、復合超細粉和骨料粒徑等因素對混凝土強度的影響。試驗方案及試驗結果見表1。

分析表1試驗結果,可以得出如下結論：

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

（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面積減小，因此，28d強度降低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，實際上無法完成現場施工。

表1 混凝土配合比及性能指標

（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，調整了水泥的水化過程，使水泥的水化產物分布比較均勻，從而改善了混凝土的內部結構，因此，混凝土28d強度提高了約7%。

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

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

上述試驗研究表明：摻加減水劑、緩凝劑、復合超細粉和采用較小的骨料粒徑是獲得高強混凝土的有效技術途徑。

3 C90高性能混凝土配合比設計

3.1 原材料的確定

（1）水泥采用賽馬牌P·O52.5，各項指標檢驗合格。

（2）細集料選用細度模數為2.9的二區中砂，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；輕物質含量0；硫化物及硫酸鹽含量0；有機質含量0。

（3）粗集料選用5～20mm連續級配碎石，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%，壓碎值指標為6%。采用花崗巖破碎，母材強度符合要求。

（4）外加劑

本設計選用自配緩凝高效減水劑，減水率可達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性，坍落度經時損失小，能滿足設計要求。

（5）摻合料

本設計選用I級粉煤灰、磨細礦渣與硅灰復合摻用，充分發揮了這三種材料的填充效應，火山灰效應和微集料效應等方面的相互促進相互補充作用，進而起到超疊加效應。比單摻效果更好。摻合料的主要性能指標如表2所示，其性能指標均滿足技術要求。

表2 摻合料主要性能指標

3.2 原材料參數的確定

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濟地包裹、填隙骨料的表面。因此，本文根據砂石混合空隙率和砂率的關系，測定砂石混合空隙率，確定最佳砂率。先根據石子、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%之間進行混合，砂石混合表觀密度為2650kg/m3。可以根據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

在配制高強高性能混凝土時，減水劑和緩凝劑是必不可少的成分，必須根據選定的水泥做水泥與外加劑適應性實驗，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（摻量變化根據具體的復合外加劑定），按標準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系圖，選擇最佳摻量，如圖1所示，外加劑摻量達到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，還可以與預期混凝土配合比相同的水泥砂漿進行摻量試驗，外加劑摻量為1.8%時，砂漿的抗壓強度最大。根據實驗數據綜合分析，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

經驗表明：硅粉、磨細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%的硅粉置換相應的水泥，強度提高10 %左右；以5%～10%的天然沸石粉置換相應的水泥，強度提高10%左右；以25%的磨細礦渣置換相應的水泥，強度也能提高1%左右；而粉煤灰應采用超量取代法摻入，超量取代系數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強度與基準混凝土相同。當超細礦物質摻合料的摻入增加了膠凝材料的絕對體積時，應相應減少砂的用量。超細礦物質摻合料若以復合形式摻加時，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%，磨細礦渣摻量25%，與粉煤灰復合，粉煤灰摻量變化為10%～30%，做復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系，確定最佳粉煤灰摻量為15%。

3.3 C90混凝土配合比設計

3.3.1 試配強度的確定

混凝土試配強度必須超過設計強度標準值,以滿足強度保證率的需要，我國現行行業標準普通混凝土配合比設計規程中規定了普通混凝土強度的保證率為95%時，混凝土的試配強度fcu,ρ與混凝土的設計強度標準值fcu,k之間的關系為fcu,ρ= fcu,k+ 1.645σ，而對高強混凝土沒有規定，按日本規范規定，配制高強混凝土的試配強度公式為：

式中 fcu,ρ——混凝土試配強度，MPa ；

fcu,k——混凝土設計強度標準值，MPa ；

T ——溫度修正系數，即不同氣溫下的強度修正值,一般為4 ～6 MPa ；

K——常數，取2.0～2.5 ；

σ——混凝土強度標準差，取3.5 MPa。

由公式可知，C90混凝土試配強度應在100MPa。

3.3.2 水膠比的確定

配制C90 混凝土必須采用低水灰比，其強度變化規律已經與鮑羅米公式相差較遠,它們的基準水灰比只能按現有試驗資料確定，然后通過試配予以調整。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，太大混凝土的強度無法保證。本設計估選水灰比為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盡可能小。對于高強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

根據試配強度，應選取用水量在130～140kg/m3，考慮和易性等因素，本設計選取用水量為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) 。但應注意當水泥用量超過某一最佳值后，在等流動性下，混凝土強度將不會再提高。根據規范要求， 高強混凝土的膠凝材料用量不大于600kg/m3。

本設計單方水泥用量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 計算超細摻合料用量

本文選定硅粉摻量6%；磨細礦渣摻量25%；粉煤灰摻量為15%，超量取代系數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。設粉煤灰的密度為2100kg/m3，硅灰的密度為2200kg/m3，磨細礦渣的密度為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210mm，可滿足泵送施工的要求，拌和物的保塑性較好，經過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，可確保工程質量。

4.2 硬化混凝土的物理力學性能

4.2.1 混凝土強度的發展

C90高性能混凝土的早期強度發展較快，3d可達28d強度的70%左右，7d強度為28d強度的85%左右，28d強度達到設計強度，60d和90d強度均有不同程度的增長。但是C90混凝土由于強度很高，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，強度的離散性較大。

4.2.2 劈拉強度

用10cm×10cm×10cm試件測其劈拉強度，經計算C90混凝土的劈拉強度約為6.13MPa，為抗壓強度的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的試件測定高強混凝土應力應變曲線，根據0.2fc～0.4 fc線段之間的應力與相對應的應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硬化過程中自發的，不可避免地要產生體積的變形。C90混凝土由于強度較高，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，所以高強度的混凝土自收縮較大，再加之其他收縮變形，高強混凝土總收縮值很大，180天的收縮量可達到 (1229～1579)×10-6。

高強混凝土的收縮絕大部分發生在早期，3天齡期的收縮達到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償高強混凝土的收縮。實驗表明，在水養護的條件下，高強混凝土和普通混凝土一樣會產生濕漲，即使不摻加膨脹劑，也會有不同程度的膨脹。

5 結論

（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，可確保工程質量。

（3）C90高性能混凝土的早期強度發展較快，3d可達28d強度的70%左右，7d強度為28d強度的85%左右。經計算C90混凝土的劈拉強度約為6.13MPa，說明了高強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，說明混凝土強度越高， Ec值也越大。

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

[1]谷偉, 胡鐵明.C90級粉煤灰高強混凝土的研制.遼寧高職學報, 2000(5)：39-41.

[2]曾世東.高強混凝土的配制技術途徑研究.西南林學院學報, 2007(1)：84-86.

[3]李繼周.高強度混凝土配合比設計要點.建材研究與應用, 2007(4)：171-172.

[4]康忠壽.高強混凝土的配合比設計.山西建筑, 2007(2).

[5]郭發明.C80 高強高性能混凝土的研制及應用.科技情報開發與經濟,2006(11)：155-157.

[6]危加陽, 羅竹容.高性能混凝土及其配合比設計探討.廣東水利電力職業技術學院學報, 2007(2)：59-62.

[7]蒲心城.超高強高性能混凝土[M].西安:重慶大學出版社,2004.101-139.