高性能混凝土力学性能研究

尉良平

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

高性能混凝土力学性能研究

尉良平

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

采用计算和试验的方法研究了高性能混凝土的力学性能，进行了高性能混凝土配合比设计，确定了试验室配合比和施工配合比，完成了混凝土立方体抗压强度试验和混凝土劈裂抗拉强度试验。试验结果表明，高性能混凝土具有高耐久性、稳定性、均匀性以及较强的韧性等特点。

高性能混凝土；力学性能；稳定性；均匀性；韧性

随着现代科学技术与生产方式不断发展，大量的超高、超大型混凝土建筑物相继出现，在恶劣条件下所采用的重大混凝土结构(如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、核反应堆和有害废物处理等)工程需求不断上升[1-2]，给混凝土工程施工与维修造成困难。由于所处环境非常差，所以对于混凝土的施工性能要求比较高，需要具备良好的耐久性，以保证其使用寿命[3]。由于跨度较大，海洋以及军事工程对混凝土的要求较为严格，在恶劣的条件下，建筑持续退化会引起提前失效，严重的还会发生恶性事故而遭受巨大损失。

由于大量的原材料需求，过度开采将导致生态环境恶化与资源短缺或枯竭，使生产的持续发展受到严重阻碍。混凝土是目前使用最多的一种人造石，因而应关注环境受混凝土使用而受到的影响。此外，因混凝土提前退化，还应考虑拆除后的混凝土废物的处理。

因此，应从根本上降低混凝土中的水泥量，尽可能的使工业废弃物得到合理的利用；同时，考虑循环利用混凝土废物，这些都要求不断提高混凝土各方面的性能。

1 高性能混凝土配合比设计

因为高性能混凝土具有较低的强度与水灰比(W/C)，对其造成影响的因素比较多，所以鲍洛米公式已经不再适用于其配合比设计了。然而，截至现在，还没有一个统一适用的方法，不同国家的相关研究人员都基于自己的试验，对具体的配合比进行大概的计算，再进行试配，最终确定配合比。

1.1 确定混凝土配置强度

混凝土配置强度为：

fcu,o=fcu,k+1.960σ=50+1.960×6 =61.76 (MPa)

式中，fcu,o是混凝土配制强度；fcu,k是混凝士设计强度；σ是混凝土强度标准差，其取值见表1。在混凝土强度的保证率为97.5%的情况下，其概率度为1.960。

表1 混凝土强度标准差σ取值

1.2 计算水胶比

碎石所配制成的高性能混凝土的强度计算公式为：

式中，γc是水泥标号的富余系数值，具体见表2。

表2 γc为水泥标号的富余系数

则水胶比为：

1.3 用水量的确定

规定配置的混凝土的塌落度约为120 mm，塑性混凝土用水量按照JGJ 55—2000，具体见表3。

表3 塑性混凝土用水量 (kg/m3)

基于该表中坍落度90 mm的用水量，根据坍落度与用水量的配比为每增加20 mm需加5 kg的水，而将没有添加外加剂的混凝土用水量计算出来。通过查表得知，用水量为210 kg/m，减水剂选择外加剂减水率为29%的聚羧酸。则用水量为：

W0=210×(1-29%)=149.1 (kg/m3)

1.4 初步配合比

由计算结果可得初步计算配合比，即1 m3混凝土所需水泥、水、砂、石子以及减水剂等材料的质量分别为437、149、544、1 270和6.56 kg，所以，配合比为水泥∶水∶砂∶石子∶减水剂=1∶0.34∶1.24∶2.90∶0.015。

1.5 试验室配合比

通过对3个不同配合比进行4 w的抗压强度试验，结果见表4。

表4 试验配合比

由水灰比与混凝土强度之间的关系换算得到试验室配合比，混凝土配置强度是61.76 MPa，其中与此值最接近的是初步水灰比配置的混凝土。

1.6 施工配合比确定

因为上述所得的初步配合比是干燥的状态，但工地上的砂石等材料并非是完全干燥的，因此，要根据这种情况来修改现场材料的真实称量，更改过后的配合比即是施工配合比。砂和石的含水率分别为2%与3%，对1袋水泥的施工配合比计算如下。

1袋水泥的质量是50 kg，则砂的质量与含水率计算公式分别为：50×(1.24+2%)=63 (kg)、50×1.24×2%=1.24 (kg)，石的质量与含水率分别为：50×(2.9+3%)=146.5 (kg)、50×2.9×3%=4.35 (kg)，水的质量为：50×0.34-1.24-4.35=11.41 (kg)。由此可以得出，该混凝土施工配合比为1∶1.26∶2.93∶0.23∶0.015。

2 高性能混凝土力学性能的试验检测

2.1 混凝土立方体抗压强度试验

2.1.1 试验设计

根据标准方法所制成的边长为150 mm的立方体试件，将其置于20 ℃左右，且空气湿度>90%的环境中，经过4 w的养护之后，使用标准的测试与计算方法所得的强度值即是水泥混凝土抗压强度。

压力试验机上下承压板的刚度应够强，为了试件更好的对中，应在上承压板上设置一个球形支座。压力机的相对误差不能超过2%，应定期对其进行检查，从而使其示值更加准确。针对混凝土试件的破坏荷载来确定压力机的量程，试件若被破坏，其读数应在全量程的20%～80%。

2.1.2 试验方法

1)根据试验1所得试件，在标准的养护下进行规定周期的养护。

2)取出试件，首先对其尺寸和形状进行检查，相对的2个平面应平行，其表面倾斜高度应<0.5 mm，棱长的测量应精确到l mm；再根据试件与压力机上、下接触面的平均值求出其受力截面积，若试件有蜂窝现象，在试验的前3天应选择较浓的水泥浆将其填平，同时应在报告中作相应的说明。试验时，应保持试件干燥，并进行称量。

3)将成型时的侧面作为其上下受压面，将试件放置于压力机中心的球座上，试件或球座与机台中心的距离≤ 5 mm。以 0.6 MPa/s 的速度均匀施加荷载，如果试件开始变形，就不再对试验机油门进行调整，直到试件损坏，记录此时的破坏荷载。

2.1.3 试验结果计算

混凝土立方体试件抗压强度fcu的计算公式为：

式中，P是极限荷载，单位为N；A是受压面积，单位为mm2。

将3个试件所测值的算术平均值作为测定值。若其中的1个测值与中值之差大于中值的 15%，那么测定值取中值；若有2个测值之差大于中值的15%，那么这组试验被视为无效。

混凝土抗压强度的标准试件规格是边长为150 mm的立方块。

2.1.4 试验记录

试验记录见表5。

表5 立方体抗压记录结果

由表5可以看出，高性能混凝土具有高耐久性、稳定性、均匀性以及较强的韧性等特点，同时也验证了试验设计的合理性。

2.2 混凝土劈裂抗拉强度试验

2.2.1 试验设计

1)从养护地将试件取出之后，将其擦干，然后对其尺寸进行测量，并在该试件中部劈裂面位置线进行标记。劈裂面垂直于成型时的顶面，测量结果精确到1 mm。

2)将试件置于球座的对中点上，将垫层垫条放好，方向垂直于成型时顶面。

3)以0.06 MPa/s 的速度不间断地、均匀地施加荷载，通过垫条将荷载均匀的施加给试件，在上压板靠近试件时，对球座进行相应的调整，均衡两者直接的接触。若试件即将损坏，就不再进行油门的调整，一直到试件损坏，记录此时的破坏荷载(精确到0.01 kN)。

2.2.2 试验计算

混凝土劈裂抗拉强度Rt为：

式中，Rt是混凝土劈裂抗拉强度，单位为MPa；P为极根荷载，单位为N；A是试件劈裂面面积，单位为mm2。

混凝土抗压强度测定值的取舍原则等同于劈裂抗拉强度测定值的取舍原则。通过此试验方法所测的劈裂抗拉强度值，若要进行轴心抗拉强度换算，则应乘以换算系数0.9。

2.2.3 计算结果

记录结果同表5，因此Rt=0.637×54.6=347 (N/mm2)，这一试验结果进一步验证了试验配合比的合理性，并为该设计推广给出了有力的证明。

3 结语

高性能混凝土对于当前大型特种建筑物中的应用起着较为重要的作用，文中采用计算和试验结果对比验证的方法研究了其力学性能，进行了高性能混凝土配合比设计，确定了试验室配合比和施工配合比，结果验证了高性能混凝土具有高耐久性、稳定性、均匀性以及较强的韧性等特点，同时为这类混凝土的试验测试提供了一种借鉴方式，这一研究对于高性能混凝土进一步合理应用有重要意义。

[1] 余志武,丁发兴,罗建平. 高温后不同类型混凝土力学性能试验研究[J]. 安全与环境学报,2005(5):1-6.

[2] 汪冬冬,周士琼,李俊,等. 粉煤灰高性能混凝土力学性能影响因素试验研究[J]. 商品混凝土,2005(6):15-20，39.

[3] Zhang D C. Carbonation resistance of sulphoaluminate cement-based high performance concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology：Materials Science Edition,2009(4):663-666.

责任编辑马彤

ResearchonMechanicalPropertyofHigh-performanceBeton

YU Liangping

(School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Mechanical property of high-performance beton is researched by using computers and testing way including proportion design of high-performance beton, laboratory and construction property, and testing compressive strength of beton cube and splitting tensile strength of beton is finished. The results shows that high-performance has the property of high durability, stability, homogeneity, good toughness and so on.

high-performance beton, mechanical property, stability, homogeneity, toughness

TU 528

：A

尉良平(1990-)，男，本科，主要从事建筑等方面的研究。

2015-01-07