双高混凝土优化配制试验研究

李凤兰， 凡有纪， 肖文， 丁新新

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045;2.广东省长大公路工程有限公司 设计开发分公司，广东 广州 511431)



双高混凝土优化配制试验研究

李凤兰1， 凡有纪1， 肖文2， 丁新新1

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045;2.广东省长大公路工程有限公司 设计开发分公司，广东 广州 511431)

混凝土高性能化是保障混凝土结构质量的基本措施。通过系列试验，优化了双高(高工作性能、高强)混凝土配合比，研究了其基本力学性能，确定了C50～C80混凝土的施工配合比。结果表明:采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，掺加优质矿粉和高性能聚羧酸减水剂，可配制拌合物工作性能良好的C70、C75和C80混凝土，其基本力学性能满足现行结构设计规范要求。基于试验结果，建议了考虑胶结材料强度和密度、水胶比的双高混凝土立方体抗压强度计算公式，并分别分析了轴心抗压强度、抗压弹性模量、劈裂抗拉强度和抗折强度与立方体抗压强度的关系。

双高混凝土;配制优化;工作性能;基本力学性能

高性能混凝土具有组成材料分布匀质、拌合物工作性能好、体积稳定、耐久性好等优良特性，通过高比例地掺配粉煤灰、工业废渣粉等矿物掺合料，合理降低了水泥用量，是当前国家大力提倡的低碳型绿色建筑材料[1-2]。然而，由于高性能混凝土是一个涵义较为宽泛的概念，对于不同的工程对象及其所处的环境条件，可以从施工性能、强度、体积稳定和耐久性等单一或综合性能方面进行特别要求，加之受原材料、施工设备、工程条件等多种因素的影响，高性能混凝土的配制尚未形成统一的方法[3-10]。因此，高性能混凝土的配合比设计在较大程度上依赖于相关经验，采用试配方法加以调整[5-8]。原因在于现有的混凝土配合比设计公式不能全面反映胶结材料的组成成分、骨料组成及其对混凝土拌合物的工作性能、强度或耐久性的影响规律，不能随机进行调整[11]。然而，高性能混凝土的配合比设计与确定是混凝土工程最基础的工作，也是其所有性能指标的关键所在，并从本质上决定了混凝土工程的质量。所以，根据工程需要对高性能混凝土配合比进行优化调整，并积累相关试验研究的数据资料，仍是一项具有重要工程价值和实践意义的工作。

本文结合广佛肇高速公路预制箱梁桥工程，开展了双高(高工作性能、高强)混凝土的配合比设计、拌合物工作性能和硬化混凝土的基本力学性能试验研究。结合试验资料分析，建议了考虑胶结材料强度和密度、水胶比的双高混凝土立方体抗压强度计算公式，并确定了各项基本力学性能之间的相互关系。

1 试验概况

1.1 原材料

混凝土原材料选用肇庆市华润P·O 42.5R普通硅酸盐水泥(细度试验用45 μm筛)，S95级矿粉，天然砂颗粒级配位于Ⅲ区(图1(a))，碎石按最大紧密堆积密度进行级配优化(图1(b))[12]。它们的物理性能和力学性能依次见表1—4。外加剂采用江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，实测减水率为25%。拌合用水为郑州市自来水。

图1 砂和碎石的级配曲线

水泥等级细度/%标准稠度/%密度/(kg/m3)凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa3d7d28d抗折强度/MPa3d7d28dP·O42．5R6．426．4311718722832．444．651．66．277．348．42

表2 矿粉的基本物理力学性能

表3 砂的基本物理性能

表4 碎石的基本物理力学性能

1.2 混凝土配合比设计

混凝土配合比计算采用规范JGJ 55—2011中的绝对体积法[11]，考虑混凝土强度等级为C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，工作性能要求为和易性良好且坍落度保持在160 mm以上。综合考虑规范JGJ/T 281—2012[13]和JGJ/T 385—2015[14]的规定，按水胶比进行胶凝材料用量和砂率的调整，最终得到本试验中双高混凝土的配合比，见表5。

表5 双高混凝土的配合比

1.3 试验方法

使用100 L强制式搅拌机进行拌合物拌合。混凝土拌合流程：先加砂和水泥，干拌30 s；然后加一半水，搅拌10 s；再加外加剂和剩余的一半水，搅拌30 s；最后加粗骨料，搅拌2 min。拌合物工作性能试验遵照规范GB/T 50080—2002[15]的规定，装模后在振动台上振动成型。表面用湿布覆盖，在室内常温下存放24 h，脱模后，移入标准养护室的养护池中蓄水养护。混凝土基本力学性能试验按照规范GB/T 50081—2002[16]的规定进行。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验用边长为150 mm的立方体试块，轴心抗压强度和弹性模量试验用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，弯拉强度试验用150 mm×150 mm×550 mm的梁式试件。

2 试验成果分析

2.1 拌合物工作性能

混凝土拌合物的坍落度试验值见表6，和易性观测结果如图2所示。由表6和图2可知：混凝土拌合物的坍落度为170～235 mm；除拌合物A1存在微量离析现象，其它拌合物均具有良好的黏聚性和保水性；水胶比为0.25时，混凝土拌合物的流动性随矿粉掺量的增加而增大，但KG1c的黏聚性较大；水胶比为0.23、矿粉掺量为30%的混凝土拌合物KH1也具有良好的流动性，但黏聚性较大。另外，掺加矿粉的混凝土拌合物具有明显的“抓地”特性，这是由于矿粉的加入导致了混凝土拌合物的屈服应力降低、塑性黏度增大[10，17]。

表6 双高混凝土工作性能的试验结果

图2 双高混凝土拌合物试验照片

2.2 混凝土基本力学性能

混凝土的立方体抗压强度(fcu，7，fcu，28)、轴心抗压强度(fc)、弹性模量(Ec)、劈裂抗拉强度(fst)和抗折强度(fft)的试验结果见表7。由表7可知：W/B为0.25～0.29，矿粉在掺量不超过水泥用量的20%时，可明显提高混凝土的立方体抗压强度；W/B为0.23的KH1混凝土的立方体抗压强度明显低于KG1b混凝土的，说明矿粉掺量较大时会对C70～C80混凝土的立方体抗压强度产生负面影响；保持水胶比为0.25，增大矿粉掺量，KG1b混凝土的立方体抗压强度较KG1a混凝土的降低了7.7%。

表7 立方体抗压强度的试验结果

注:“—”表示未测得相应的强度。

混凝土立方体抗压和轴心抗压破坏形态如图3所示。由图3可知，高性能混凝土的立方体抗压破坏呈典型的双锥形形态。轴心抗压破坏是由试件的横向变形使得试件中部范围内的竖向裂缝不断扩展而崩裂所产生的。这些破坏形态与普通混凝土的典型破坏形态是一致的。

图3 立方体抗压和轴心抗压的破坏形态

未掺矿粉时，混凝土立方体抗压强度fcu，28随水胶比(W/B)的变化规律如图4所示。由图4可知，未掺矿粉时，混凝土抗压强度随W/B的减小而增大。混凝土立方体抗压强度fcu，28可由下式计算[18]：

(1)

fb=γsfce。

(2)

式中：a为考虑细骨料类型对强度影响的调整系数，取4.9;fb为胶凝材料的28 d抗压强度，MPa;fce为水泥胶砂的28 d抗压强度，MPa;γs为影响系数，S95矿粉的掺量为0%～30%时，γs=1.0[11];ρb为胶凝材料密度，kg/m3。未掺矿粉时，ρb取水泥密度;掺入矿粉时，ρb根据水泥和矿粉占胶凝材料总量的百分比，结合水泥和矿粉的密度进行换算。

未掺矿粉时，按式(1)计算各试件强度，并与其试验值作比较，结果如图4所示。图4表明，立方体抗压强度的计算值与实测结果符合性良好。

图4 未掺矿粉时fcu，28随W/B的变化规律

按式(1)计算各试件的抗压强度fcu，28，并与其试验值作对比，结果如图5所示。

图5 fcu，28的试验值和计算值的对比

由图5可知，fcu，28的计算值和试验值符合良好。这表明公式(1)适用于计算水胶比为0.25～0.45、矿粉掺量为0%～30%的双高混凝土的立方体抗压强度。

未掺矿粉的双高混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之比(fc/fcu,28)的均值为0.84(统计分析时去掉了最高值和最低值)。随着矿粉的加入，fc/fcu,28稍有降低，最后均值为0.80。取fc/fcu,28=0.84，结合式(1)，可得到轴心抗压强度fc的计算值。轴心抗压强度fc的计算值与试验值的比较如图6所示，两者符合性良好。

图6 fc的试验值和计算值的关系

抗压弹性模量Ec与抗压强度fcu,28的关系如图7所示。由图7可知，Ec随fcu,28的提高而呈现略微增加的趋势，矿粉的加入对Ec的影响不大。

图7 Ec与fcu,28的关系

抗压弹性模量Ec可由下式计算[2]：

(3)

按公式(3)计算各试件的Ec，并与其试验值作比较，结果如图7所示。由图7可知，Ec的计算结果和试验结果有较好的拟合度，试验结果均高于规范GB 50010—2010[2]的规定值。

混凝土劈裂抗拉强度fst和抗折强度fft随立方体抗压强度fcu,28的变化规律如图8所示。由图8可知，fst和fft均随fcu,28的增长而增长，且增长速率相近。

劈裂抗拉强度fst可由下式计算[2]:

(4)

试验结果中抗折强度与劈裂抗拉强度之比fft/fst在1.51～1.84之间，取fft/fst的均值1.68，结合式(4)可得fft的计算式：

(5)

按公式(4)和(5)计算各试件的fst和fft，并与其试验值作比较，结果如图8所示。由图8可知，fst和fft的计算结果和试验结果有较好的拟合度。

图8 劈裂抗拉和抗折强度与抗压强度的关系

2.3 混凝土配合比设计优化结果

基于以上试验，确定采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥配制应用于工程的双高混凝土，C50～C80混凝土的配合比优化结果见表8。

表8 C50～C80混凝土的配合比优化结果

3 结语

采用工程项目所在地的水泥、天然砂和碎石以及其他不是工程项目所在地的原材料，进行了双高混凝土的配合比设计及其基本力学性能试验研究。结果表明,采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥并掺加优质矿粉和高性能聚羧酸减水剂，可配制出强度等级为C70～C80的双高混凝土。

基于试验结果，建议了考虑胶结材料强度和密度、水胶比的双高混凝土立方体抗压强度计算公式，并确定了各项基本力学性能之间的关系。

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(责任编辑：陈海涛)

Experimental Study on Mix and Preparation Optimization of Double-high-performance Concrete

LI Fenglan1, FAN Youji1, XIAO Wen2, DING Xingxing1

(1.School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045,China; 2.Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co. Ltd.， Guangzhou 511431, China)

High performance of concrete is the foundation of quality of concrete structures. In this paper，by the experimental study, the mixture proportion of double-high-performance concrete with workability and high strength was optimized, and the basic mechanical properties of concrete with high workability and high strength was investigated, and the construction mixture proportion of concrete C50～C80 was determined. Results show that by using ordinary silicate cement P·O 42.5R and admixing high-quality mineral powder and high-performance polycarboxylate water reducer，we made concrete C70,C75 and C80 with better workability and strength grade, and their basic mechanical properties are in accordance with current code for design of concrete structures. On the basis of test data，the formula considering the density and strength of cementitious materials，water binder ratio for calculating compressive strength of double-high-performance concrete is suggested, and the relations of axial compressive strength，splitting tensile strength，flexural strength and modulus of elasticity to cubic compressive strength are analyzed.

double-high-performance concrete; mix and preparation optimization; workability; basic mechanical properties

2017-01-04

河南省高等学校重点科研项目(15A560026)；河南省高校科技创新团队项目(13IRTSTHN002)。

李凤兰(1964—)，女，河北武邑人，教授，硕士，从事混凝土理论与工程应用等方面的研究。E-mail：lifl64@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.008

TV431;TU528.31

A

1002-5634(2017)02-0037-06