高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響因素探析

賈兆蓮

(晉中公路分局，山西晉中 030600)

近些年來(lái)，我國(guó)處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，工程建設(shè)規(guī)模日益增大，混凝土用量大幅增加，水泥及砂石等材料消耗持續(xù)上升，二氧化碳、粉塵等的排放對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響也不斷增大。為應(yīng)對(duì)能源短缺、環(huán)境惡化的挑戰(zhàn)，我國(guó)提出了綠色建筑的要求。高性能混凝土利于減少水泥用量，綜合利用各種廢棄物，符合綠色建筑的內(nèi)涵。高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，是一種重要的綠色建材。推廣和應(yīng)用高性能混凝土，不僅能夠提高工程質(zhì)量，還能夠有效解決建筑物的全壽命周期的綜合成本和綜合效益的問(wèn)題。推廣應(yīng)用高性能混凝土是落實(shí)綠色建筑行動(dòng)方案的重大舉措。2014年3月4日，我國(guó)工信部和住建部組織召開(kāi)了高性能混凝土推廣應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)組成立暨第一次工作會(huì)。這對(duì)提升我國(guó)建筑工業(yè)化水平，提升整個(gè)建筑業(yè)的發(fā)展質(zhì)量和科技水平具有重要意義。

1 高性能混凝土定義及特性

1990年5月，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和混凝土協(xié)會(huì)組織了全世界第一屆高性能混凝土討論會(huì)。在該次會(huì)議上，首次提出了高性能混凝土(英文名稱(chēng):High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)HPC)的概念。日本、加拿大等很多國(guó)家對(duì)高性能混凝土也進(jìn)行了研究和應(yīng)用。到目前為止，各國(guó)對(duì)高性能混凝土的要求和涵義均不相同。在我國(guó)，根據(jù)CECS 207-2006高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中的規(guī)定，高性能混凝土是一種采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)，具有混凝土結(jié)構(gòu)所要求的各項(xiàng)力學(xué)性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性的混凝土。我國(guó)的高性能混凝土專(zhuān)家吳中偉院士將其定義為:在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作，以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)的一種新型高技術(shù)混凝土，能夠適用于任何強(qiáng)度等級(jí)。在普通混凝土的微結(jié)構(gòu)中，由于多相且不均勻，骨料與硬化水泥漿體界面存在著薄弱的過(guò)渡區(qū)，這使得其強(qiáng)度和耐久性能受到影響。加強(qiáng)過(guò)渡區(qū)和改善均勻性是提高混凝土性能的關(guān)鍵。值得強(qiáng)調(diào)的是，就某一種高性能混凝土而言，并不要求其各方面性能都高性能化，而是根據(jù)建筑物所處環(huán)境和工程施工的需要，在強(qiáng)度、耐久性和流動(dòng)性等一個(gè)或以上方面優(yōu)于普通混凝土。如果用數(shù)值1.0表征普通混凝土的強(qiáng)度、耐久性和流動(dòng)性，那么高性能混凝土的性能可表示為如圖1所示。與普通混凝土相比，高性能混凝土具有以下特性:低孔隙率;在水化物中，氫氧化鈣減少，鈣礬石和水化凝膠增加;未水化顆粒多，未水化顆粒和礦物細(xì)摻料等各級(jí)中心質(zhì)增加，且各中心質(zhì)間距縮短，有利的中心質(zhì)效應(yīng)增多，中心質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)骨架得到強(qiáng)化;界面過(guò)渡層厚度小，氫氧化鈣取向程度下降。

圖1 高性能混凝土的性能

2 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

高性能混凝土性能要求是具有高耐久性、高強(qiáng)度、低滲透性、高工作性和高體積穩(wěn)定性。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)要求，必須堅(jiān)持以下原則:1)低滲透性的原則。2)為了保證混凝土具有良好的施工性，并提高混凝土的耐久性。在設(shè)計(jì)中，膠凝材料總量應(yīng)比設(shè)計(jì)同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)混凝土?xí)r的水泥用量高。3)在膠凝材料中，各組分密度相差較大。因此，在配合比設(shè)計(jì)中，宜采用絕對(duì)體積法進(jìn)行計(jì)算。4)根據(jù)施工性要求，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整混凝土的砂率，但不宜超過(guò)45%，以免影響混凝土的彈性模量。

3 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

在高性能混凝土的制作中，原材料的質(zhì)量、配合比設(shè)計(jì)及施工中的質(zhì)量控制(勻質(zhì)性)是確保高性能混凝土質(zhì)量的重要因素。在本文中，僅對(duì)配合比設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行分析和說(shuō)明。

在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，耐久性要求低水膠比(在0.4以下)。為保證混凝土的高流動(dòng)性，就要增大漿集比和砂率。當(dāng)降低粗集料的用量時(shí)，混凝土強(qiáng)度會(huì)有所提高，但卻會(huì)對(duì)混凝土的彈性模量造成影響，增加干縮和徐變。從圖2可以看出，對(duì)高性能混凝土性能影響的因素有水膠比、漿集比、砂率及減水劑用量。配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)就是正確地選擇原材料和配合比參數(shù)，使其中的矛盾得到統(tǒng)一，得到經(jīng)濟(jì)、合理的混凝土拌和物。

圖2 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)的影響因素

3.1 水膠比

在高性能混凝土的制備中，合理確定水膠比是高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。高性能混凝土制備的特征之一是低水膠比，這對(duì)確?；炷恋牡蜐B透性及耐久性至關(guān)重要。在配合比設(shè)計(jì)中，為確?；炷恋拿軐?shí)度，無(wú)論強(qiáng)度多少，高性能混凝土的水膠比一般都得超過(guò)0.40。

3.2 漿集比

漿集比最主要是會(huì)對(duì)混凝土的施工性產(chǎn)生影響。在一定程度上，漿集比還會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度、彈性模量和干縮率產(chǎn)生影響。

高性能混凝土的特點(diǎn)是流動(dòng)性大，低水膠比。為了確保混凝土具有足夠的流動(dòng)性，就要提高膠凝材料的總用量。

集料孔隙率:砂漿填充集料孔隙，取合適的富裕系數(shù)(1.2～1.4);漿體填充粗集料和細(xì)集料的孔隙率，取適當(dāng)?shù)母辉Ｏ禂?shù)(1.2～1.4);膠凝材料總量不能低于300 kg/m3，但也以不超過(guò)550 kg/m3為宜。

3.3 砂率

在高性能混凝土中，水泥漿量一定時(shí)，砂率最主要會(huì)對(duì)施工性產(chǎn)生影響。高性能混凝土的用水量很低，主要通過(guò)增加砂率來(lái)補(bǔ)充砂漿量，砂率宜較大。采用泵送混凝土?xí)r，砂率宜控制在40% ～45%之間。

1)當(dāng)采用連續(xù)級(jí)配的集料時(shí)，在施工中采用泵送混凝土應(yīng)比普通混凝土的砂率再提高5%左右;當(dāng)石子級(jí)配不好時(shí)，還應(yīng)當(dāng)再提高砂率。

2)根據(jù)日本在高性能混凝土施工中的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)平均坍落度每提高20 mm時(shí)，砂率應(yīng)提高1%，這對(duì)強(qiáng)度的影響很小。

3)根據(jù)我國(guó)建筑科學(xué)院的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)水灰比為0.55～0.53時(shí)，將砂率控制在34%～46%之間，這對(duì)強(qiáng)度的影響很小。

表1 砂率對(duì)混凝土性能的影響

從表1可以看出:

1)從性能來(lái)看，最優(yōu)砂率控制在38%～46%之間為宜。超過(guò)此范圍后，坍落度減小。

2)隨著混凝土中砂率的增加，強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但彈性模量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

3)石子級(jí)配越差，則要求的砂率越大，越要求使用粗的砂。

4)摻入密度小的輔助膠凝材料時(shí)，可減小砂率。

3.4 減水劑用量

可根據(jù)水泥與減水劑的適應(yīng)性分析和施工和易性來(lái)確定。

在高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，勻質(zhì)性是普通混凝土技術(shù)向高性能混凝土發(fā)展的關(guān)鍵。從提高原材料的勻質(zhì)性開(kāi)始，包括水泥活性和外加劑的變異、骨料含水量的波動(dòng)，直到拌合物的工作度和溫度等?？梢哉f(shuō)，盡量確保混凝土微結(jié)構(gòu)的均勻，這是保證混凝土制備質(zhì)量的重中之重。

4 試配和調(diào)整

對(duì)配合比的工作性能與力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)其是否能夠滿(mǎn)足具體工程混凝土的技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1)坍落度主要是通過(guò)調(diào)整超塑化劑摻量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)增加超塑化劑的摻量時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致拌和物出現(xiàn)離析、泌水和緩凝現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，可通過(guò)增加砂率或是減小砂的細(xì)度模量來(lái)克服離析、泌水的現(xiàn)象。

2)對(duì)于出現(xiàn)的過(guò)分緩凝現(xiàn)象，可通過(guò)更換超塑化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，可改用含促凝早強(qiáng)成分的超塑化劑。

3)當(dāng)增加超塑化劑還不起作用時(shí)，其原因可能是水泥中的C3A含量過(guò)大，可更換水泥。

4)如混凝土28 d強(qiáng)度低于預(yù)計(jì)的強(qiáng)度，可減少用水量或考慮將粗集料改為碎石。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，高性能混凝土是一種新型環(huán)保建筑材料，具有良好的施工性和耐久性，其特性很好的滿(mǎn)足了工程性能要求和施工要求，有效的延長(zhǎng)了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，對(duì)降低工程造價(jià)，提高工程效益具有重要意義。要使其發(fā)展得到可靠的保證，必須要建立相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，減少不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性問(wèn)題，加大政策扶持力度。

推廣和應(yīng)用高性能混凝土，對(duì)于提升混凝土應(yīng)用水平、推動(dòng)建筑節(jié)材，提升混凝土耐久性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，提升混凝土生產(chǎn)水平、加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，提升整個(gè)建筑業(yè)的發(fā)展質(zhì)量和科技水平，都具有重要意義。

［1］兩部委聯(lián)推高性能混凝土.http://www.chinajsb.cn/bz/content/2014-03/06/content_120704.htm，2014-03-24.

［2］藺勝江.雙摻高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用［J］.山西建筑，2012，38(15):104-105.

［3］韋江雄.高性能混凝土配制與應(yīng)用［Z］.2009.