C50高強混凝土配合比的優化研究

劉文龍

（1.中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南安羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國經濟的發展和科學技術的進步，高強混凝土因良好的耐久性和穩定性等優點，在公路工程[1]、建筑工程等領域被廣泛應用[2]，更能滿足我國現代建設需求。其質量的優劣直接關系到工程結構的安全性，為提高混凝土的施工質量，高強混凝土的配合比優化研究具有重要意義。

高強混凝土原材料主要有骨料、水泥、礦物摻合料、水以及外加劑[3]，其配合比是影響高強混凝土強度的重要因素。高強混凝土內水泥型號一般選取高標準的硅酸鹽水泥，且應保證水泥質量的穩定性[4]。摻合料主要包括粉煤灰、礦粉、硅粉等。粉煤灰為火力電廠燒煤后的產物，在混凝土中主要有分散作用，礦粉是冶鐵的副產品，在混凝土中主要是降低混合物的抗離析能力及腐蝕性[4]，在高強混凝土中添加礦物摻合料，不僅可以節約水泥用量，保護環境，還可以改善混凝土的微結構，從而提高混凝土強度，因此礦物摻合料是高強混凝土配合比研究中對于其力學性能影響較大的成分[5]。

本文主要針對水泥品種的選取、礦粉以及粉煤灰作為摻合料時對C50高強混凝土的抗壓強度影響，實現最優配合比研究目的，為實際工程混凝土原材料的選取提供一定的理論指導建議。

1 試驗內容

本文的水泥品種主要有強度等級為42.5和52.5的普通硅酸鹽水泥，記為P·O42.5與P·O52.5，其中P·O42.5水泥物理性能見表1[6]，P·O52.5水泥物理性能見表2。礦物摻合料的選取為粉煤灰與礦粉兩種，礦粉的基本物理性能見表3，粉煤灰的化學成分見表4。

表1 P·O42.5水泥物理性能指標

表2 P·O52.5水泥物理性能指標

表3 礦粉基本物理性能

表4 粉煤灰化學成分

混凝土試模的使用符合標準[7]。混凝土抗壓強度等級按照立方體抗壓強度標準值確定。立方體抗壓強度標準值為按照標準方法制作、養護的邊長為150mm×150mm×150mm的標準立方體試件。本研究的試驗工況如表5所示，每一個試驗工況制作兩組試件，每組三塊試件，其中一組試件用以研究7d齡期混凝土抗壓強度值，另一組用以研究28d齡期混凝土抗壓強度值。28d齡期以標準試驗方法測得具有95%保證率的抗壓強度值[8]。

表5 試驗工況

試件成型抹面后立即放入養護室，保持試件表面濕度。在養護溫度為20±5℃、相對濕度大于50%的室內靜置1～2d，試件靜置期間應避免受到振動和沖擊，靜置后編號標記、拆模。試件拆模后應立即放入溫度為20±2℃，相對濕度為95%以上的標準養護室中養護。標準養護室內的試件置于支架上，彼此間隔10～20mm，試件表面保持潮濕，養護過程滿足相關規定[9]。

研究采用恒壓力試驗機進行混凝土標準立方體試件抗壓強度值計算，恒應力壓力試驗機符合國家標準[10-11]的相關規定。試驗分別對7d和28d齡期的試件進行混凝土抗壓強度試驗。試驗過程連續均勻加荷，并實時采集數據，加載整個實驗過程符合相關規定。

2 結果與討論

2.1 混凝土標準立方體抗壓強度計算

混凝土標準立方體抗壓強度計算如式（1）所示:

式中：

fcc——混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；

F——試件破壞荷載，N；

A——試件承壓面積，mm2。

取每組3個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值。根據試驗結果，研究所得所有工況的混凝土試件28d抗壓強度均大于60MPa，滿足實際工程需求[12]。

2.2 水泥品種

水泥品種和膠凝物質的數量是影響水泥混凝土強度和工作性的主要因素，骨料能否發揮作用，與水泥材料本身強度和粘結力有很大關系，且強度主要取決于水泥石與骨料的粘結力，因此水泥品種的確定非常重要。在配制高強混凝土時，水泥強度等級的選用要求應高于相對應的混凝土強度等級[13]。

本研究設計兩組P·O42.5和P·O52.5水泥品種，混凝土設計強度均為C50，采取表5中的試驗工況一和二的試件進行7d和28d混凝土抗壓強度值的比較，兩組數據對比結果如圖1所示。

由圖1可知，盡管使用P·O42.5水泥7d齡期的混凝土試件抗壓強度低于P·O52.5水泥的混凝土試件，但P·O42.5水泥28d齡期的混凝土試件抗壓強度高于P·O52.5水泥的混凝土試件2.5%，且7d到28d的P·O42.5水泥混凝土試件抗壓強度增長了33.1%，而P·O52.5水泥混凝土試件抗壓強度僅增長了18.5%，P·O42.5水泥7d到28d齡期C50高強混凝土抗壓強度增長率比P·O52.5水泥大78.9%，后期P·O42.5水泥混凝土的強度增長趨勢更為明顯[14]。此外，對于高強混凝土而言，隨著水膠比增加，混凝土抗壓強度呈降低趨勢[15,16]，根據表5各工況混凝土水膠比可知，使用P·O42.5水泥混凝土的水膠比小于P·O52.5水泥混凝土的水膠比。

圖1 不同水泥品種混凝土抗壓強度

綜上，實際工程C50高強混凝土選擇水泥品種最優為P·O42.5水泥。

2.3 摻合料

由上可知，對于C50混凝土的最優水泥選擇為P·O42.5，因此本節內容主要針對水泥品種為P·O42.5的混凝土試件進行研究，主要研究工況二、工況三、工況四以及工況五的不同摻合料對C50高強混凝土抗壓強度的影響，從而提出最優摻合料的選擇方案。

2.3.1 單摻礦粉或粉煤灰

C50混凝土中不添加摻合料、單摻礦粉以及單摻粉煤灰時，分別進行7d與28d抗壓強度試驗，其結果如圖2所示。

圖2 7d和28d齡期時不同摻合料的混凝土抗壓強度

由圖2可知，礦粉作為摻合料的混凝土7d抗壓強度高于無摻合料以及粉煤灰作為摻合料時混凝土的抗壓強度。然而，礦粉作為摻合料時混凝土7d到28d齡期的抗壓強度增長率只有6.8%，遠小于無摻合料以及粉煤灰作為摻合料時混凝土的抗壓強度的增長率，且礦粉作為摻合料時混凝土28d齡期的抗壓強度是最低的，且低于無摻合料的混凝土抗壓強度2.5%。由此可知，礦粉作為C50高強混凝土的摻合料時，不僅不會增強混凝土抗壓強度，反而對混凝土的力學性能有不利影響，粉煤灰摻合料的混凝土抗壓強度最大，且7d到28d齡期的混凝土強度增長率最大，有良好的力學性能。

綜上，C50高強混凝土摻合料的最優選取原料應為粉煤灰，且選擇礦粉時，應盡可能考慮實際工程要求。

2.3.2 粉煤灰與礦粉混合摻合料

以上研究表明，盡管礦粉相較于粉煤灰是一種較為不利的混凝土摻合料，但本文研究希望為實際工程提供更多的混凝土摻合料選擇性。因此，進一步對粉煤灰與礦粉作為混合摻合料時混凝土抗壓強度進行研究。

摻合料用量為礦粉50kg、粉煤灰50kg以及粉煤灰50kg與礦粉30kg混合摻合料的三組混凝土試件的抗壓強度試驗結果如圖3所示。盡管粉煤灰與礦粉混合摻合料的混凝土強度增長率達到了30.4%，但混合摻合料的7d與28d混凝土抗壓強度值均小于其他三組混凝土試件。

圖3 7d和28d齡期時不同摻合料混凝土抗壓強度

綜上，粉煤灰與礦粉混合摻合料的選擇對C50高強混凝土配合比是最不利的，摻合料的最優選取為粉煤灰。

本文對混合摻合料混凝土抗壓強度的研究僅考慮混凝土內粉煤灰50kg與礦粉30kg這一種情況，對于不同含量粉煤灰與礦粉混合摻合料混凝土的抗壓強度影響仍需進一步研究。

3 結束語

為了優化C50高強混凝土的配合比，本文對配置原料在摻配混凝土中的表現進行研究，結論如下：

（1）P·O42.5水泥7d到28d齡期C50高強混凝土抗壓強度增長率比P·O52.5水泥大78.9%，P·O42.5水泥28d齡期C50高強混凝土抗壓強度比P·O52.5水泥要大2.5%，因此最優水泥品種為P·O42.5。

（2）礦粉單摻混凝土抗壓強度低于無摻合料混凝土2.5%，礦粉對C50混凝土的配合比較為不利。

（3）粉煤灰單摻混凝土抗壓強度分別比礦粉單摻以及無摻合料混凝土提高了11.3%和8.5%，最優混凝土摻合料為粉煤灰。

（4）粉煤灰與礦粉作為混合摻合料時混凝土抗壓強度值最低，分別低于無摻合料、單摻礦粉以及單摻粉煤灰6.7%、4.3%和14.0%，因此，粉煤灰與礦粉作為C50高強混凝土摻合料最為不利。