解析高性能混凝土配合比的優化設計

張超

摘要：高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的。本文從原材料品質、配合比參數確定的技術要點及配合比設計方法進行了分析。

關鍵詞：高性能混凝土 配合比 設計

1、技術要點

1.1 原材料品質選擇

1.1.1水泥。高性能混凝土使用的水泥應滿足以下條件：①標準稠度用水量要小，以使混凝土在低水灰比時獲得大的流動性；②水化放熱量和放熱速度要低，以避免因混凝土的內外溫差過大引起混凝土結構物產生裂縫，因此，早強型水泥不適用；③水泥強度要高。配制有高強、早強指標要求時，應使用高強度等級非早強型普通硅酸鹽水泥。當混凝土強度等級在C60或以下時，可以使用42.5級礦渣水泥；④與外加劑相容性要好。水泥的流變性受摻用的高效減水劑的影響顯著，即外加劑與水泥的相容性不佳會造成混凝土的坍落度嚴重損失甚至假凝。影響相容性的主要因素是水泥中的SO3含量、熟料塑化度和細度等。

1.1.2粗細集。料粗細集料占混凝土體積的65%一75%，是混凝土的主要組成部分。正確選擇集料是配制高性能混凝土的基礎，選擇范圍為：①細集料宜選擇顆粒較圓滑、堅硬的河砂或碎石砂，細度模數在2.6―3.2之間，含泥量低，表觀密度2.15g/cm以上，吸水率低；②粗集料的吸水率低，混凝土的強度較高，且抗凍性好，收縮值較小，所以粗集料的吸水率應不超過l%；③強度和彈性模量高的粗集料可以制得質量好的混凝土，但是粗集料過于堅硬，則在混凝土遭受溫、濕變化而引起體積變化時，會使水泥漿一集料界面處受到較大應力而開裂，試驗證明，粗集料壓碎指標值宜為QA =lO%～15%，表觀密度在2.65g/cm3以上；④加大粗集料尺寸會使混凝土強度降低，且混凝土強度等級越高越明顯，主要原因是粗集料粒徑越大，與膠結料的結合面越小，造成混凝土強度的微觀不連續性，混凝土強度越高，這種現象越明顯。因此，粗集料宜選用最大粒徑在15cm～20cm。

1.1.3礦物摻合料。礦物摻合料是高性能混凝土必要組分之一。試驗證明，礦物摻合料等量取代部分水泥后，可使膠凝材料具有密實填充。與高效減水劑雙摻情況下，可使水泥基材料具有流化效應、耐久性效應和強度效應。是混凝土獲取高性能的重要途徑之一。在高性能混凝土中通常使用得的礦物摻合料的選擇條件為：①礦物摻合料應是粒度20%），可大幅度降低混凝土單方用水量；②混凝土拌合物的流動性大，且保持混凝土的坍落度損失功能好；③含堿量盡可能小，不含大量氯離子，能顯著提高混凝土耐久性。

1.2 配合比參數確定

1.2.1用水量在水灰比一定、原材料一定的情況下，使用滿足工作性的最小加水量（即最小的漿體量），可得到體積穩定、高強度的混凝土。因此，用水量根據混凝土拌合物坍落度的大小和高效減水劑的效果而定，一般wo≯175kg/m 。

1.2.2水膠比，嚴格控制水膠比是保證高性能混凝土質量的關鍵之一。低水膠比能降低混凝土的孔隙率并減小孔隙尺寸，通過混凝土的低滲透性來保證其耐久性。高性能混凝土的水膠比[ （水泥+礦物微細粉）]一般不大于0.38。

1.2.3漿集比。水泥漿與骨料（亦稱集料）的比例為漿集比。采用適宜的集料時，固定漿集體積比為35：65時可以很好地解決強度、工作性和體積穩定性之間的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。

1.2.4砂率砂率。主要影響混凝土的工作性。當水膠比不同時，高性能混凝土中的最優砂率也有所變化。高性能混凝土的砂率可根據膠凝材料總量、粗細骨料的顆粒級配及混凝土泵送要求等因素來確定，宜采用37%一44%。

1.2.5膠凝材料摻量。在進行配合比參數設計時，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應處在1個適宜范圍內，膠凝材料總量宜為450kg/m3～600kg/m3，其中礦物微細粉用量宜≤膠凝材料總量的40%。

1.2.6高效減水劑摻量。高效減水劑是混凝土實現大流動性的唯一途徑，高效減水劑摻量應根據坍落度要求確定，其最佳摻量一般占膠凝材料質量的1%～2%。

2、配合比設計實例

2.1 設計要求

某橋梁20m后張箱梁，設計混凝土強度等級C55，坍落度180mm一220mm。

2.2 設計原則

該混凝土配合比設計原則是以普通混凝土配合比設計方法為基礎，假定給出主要參數而確定。

2.3 原材料

水泥：塔牌P42.5，實測28d抗壓強度為48Mpa；砂子：西江產中砂細度模數M=2.8，含泥量：2.5%；石子：碎石5―25，含泥量：1%；粉煤灰：級灰，細度：6%，需水量比：95%；礦粉：石寶75級，細度：0.8%，流動度比：105%外加劑：贊凱BZK一6，減水率：20%，pH值：8.2。

2.4 設計步驟

（1）試配強度試配強度確定為fc28=62.4MPao（2）水膠比采用清華大學提出的改進保羅米公式：

fc28=0.304？ce[（C+M）/W+0.62]

式中：

ce一測定的水泥實際強度（MPa）；

W一單位用水量（kg/m3）

M一礦物摻合料（kg/m3）

（3）單位用水量：取W0=175kg/m3

（4）礦物摻合料粉煤灰替代量取18%、超量系數取1.1，礦粉替代量取20%。

（5）外加劑摻量取膠凝材料的2.7%。

（6）砂率按經驗取38%。

根據上述步驟選定的配合比設計參數，并假定混凝土表觀密度2450kg/m3，經計算得出初步配合比。實驗室試拌時，仍采用坍落度法測定拌合料的坍落度值和擴展度。通過反復試拌調整和強度測定，對多方案進行比較后確定出試驗室配合比為：

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

水膠比W/（c+M）=0.26。實測坍落度：200mm。實測抗壓強度：R7=49.9MPa，R28=64.5MPa。滿足設計要求。

以上方案經實際應用各項指標符合設計要求。澆注時混凝土拌合料呈現出良好的填充性，拆模后混凝土板體質量均勻。對于高性能混凝土工作性的條件，應當予以很好的滿足。同時，需要對于用水量進行最大限度的減少，從而對于混凝土的干縮起到一定的抑制作用，并且對于水泥石界面和骨料的粘結力，以及混凝土和鋼筋之間的握裹力產生相對的作用。

3、結束語

綜上所述，高性能混凝土配合比設計的最關鍵問題是解決在低水灰比條件下使新拌混凝土獲得高流動性與高抗離析性。顯然傳統的坍落度試驗已不能進行有效評定，特別是在高流動性條件下對混凝土要求很高的粘性值不能定量反映。施工中我們也曾發現即使混凝土拌合物坍落度滿足設計要求（>180mm），但在澆注過程中仍發生粗集料成拱堵塞的離析現象。因此，合理的材料配合比設計應該在符合相關規范給出的包括強度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經濟性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經濟和適用的混凝土。

參考文獻

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