高性能混凝土配合比设计及应用

潘丽嫦

摘要：本文通过对高性能混凝土的材料组成，新拌混凝土的各种性能进行配合比设计，不断进行优化，最终确定最佳试验室配合比。试验结果表明，采用常规材料、常规工艺，在常温下，用与水泥匹配的高效减水剂，掺入适量活性掺合料，完全可以配制出高强度、高耐久性的高性能混凝土。

关 键 词：高性能混凝土；特性；配合比设计；应用

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

一、高性能混凝土(HPC)特性

1.1新拌混凝土的工作性：新拌混凝土的工作性是一个综合指标，如流动性、可泵性、填充性、均匀性等。HPC要求新拌混凝土具有大流动性(坍落度15cm～25cm)及流动度经时损失小，以满足混凝土集中搅拌、运输、泵送、浇注的工艺要求。甚至在浇注时要求混凝土不振捣自流平，即好的填充性。最终得到均匀稳定的混凝土。

1.2硬化混凝土的性能：现代建筑向高层化、大跨度方向发展,在高层建筑中需要更高强的混凝土，同时HPC可能比普通混凝土要耐久得多，这是因为在设计配合比时,就考虑到耐久性问题。特别是早期下沉和硬化收缩小、干缩小、水化放热低,因而提高了混凝土抗裂缝能力，无初始结构缺陷。硬化后的混凝土密实、渗透性低。这些都使混凝土抵抗外部因素的能力得到提高，最终得到耐久性好的混凝土。

二、高性能混凝土的原料选择

高性能混凝土配制后要同时满足符合高性能混凝土的3个基本要求：①新伴混凝土良好的工作性；②硬化混凝土的高强度；③硬化混凝土的高耐久性。

2.1水泥的品种、标号及水泥的用量选择

原则上说，配制高性能混凝土应尽可能采用C3A含量低、强度等级高的水泥。但考虑生产成本等因素，不同强度和性能要求的高性能混凝土可选择不同标号及不同品种的水泥。另外，水泥强度等级的选择还与所采用的减水剂和活性超细粉的种类、品质及施工工艺有一定关系。一般说来，如果采用较先进的施工工艺和选用减水率较大的减水剂及比表面积较高的活性超细粉，品种则应优先考虑采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。对于一些体积较大的混凝土工程，仍应注意因水化热温升过大引起的破坏，应选用中低热水泥。和配制普通混凝土一样，水泥用量不仅影响新拌混凝土的和易性，而且影响混凝土的强度，耐久性用收缩变形等一系列性能。水泥用量低，混凝土的强度降低，但水泥用量过高，又会出现水化热彩旗过高并引起混凝土化学收缩、干湿变形和蠕变性增加。

2.2粗集料（石子）选择

高性能混凝土强度和耐久性提高的主要原因之一是集料与硬化水泥浆体界面得到了改善和强化。最好选用质量致密坚硬、强度高的花岗石、大理岩等品种的粗集料。粗集料的最大粒径控制应控制在10～20mm之间。在粗集料的级配上，宜采用连续级配，以利于增加混凝土结构的致密程度。

2.3细集料（砂）选择

砂的品质应达到GB/T14684-93建筑用砂标准中规定的优质砂标准。砂的细度模数应控制在MX=2.6~3.7之间，对于要求混凝土标号在C50~C60的高性能混凝土，可以在2.2~2.6之间。

2.4 活性超细粉

活性超细粉的种类（火山灰活性）和细度是影响高性能混凝土的关键因素之一。活性超细粉的火山灰活性越高，细度越高，对高性能混凝土的强度及耐久性提高越是有利。

2.5 高效减水剂

减水剂对新拌混凝土工作的影响除减水率等本身的性能有关外，还与减水剂的掺量、掺入时间、水灰比、水泥种类、骨料种类和数量及砂率等因素有关。因此在确定采用何种减水剂时，最好应进行试配。配制高性能混凝土的高效减水剂应满足下列要求：

（1）高减水率。减水剂的减水率至少应大于20%，特别是配制泵送高性能混凝土，减水率应大于25%。

（2）新拌混凝土的坍落度经时损失要小。

（3）与所使用的水泥相容性好。

三、 高性能混凝土的配合比设计

3.1 配制强度的确定

高性能混凝土施工配制强度仍按GB50204-2002《混凝土结构工程施工及验收规范》规定的公式计算确定。 （2-1）

式中： ---施工配制强度，MPa；

---设计的混凝土强度标准值（强度等级），MPa；

σ---施工单位混凝土施工历史积累的强度标准差，MPa。

如果无施工单位积累的σ值，可以根据表2-1推荐的数值选取。

表2-1 混凝土配制强度标准差

3.2初步配合比的确定

(1) 水灰比的初步确定

当要求配制的高性能混凝土强度达到一定值时，水灰比与混凝土的强度的关系就开始偏离鲍罗米直线方程。根据归纳研究的大量实验研究及工程实例，推荐2-2作为W/C选取时的参考数值。表2-2 配制高性能混凝土时W/C推荐选取范围

选用水泥

注：1．本表W/C中，C为水泥用量和超细粉的总量。

(2) 用水量的确定

普通水泥混凝土配比设计时，一般可以先由混凝土要求的坍落度、粗集料的种类和粗集料的最大粒径查表确定。如前所述，配制高性能混凝土时，粗集料的最大粒径一般在10～20mm之间。参照普通混凝土，当坍落度要求在10～90mm之间时，碎石最大粒每期为16～20mm时混凝土用水量为185～215 kg/ m3。如按此用水量的选取范围，经验证明至多能配制出C55标号的混凝土，而且抗渗性、抗冻性都达不到高性能混凝土的要求。考虑到配制高性能混凝土必须掺入高效减水剂和超细粉这一事实，如果固定粗集料最大粒径对用水量的影响，混凝土的坍落度由高效减水剂来调节，则混凝土的强度及抗渗性和抗冻性与用水量和掺超细粉种类有如表2-3所示的关系。 表2-3高性能混凝土用水量选取范围/ kg ·m3

(3)水泥用量mc及超细粉用量mf的确定

水与总灰量（水泥+超细粉总量）之比及拌和水量确定后，很容易求得水泥和超细粉总量。但具体的水泥用量与超细粉用量仍需进一步确定。在配制以粉煤灰 外掺合料的普通混凝土时，可以首先按不掺粉煤灰时计算出基准混凝土中水泥、水、砂、石的配比，然后根据粉煤灰取代水泥的量（等量取代或超量取代）分别求得水泥的用量和粉煤灰的用量。如果是等量取代，可用绝对体积求得砂石的总体积。

(4) 集料掺量的初步确定

①确定合理砂率与普通混凝土配制一样，在集料品种确定的前提下，选用合理的砂率是很很重要的。普通混凝土砂率选取的依据是W/C和粗集料的最大粒径dmax，对于高性能混凝土而言，还要考虑结料（水泥+活性超细粉）的量和砂细度模数。一般说，胶结料用量越多，砂率应适当减小；砂的细度模数越大，砂率则应相应增大。砂率的选用可参考表2-5。 表2-5 高性能混凝土合理砂率

砂的细度模数（Mx） 混凝土中胶结料用量/ kg·m-3

②砂石用量的计算 砂石用量的选取仍用配制普通混凝土砂石用量的计算方法，通常采用假定重量法。 按下列二元一次方程组求出1 m3混凝土中砂石的用量。

式中，为新拌混凝土假定的表观密度。对于高性能混凝土，一般取2450～2500kg/m3

四、配合比的验证与调整

通过上述步骤求得的混凝土中水泥、活性超细粉、石子、砂子、水的用量是在一些经验数据的基础上选取或计算求得的。由于原料的差异及其他条件的差异，所求得的掺量不一定能符合设计混凝土要求的性能，所以必须进行验证和调整。验证和调整可按下列步骤进行（其他各种混凝土的试配调整都可参照此进行）。（1）把求得的1 m3混凝土所需的水泥、超细粉、砂、石、水、外加剂量及用水量折合成百分比。

（2）根据上述百分比，按10kg重量的混凝土量计算出胶结料（水泥+超细粉），砂、石、水的用量，并根据外加剂胶结料的配比数求出10kg混凝土所需的外加剂量。

（3）新拌混凝土坍落度的验证与调整。按照由2计算的各种原料量将各组分搅拌成新拌混凝土，测定其坍落度SL。当SL值偏离设计坍落度值超过±30mm时，应通过增加或减小胶结料（水泥+超细粉+水）浆量，来进行调整（W/C不变）。直至调整到坍落度与设计要求值偏差不超过±10mm时，即可得符合坍落度要求时1 m3混凝土中胶结料砂、石、水的用量mcp-1、mG-1 、mS-1、、mW-1 。

（4）混凝土强度的校核

在上述求得的mcf-1，mG-1，mS-1，mw-1的基础上，同时配制3组100mm×100mm×100mm立方体混凝土试块，每组试块配10kg湿混凝土，每组原料用量分别为A组：

水泥掺量=石子掺量=

砂子掺量=水用量=

外加剂用量=

ε为外加剂在胶结料中的百分含量。

B组：胶结料、石子、砂、外加剂掺量与A组相同，水用量比mW-1增加10%；

C组：胶结料、石子、砂、外加剂掺量与A组相同，水用量比mW-1减小10%。

制得的试块养护7天后，分别测A、B、C3组试样的强度，得到fAcu.7，fBcu.7，fCcu.7，必然会出现

同时，用经验公式可推算28d抗压强度。式中n为经验常数，与所用水泥的强度等级有关，表2-6 由7天强度推算28天强度的n值表

五、工程实例及应用

广东江门东华大桥是江门市区唯一的钢结构及钢筋混凝土组合的立交桥，南北引桥及主体基础、柱均采用C40～C50的高性能混凝土捣制。

5.1原材料：

（1）水泥：江门海螺水泥厂生产强度等级为42.5MPa的硅酸盐水泥，28d抗压强度56.4MPa

（2）集料：粗集料为江门杜阮碎石，公称粒径10～25mm；砂为江门产河砂，MX=2.93

（3）粉煤灰：广东珠海电厂粉煤灰，比表面积≥580m2/kg

（4）外加剂：江门强力牌PQL系列高效减水剂，减水率≥20%

5.2配合比设计

参照普通混凝土配合比规程的要求，计算出每m3材料的用量如下：

水泥451kg，粉煤灰80 kg，砂673kg，1～2碎石680kg，1～3碎石366kg，水154kg，减水剂PQL5.8 kg，水灰比为0.29

5.3混凝土性能

（1）混凝土拌合物坍落度为180mm，拌合物和易性良好。

（2）力学性能（抗压强度）①Fcu3d=41.6MPa ② Fcu7d=48.5MPa ③ Fcu28d=62.3MPa

（3）抗渗性合格

六、结语

近年以来,一些发达国家相继研制成功高性能混凝土(以下称HPC),使混凝土进入了高科技时代,日益受到国际材料界和工程界的重视。由于HPC的高强特性,可使混凝土结构尺寸大大减少,从而减轻结构自重和对地基的荷载,并减少材料用量,增加使用空间,大幅度的降低工程造价,同时可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗,延长建筑物的使用寿命,减少维修费用及对环境带来的影响,具有显著的社会和经济效益。但是要使HPC在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程,随着我国经济的发展和建筑科技的进步，高性能混凝土在建筑工程中应用的比例将会逐年加大。我们应更加重视高性能混凝土的研究和应用，使高性能混凝土的技术获得更快的发展。

参考文献

[1] GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》；

[2] JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》；

[3] 刘长俊主编《混凝土配合比设计计算手册》，辽宁科学技术出版社；

[4] 冯乃谦主编《实用混凝土大全》，科学出版社；

[5] 陈应钦编著《新型建筑材料的生产配方与施工应用》，广东科技出版社。