探討高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

譚均源

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司質(zhì)量檢測(cè)中心 廣州鐵誠工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510000)

高性能混凝土由于具有強(qiáng)度高、原材料儲(chǔ)量大、可塑性能優(yōu)異在土木工程中起著極其重要的作用，是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的建筑材料。但迄今為止世界上還沒有適合高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的統(tǒng)一方法，都是基于各自試驗(yàn)的基礎(chǔ)上計(jì)算具體的配合比。本文所及的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)是指用常規(guī)的硅酸鹽水泥、砂石等原材料，使用常規(guī)制作工藝，依靠高效減水劑和活性礦物摻合材料配制的高強(qiáng)度、高耐久性、大流動(dòng)性水泥混凝土范例。

1.技術(shù)要點(diǎn)

1.1 原材料品質(zhì)選擇

(1)水泥。高性能混凝土使用的水泥應(yīng)滿足以下條件：①標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量要小，以使混凝土在低水灰比時(shí)獲得大的流動(dòng)性；②水化放熱量和放熱速度要低，以避免因混凝土的內(nèi)外溫差過大引起混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫，因此，早強(qiáng)型水泥不適用；③水泥強(qiáng)度要高。配制有高強(qiáng)、早強(qiáng)指標(biāo)要求時(shí)，應(yīng)使用高強(qiáng)度等級(jí)非早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C60或以下時(shí)，可以使用42.5級(jí)礦渣水泥；④與外加劑相容性要好。水泥的流變性受摻用的高效減水劑的影響顯著，即外加劑與水泥的相容性不佳會(huì)造成混凝土的坍落度嚴(yán)重?fù)p失甚至假凝。影響相容性的主要因素是水泥中的SO3含量、熟料塑化度和細(xì)度等。(2)粗細(xì)集。料粗細(xì)集料占混凝土體積的65%一75%，是混凝土的主要組成部分。正確選擇集料是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)，選擇范圍為：①細(xì)集料宜選擇顆粒較圓滑、堅(jiān)硬的河砂或碎石砂，細(xì)度模數(shù)在2.6—3.2之間，含泥量低，表觀密度2.15g/cm以上，吸水率低；②粗集料的吸水率低，混凝土的強(qiáng)度較高，且抗凍性好，收縮值較小，所以粗集料的吸水率應(yīng)不超過l%；③強(qiáng)度和彈性模量高的粗集料可以制得質(zhì)量好的混凝土，但是粗集料過于堅(jiān)硬，則在混凝土遭受溫、濕變化而引起體積變化時(shí)，會(huì)使水泥漿一集料界面處受到較大應(yīng)力而開裂，試驗(yàn)證明，粗集料壓碎指標(biāo)值宜為QA=lO%～15%，表觀密度在2.65g/cm3以上；④加大粗集料尺寸會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高越明顯，主要原因是粗集料粒徑越大，與膠結(jié)料的結(jié)合面越小，造成混凝土強(qiáng)度的微觀不連續(xù)性，混凝土強(qiáng)度越高，這種現(xiàn)象越明顯。因此，粗集料宜選用最大粒徑在15cm～20cm。(3)礦物摻合料。礦物摻合料是高性能混凝土必要組分之一。試驗(yàn)證明，礦物摻合料等量取代部分水泥后，可使膠凝材料具有密實(shí)填充。與高效減水劑雙摻情況下，可使水泥基材料具有流化效應(yīng)、耐久性效應(yīng)和強(qiáng)度效應(yīng)。是混凝土獲取高性能的重要途徑之一。在高性能混凝土中通常使用得的礦物摻合料的選擇條件為：①礦物摻合料應(yīng)是粒度20%)，可大幅度降低混凝土單方用水量；②混凝土拌合物的流動(dòng)性大，且保持混凝土的坍落度損失功能好；③含堿量盡可能小，不含大量氯離子，能顯著提高混凝土耐久性。

1.2 配合比參數(shù)確定。

(1)用水量在水灰比一定、原材料一定的情況下，使用滿足工作性的最小加水量(即最小的漿體量)，可得到體積穩(wěn)定、高強(qiáng)度的混凝土。因此，用水量根據(jù)混凝土拌合物坍落度的大小和高效減水劑的效果而定，一般wo≯175kg/m 。(2)水膠比。嚴(yán)格控制水膠比是保證高性能混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵之一。低水膠比能降低混凝土的孔隙率并減小孔隙尺寸，通過混凝土的低滲透性來保證其耐久性。高性能混凝土的水膠比[(水泥+礦物微細(xì)粉)]一般不大于0.38。(3)漿集比。水泥漿與骨料(亦稱集料)的比例為漿集比。采用適宜的集料時(shí)，固定漿集體積比為35：65時(shí)可以很好地解決強(qiáng)度、工作性和體積穩(wěn)定性之間的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。(4)砂率砂率。主要影響混凝土的工作性。當(dāng)水膠比不同時(shí)，高性能混凝土中的最優(yōu)砂率也有所變化。高性能混凝土的砂率可根據(jù)膠凝材料總量、粗細(xì)骨料的顆粒級(jí)配及混凝土泵送要求等因素來確定，宜采用37%一44%。(5)膠凝材料摻量。在進(jìn)行配合比參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應(yīng)處在1個(gè)適宜范圍內(nèi)，膠凝材料總量宜為450kg/m3～600kg/m3，其中礦物微細(xì)粉用量宜≤膠凝材料總量的40%。(6)高效減水劑摻量。高效減水劑是混凝土實(shí)現(xiàn)大流動(dòng)性的唯一途徑，高效減水劑摻量應(yīng)根據(jù)坍落度要求確定，其最佳摻量一般占膠凝材料質(zhì)量的1%～2%。

2.配合比設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)要求

某橋梁20m后張箱梁，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55，坍落度180mm一220mm。

2.2 設(shè)計(jì)原則

該混凝土配合比設(shè)計(jì)原則是以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，假定給出主要參數(shù)而確定。

2.3 原材料

水泥：塔牌P42.5，實(shí)測(cè)28d抗壓強(qiáng)度為48Mpa；砂子：西江產(chǎn)中砂細(xì)度模數(shù)M=2.8，含泥量：2.5%；石子：碎石 5—25，含泥量：1%；粉煤灰：級(jí)灰，細(xì)度：6%，需水量比：95%；礦粉：石寶75級(jí)，細(xì)度：0.8%，流動(dòng)度比：105%外加劑：贊凱 BZK一 6，減水率：20%，pH 值：8.2。

2.4 設(shè)計(jì)步驟

(1)試配強(qiáng)度試配強(qiáng)度確定為fc28=62.4MPao(2)水膠比采用清華大學(xué)提出的改進(jìn)保羅米公式：

fc28=0.304?ce[（C+M）/W+0.62]

式中：

ce一測(cè)定的水泥實(shí)際強(qiáng)度(MPa)；

W一單位用水量(kg/m3)

M一礦物摻合料(kg/m3)

(3)單位用水量：取W0=175kg/m3

(4)礦物摻合料粉煤灰替代量取18%、超量系數(shù)取1.1,礦粉替代量取20%。

(5)外加劑摻量取膠凝材料的2.7%。

(6)砂率按經(jīng)驗(yàn)取38%。

根據(jù)上述步驟選定的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，并假定混凝土表觀密度2450kg/m3，經(jīng)計(jì)算得出初步配合比。實(shí)驗(yàn)室試拌時(shí)，仍采用坍落度法測(cè)定拌合料的坍落度值和擴(kuò)展度。通過反復(fù)試拌調(diào)整和強(qiáng)度測(cè)定，對(duì)多方案進(jìn)行比較后確定出試驗(yàn)室配合比為：

C：S：G：W：F：K：A =1：1.50：2.45：0.43：0.32：0.32：0.04

水膠比W/(c+M)=0.26。實(shí)測(cè)坍落度：200mm。實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度：R7=49.9MPa，R28=64.5MPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

以上方案經(jīng)實(shí)際應(yīng)用各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。澆注時(shí)混凝土拌合料呈現(xiàn)出良好的填充性，拆模后混凝土板體質(zhì)量均勻。

結(jié)束語

綜上所述，高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵問題是解決在低水灰比條件下使新拌混凝土獲得高流動(dòng)性與高抗離析性。顯然傳統(tǒng)的坍落度試驗(yàn)已不能進(jìn)行有效評(píng)定，特別是在高流動(dòng)性條件下對(duì)混凝土要求很高的粘性值不能定量反映。施工中我們也曾發(fā)現(xiàn)即使混凝土拌合物坍落度滿足設(shè)計(jì)要求(>180mm)，但在澆注過程中仍發(fā)生粗集料成拱堵塞的離析現(xiàn)象。因此，合理的材料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該在符合相關(guān)規(guī)范給出的包括強(qiáng)度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經(jīng)濟(jì)性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經(jīng)濟(jì)和適用的混凝土。

[1]王學(xué)彥,魏秀瑛,韓文軍.鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[J].山西建筑，2010.10

[2]謝榮元.高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[J].福建建筑，2009.12