浅析高性能混凝土与配制

浅析高性能混凝土与配制

漆荣剑

漆荣剑

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州，贵阳，555001）

【摘要】本文阐述了高性能混凝土的概念及特点，探讨了高性能混凝土的实现途径及高性能混凝土的配制要点。

【关键词】高性能混凝土；配置

一、高性能混凝土的概念及特点

高性能混凝土是美国最早进行研究的。1990年美国国家标准与技术研究院和美国混凝土协会首次提出高性能混凝土的概念，之后其他国家陆续开展了这项研究。到目前为止，各国对高性能混凝土的定义没有统一。

美国定义为：是一种易于浇注、捣实、不离析，能长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土。

日本定义为：是一种具有高填充能力的的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注；在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝；在硬化后具有足够的强度和耐久性。

加拿大定义为：是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。

中国建设工程建设标准化协会现行《高性能混凝土应用技术规程》定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。

交通部现行《公路桥涵施工技术规范》与建工标准类似定义为：采用混凝土常规材料、常规工艺，在常温下，以低水胶比、大掺量优质掺合料和严格的质量控制措施制作的，具有良好的施工工作性且硬化后具有高耐久性、高尺寸稳定性及较高强度的混凝土。

清华大学1992年首次向国内介绍了高性能混凝土，此后，高性能混凝土的研究和应用在我国得到高度重视和发展，先后在高层建筑、大坝、海港工程、桥梁、隧道等施工领域使用。

总的来看，高性能混凝土是以耐久性为核心，具有以下特点：

（1）具有高流动性、不泌水、不离析、甚至可自流密实，不需捣实即可保证施工浇筑质量。（2）硬化过程中体积稳定、水化热低、收缩小、无裂缝或有少量微裂缝。（3）硬化后结构密实、孔隙率低、强度高、不易产生裂缝、具有优越的高耐久性。（4）适当的强度。

二、高性能混凝土的实现途径

1、严格控制原材料有害物质的含量

严格控制水泥、砂石、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、拌合水的碱、氯离子、氧化钙、硫酸盐等有害物质含量提高结构耐久性。

2、使用掺合料提高抗渗性和抗硫酸盐能力、抑制碱集料反应

单掺粉煤灰，能降低混凝土电通量，提高抗渗性。掺量超过30%以后，反而会电通量升高、抗渗性降低。掺矿渣粉起填充、水化作用而提高混凝土的密实性和抗渗性，掺量超过40%以后，抗渗性的提高不明显，反而混凝土抗压强度开始下降。掺入25%粉煤灰，比未惨粉煤灰的混凝土降低了约30%体积膨胀率。相对水泥而言，粉煤灰、硅灰、矿粉的碱含量低得多。掺入粉煤灰、硅灰、矿粉，一方面可稀释混凝土的总碱含量，像降低溶液的浓度一样，抑制碱集料反应；另一方面由于其微集料填充效应，提高了混凝土抗渗性，阻断外界水对碱集料反应的参与，提高了混凝土的寿命。说明掺入粉煤灰、硅灰、矿粉可显著提高抗硫酸盐腐蚀能力和降低混凝土体积膨胀率。

3、使用高效减水剂减少水胶比提高抗渗性

混凝土是水泥石、骨料与界面三相组成的。水泥石与骨料本身都含有孔隙。但从整体来说，混凝土的孔隙是由于施工浇注不密实和泌水而造成的。在界面处于泌水，Ca(OH)2的富集与定向排列，成为混凝土强度与耐久性的薄弱环节。因此，水泥石的渗透性对混凝土的渗透性影响很大。水胶比越低，渗透性越低，水泥石抗渗性越好。

4、适量引气提高抗冻融能力

由于有一部分多余水以游离水的形式滞留于混凝土中，形成占有一定体积且相互连通毛细管。当混凝土受冻时，空中水结冰产生约9%的体积膨胀，冻融反复进行，使混凝土胀裂。所以使用引气剂或具有引起功能的减水剂，增加拌合物含气量，能提高混凝土抗冻融能力。但，每增加1%的含气量，混凝土28天抗压强度下降4%左右，因此含气量并不是越高越好。

5、严格选材，优化配合，提高体积稳定性和工作性

（1）体积稳定性与混凝土的线膨胀系数和收缩有关，而线膨胀系数又与水泥品种、粗骨料的矿物组成等有关。减少水胶比和水泥用量、增加高弹性模量的骨料含量、控制骨料含泥量、采用低石英含量集料能提高混凝土体积稳定性。

（2）优化水胶比、矿物掺合料和减水剂掺量、砂率等指标，能提高新拌混凝土的工作性。混凝土有些指标相互关联，难以平衡，要反复试配、调整、优化，才能获得满意的配合比。

三、高性能混凝土的配制

1、水胶比根据不同结构部位宜控制在0.3～0.4，水胶比过大不能满足混凝土抗侵蚀性能，过小则增加混凝土自收缩。

2、含气量控制在3%～5%为最佳范围，过高则直接降低了混凝土的强度。高强度箱梁宜适当降至2%～4%。

3、胶凝材料的比例选择，根据不同结构、强度等级、混凝土性能采用不同比例，原则是高煤灰、低水泥、中矿粉。粉煤灰宜用I级低钙灰；水泥宜用质量稳定的硅酸盐P.II型水泥；矿粉宜用活性指数好S95或S105级。

4、聚羧酸减水剂选择具有低掺量、高减水率、低碱、无氯、环保、低收缩且与胶材适应性的聚羧酸减水剂，不要过度追求高减水率、低掺量从而降低水胶比增加收缩破坏结构，易产生裂缝。

5、细集料：宜采用细度模数2.6～3.2和含泥量低、级配良好、均匀坚固、吸水率小、孔隙小、洁净的天然河砂或符合要求的人工砂。粗集料：宜采用反击破、压碎值小、含泥量低、线胀系数小、坚硬、洁净碎石或卵石。级配采用两级配或多级配。最大粒径不宜超过26.5mm且不超过保护层厚度的2/3。

6、确定各材料的密度、浆体体积。采用体积法计算高性能混凝土配合比。

7、配合比设计示例

水下钻孔桩C30高性能混凝土，按《普通混凝土配合比设计规程》计算

第一步、计算试配强度：fcu,0=fcu,k+1.645δ=38.2MPa

注：δ取值按现行《桥规》附录B2

第二步、计算水胶比：W/B=(aa×fce)/(fcu,0+aa×ab×fce)=0.39

（注：25%的粉煤灰掺量和5%的矿粉掺量。aa、ab为回归系数，aa=0.53，ab=0.20。水泥富余系数取1.04，粉煤灰影响系数取0.70，矿粉影响系数1.00）

第三步、确定设计水胶比

现行《桥规》对高性能混凝土的耐久性要求，水胶比不得大于0.4，此采用计算的0.39作为设计水胶比。

第四步、选择用水量

根据现行《普通混凝土配合比设计规程》查表，初步确定用水量为200kg。减水率按25%算，计算用水量为150kg。

第五步计算胶材用量

总胶材用量=150/0.39=385kg。

第六步、确定水泥、粉煤灰、矿粉、减水剂用量

采用P.II型水泥，I级粉煤灰，可提高粉煤灰掺量至30～40%；采用P.O型水泥，I级粉煤灰掺量应在20%～30%。本例，粉煤灰用量为385×25%=96kg。矿粉用量为385×5%=19kg，减水剂用量为385×0.9%=3.465kg，则水泥用量为270kg。

第七步、按体积法确定砂石用量

（1）试验测定材料密度

一般:水泥3100kg/m3，粉煤灰2200kg/m3，矿粉2950kg/m3，碎石2700kg/m3，河砂2650kg/m3。有实测按实测算。

（2）确定砂率

水下灌注桩砂率应选择39%～45%之间，本例选用39%砂率。

（3）计算砂石用量

270/3100+96/2200+19/2950+砂/2650+1.564砂/2700+150/1000+0.03=1.0m3（假设含气量为0.03，不使用引气型外加剂时α=1）

砂=713kg/m3，碎石=1115kg/m3。

第八步、试拌调整配合比

（水泥+粉煤灰+矿粉）:砂:碎石:水:减水剂=(270+96+19):713:1115:150：3.465

根据上述配合比进行试拌调整和优化。

第九步、耐久性试验

1.平板开裂试验；2.电通量试验；3.拌合物其他性能试验