高速公路改扩建工程高性能混凝土的配合比设计与探讨

张月强

（河北雄交投工程咨询有限公司，河北 保定 071700）

近年来，随着高速公路和建筑行业对混凝土的高强度和耐久性的不断提高，高性能混凝土越来越得到广泛地重视。高性能混凝土（HPC） 及其相关技术是指在传统混凝土的基础上，通过精心选择原材料、精心施工、精心养护，从而使得普通混凝土达到特定的强度和耐久性的混凝土。本文论述了高速公路改扩建桥涵工程的配合比设计，指出了如何提高高性能混凝土的使用强度和耐久性能。

1 高性能混凝土配合比设计目的

1.1 增加耐久性

影响高性能混凝土耐久性的因素有抗冻性、抗渗性、稳定性、抗碳化性以及抗腐蚀性等因素，为了提高高性能混凝土的高强度和耐久性，可以通过掺用矿物掺合料和高效减水剂来对高性能混凝土配合比的设计进行优化。

1.2 提高强度

高性能混凝土最主要的优点就是有着较高的强度和较好的耐久性，尤其是在高速公路桥梁建造中。在对高性能混凝土配合比进行设计的过程中应该重点考虑对其水胶比和用水量进行控制，从而达到在桥梁和高层建筑施工中提高高性能混凝土强度的目的。

1.3 保证工作性

保证工作性即要求高性能混凝土具有良好的流动性和可泵性，影响其工作性的因素主要有水胶比、胶集比、外加剂的品质等。为了提高高速公路的施工质量，应该通过对配合比的调整和控制来优化高性能混凝土工作性的因素。

1.4 提高体稳性

混凝土外加剂已成为高体稳性、高耐久性、高强度性的三高性能混凝土配制过程中不可缺少的重要组成部分。

2 高性能混凝土的主要原材料指标

2.1 水泥

高性能混凝土的主要特点之一就是高强度。[1]为了满足高速公路的施工所需，通常采用提高C3A含量和水泥比表面积的措施来提高水泥强度等级，因此选择水泥时应注意水泥的细度和C3A含量。配制高性能混凝土时，应选用优质水泥和级配良好的优质集料，尽量选用河沙或者使用细度模数满足要求的机制砂。高效外加剂的选用要注意与水泥的匹配度。

高性能混凝土所用水泥宜选用品质稳定、标准稠度低、强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜使用矿渣硅酸盐水泥和其他水泥。

2.2 矿物掺和料

矿物掺和量是一种辅助胶凝材料，能够有效地提高混凝土的综合性能以及加快资源的循环利用，通常选用优质的粉煤灰、磨细矿渣粉或硅灰等矿物掺合料，用以提高其耐久性，改善其施工性能和抗裂性能，其掺量宜根据混凝土的性能要求通过实验确定，且不宜小于胶凝材料总量的20%。当混凝土中粉煤灰掺量大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45；在预应力混凝土及处于动容环境的混凝土中，粉煤灰的掺量不宜大于30%，且粉煤灰的含碳量不宜大于2%。对暴露于空气中的一般构件混凝土，粉煤灰的掺量不宜大于20%，且单方混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量不宜小于240 kg。

2.3 骨料

在混凝土中使用骨料可以减少胶凝材料的使用，但是更重要的是骨料还起到约束混凝土收缩的作用。目前，骨料在混凝土中约占70%，正确选择骨料的品种和控制好质量，是配制高性能混凝土的关键。

2.4 外加剂

高性能混凝土外加剂宜采用高效减水剂，它对新拌混凝土的性能改善以及硬化混凝土的性能具有十分重要的作用，能够有效地提升高性能混凝土的耐久性和抗压性。应选用减水率高、坍落度损失小、与水泥有良好的相容性、能明显改善或提高混凝土耐久性能且质量稳定的高效减水剂或复合减水剂。引气剂应有良好的相容性，用于提高混凝土抗冻性的引气剂、减水剂中不得掺有木质硫酸盐组分和氯盐的防冻液。

2.5 拌合用水

拌合用水可采用饮用水，不得使用海水，其品质和检验结果应符合高性能混凝土技术条件要求。

3 高性能混凝土配合比设计

3.1 高性能混凝土配合比设计的参数

（1） 低水胶比：在对高性能混凝土的配合比进行设计时应该充分考虑水胶比，高性能混凝土的主要特征就是低水胶比，为了保证高性能混凝土的防渗漏性和耐久性，水胶比不应超过0.4。

（2） 高效减水剂：在对高性能混凝土的配合比进行设计的过程中应该掺加一定比例的高效减水剂。拌和过程中的用水量和水胶比可以直接影响高性能混凝土的强度和使用寿命。在添加高效减水剂的过程中应该将用量控制在一定的范围内，通常这个范围是1%～2%之间，一旦用量超出这个范围，不但会使高效减水剂的效果变差，也会增加施工的成本。

（3）浆集比：会对高性能混凝土的配合比设计产生影响，浆集比本质上是骨料与水泥浆用量的比。根据试验数据的分析我们可知，当骨料和水泥浆用量的比例是65:35 的时候，高性能混凝土的工作性、强度以及耐久性都会达到最佳的状态。

（4） 砂率：砂率由高性能混凝土的流动性和集聚性来决定。通常情况下，砂率越高，高性能混凝土的强度就会越高。砂率应该控制在一定范围内，砂率的减少或者增加都会对骨料间的空隙和混凝土的骨料配置产生很大的影响。砂率大则会延缓高性能混凝土的流动性，从而使水泥浆的用量的增加；相反，砂率小则会延缓混凝土的流动性，使得高性能混凝土出现离析等问题。因此为了保证高性能混凝土的使用质量，应该确定合理的最佳砂率。

3.2 高性能混凝土配合比设计

3.2.1 配合比设计的具体步骤

①选择合适的工作性；②选择适宜的原材料；③计算水灰比/水胶比；④计算水泥或凝胶材料用量；⑤计算砂石用量；⑥估算粗骨料用量；⑦估算细骨料用量；⑧骨料含水量处理；⑨试拌调整。

3.2.2 配合比设计中的高性能混凝土试配强度和水胶比

高性能混凝土是在普通混凝土的基础上掺加了外掺剂，最主要的特征是其高强度性和低水胶比。本文所采用的设计模型是基于水胶比法则，由于高性能混凝土水胶比的大小直接决定其硬化后的强度性和耐久性，因此，水胶比一经确定，就不可随意改动。

高性能混凝土试配强度应按式（1）计算：

式中fcu, 0—混凝土试配强度，MPa；

fcu,k—设计强度标准值，MPa；

σ—混凝土强度标准差，取5。

高性能混凝土水胶比应按式（2） 计算：

—水胶比，%；

C—钢筋的混凝土保护层厚度

α—碳化区别系数，室外为0.1，室内为1.7

t—设计使用年限。

3.3 提高高性能混凝土配合比的措施

3.3.1 对结构设计流程进行控制

在对配合比进行设计的时候应该充分了解高性能混凝土在施工过程中的使用用途，应该严谨科学地计算高性能混凝土配合比的设计参数值。在对高性能混凝土的配合比进行设计的时候，应该控制高性能混凝土的耐久性、强度性和经济性。

3.3.2 原材料控制

原材料（水泥、矿物掺合料、外加剂、水、砂、石）是组成高性能混凝土的重要结构，在原材料进场的时候应具有质量合格证明文件，坚持“原材料进场前先检验，后使用” 的原则，试验人员应该对原材料的规格、粒径、洁净度、含泥量、细度模数、压碎值等进行检测，符合设计及规范要求后方能进场。[2]新品种原材料应经过试验验证，证明其对混凝土强度性能和耐久性能无不良影响后方可使用，且其掺量应根据试验确定。

砂石和骨料是混凝土最基本的组成成分，因此在配合以前，应将砂石和骨料作为重要的原材料进行分类、分级管控，其他原材料宜采用隔墙形式进行分料仓存储。

3.3.3 细化配比环节

高性能混凝土的配比设计过程十分复杂，任何一个环节出现问题都会使混凝土的质量受到影响。比如：①应根据高性能混凝土的用途来调整各原材料的配比，如果胶凝材料或者是水量过多，可以适当的调整减水剂的用量和品质；②应该严格控制粗细骨料的用量；③应该将高性能混凝土最佳砂率范围控制在33% ～44%，如果砂率太低，虽然能够适当地提高混凝土的强度，但是会对混凝土的适用性产生不良的影响。

4 结束语

由于高性能混凝土在中国的发展时间并不长，因此相关部门并没有出台明确的标准对其进行规范，这就使得在高性能混凝土配合比设计时出现了各种各样的问题。本文通过对高性能混凝土配合比设计时的原材料指标进行分析，通过建立高性能混凝土强度和耐久性模型，找出相应的提高解决措施，为提高今后高速公路以及建筑施工工程的工程质量，特别是桥梁工程的预制梁板等构造物建设施工提供一定的参考。