试论C55高性能混凝土配合比设计

刘玉凯

1.C55高性能混凝土配合比的设计原则

高性能混凝土配合比设计，应根据工程设计标准、规范、规程要求，以及混凝土结构、强度等级、耐久性、原材料品质、工艺方法、环境因素等综合依据为指导，通过计算、试配、各种指标检测后经调整确定。配制成的混凝土应能满足设计强度等级，耐久性指标和施工工艺等要求。检验项目符合要求。其配合比设计原则：

1.1选择优质的原材料。

1.2在满足工艺性能的前提下，采用尽可能低的水胶比及最优的含砂率。

1.3在满足强度的前提下，胶凝材料的浆体体积（全部胶凝材料与水的体积）占混凝土体积的百分比尽可能小，一般不超过35%，最好控制在28%～32%之间。

1.4选择合理的组成材料及其单位用量，以满足耐久性及特殊性能要求。

1.5掺用效果好，减水率高，流动性保持能力强，多功能复合型混凝土外加剂，以改善和提高混凝土的综合性能。

1.6选用适应的外掺料，如粉煤灰、矿粉、硅粉等，可起到改善混凝土的技术性能，节约水泥、降低成本的良好作用。

2.原材料的选择及技术要求

高性能混凝土的组成材料，除与普通混凝土相同的组成材料——水泥、砂、石、水等，高效减水剂和超细矿物掺和料是不可缺少的组分。科学合理的选择这些特殊掺合料，是成功配制高性能混凝土的关键。

2.1水泥

水泥的矿物组成和颗粒组成直接影响到水泥水化反应的速度，水化热和水化产物的组成和结构特点，也就直接影响到混凝土的开裂机率，以及混凝土的强度和耐久性。对于高性能混凝土，需选择早期强度适中，早期水化热较低的水泥。为便于控制和调整外掺料的品种和比例，应采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥进行配制。

配制高性能混凝土的水泥的技术要求为：强度等级为42.5或52.5的质量符合国家标准《硅酸盐或普通硅酸盐水泥》，水泥中铝酸三钙（C3A）含量宜控制在6%～12%，氯离子含量应低于0.03%，碱含量≤0.6%。

2.2矿物掺和料

在混凝土中掺入矿物外掺料，特别是多元复合掺入，不仅能改善混凝土的工作性，降低混凝土温升速度，而且能改善其内部结构，提高混凝土的密实性，促进混凝土后期强度的发展，并且还能抑制碱——集料反应的发生，从而提高混凝土的安全性和耐久性。矿物外掺料在混凝土中具有许多特殊的功能，是高性能混凝土不可缺少的材料组成。

矿物掺和料包括粉煤灰、磨细高炉矿碴、硅灰等，其技术条件应符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外掺料》（GB/T18736-2002）的规定。

2.3高性能混凝土材料品质指标要求

2.3.1粉煤灰品质指标

粉煤灰应选择料源固定、品质稳定、来自燃煤工艺先进电厂的原状灰，也可采用磨细灰。

2.3.2磨细矿碴粉品质指标

磨细矿碴粉应选用品质稳定均匀，料原固定的产品。

2.3.3聚羧酸外加剂品质指标

外加剂应具有减水率高、坍落度损失小、适量引气，能细化混凝土结构，能明显改善提高混凝土耐久性能，与水泥有良好的适应性等性能。

2.3.4细骨料品质指标

细骨料应选择级配合理＼质地均匀坚固的天然中粗河砂，细度模数为2.6～3.2，不宜使用机制砂和山砂，严禁使用海砂。

2.3.5粗骨料品质指标

粗骨料应采用级配合理、质地均匀坚固的碎石，也可采用卵碎石或卵石，不宜采用砂岩碎石。粗骨料宜采用二级配石。粗骨料的最大公称粒径不大于31.5mm，且不宜超过钢筋保护层厚度的2/3，不得超过钢筋最小间距的3/4。配制预应力混凝土，粗骨料最大粒径不大于25 mm。

2.3.6水泥的品质指标

水泥的质量应符合国家现行标准。

2.3.7拌合水的品质指标

混凝土拌合用水的质量可采用饮用水。

3.高性能混凝土配合比设计

3.1概念

设计高性能混凝土配合比，应根据结构混凝土设计等级、混凝土耐久性以及侵蚀环境类别，施工工艺对工作性的要求，原材料品质、施工管理水平的要求进行配合比设计，通过科学试配、调整、检测、分析、总结等步骤确定配合比。配制的混凝土拌合物性能应满足施工和验收标准要求外，还必须满足设计强度和耐久性的技术要求。

3.1.1最小和最大总胶凝材料控制

高性能混凝土最小和最大总胶凝材料应根据根据环境类别、侵蚀类别及强度等级确定。通常情况下，C30以下混凝土的胶凝材料总量不宜低于280kg/m3和高于400kg/m3；C35～C40混凝土不宜低于320 kg/m3和高于450kg/m3；C50及以上混凝土不宜低于360kg/m3和高于500kg/m3。

3.1.2矿物掺合料的确定

为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的工作性能和抗裂性能，混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿碴粉或硅灰等矿物掺合料。不同的矿物掺合料应根据混凝土的性能要求通过试验确定。矿物掺合料总量应控制在胶凝材料总量的25%～45%之间。粉煤灰掺量超过30%时，其水胶比不得大于0.45，有冻融环境粉煤灰掺量不宜大于30%；矿碴粉的掺量宜为25%以下；灰质活性指数大于95%为宜。其技术指标符合要求。

3.1.3高性能外加剂的确定

高性能混凝土中，必须适量掺加高性能复合外加剂，优先选用聚羧酸高效复合减水剂，其掺量应根据性能试验确定。技术指标应符合要求。

3.2配合比设计技术要求

3.2.1掌握工程结构类型及设计技术标准，环境类别及环境作用等级。

3.2.2水胶比尽量控制在0.28～0.35之间。

3.2.3根据工艺、结构、气候等情况，确定混凝土坍落度和扩散度，确保混凝土工作性良好。

3.2.4确保施工需要。混凝土1天抗压强度<12Mpa，3～7在达设计85%以上，弹模强度达80%以上。56天达设计强度110%以上。

3.2.5耐久性指标满足设计要求。当设计对混凝土的耐久性指标无具体要求时，应按《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》附录G要求确定。

3.3凝土配合比正交设计法

正交设计是用正交表来安排与分析多因素试验的，因此首先必需了解正交表的构造和使用方法。

正交表是利用“均衡分散性”与“整齐可比性”两条正交线原理，挑选出具有代表性的试验点，排列成有规律的表格即正交表。

4.配合比现场验证和优化

4.1现场配合比验证

现场配合比验证是指在生产线上对配合比进行施工前的验证，验证指标必须根据设计、验收评定标准和工艺性能指标进行，检测这些指标是否与室内设计检测指标相符，若差异过大，要进行分析，并进行最终调整，只有通过现场验证合格的配合比，才能投入施工生产。

4.2配合比优化

配合比的优化原则：必须在符合设计规程，满足施工规范，达到评定标准，有利工艺性能的基础上进行。

5.结果总结

5.1高性能混凝土采用粉煤灰、矿粉高掺量技术，是配制高性能耐久性混凝土的先进技术，总胶凝材料的比例组成是配合比设计的关键。

5.2高性能减水剂，特别是聚羧酸不仅减水率高，而且混凝土坍落度保持性好，对大计量的外掺料混凝土有较好的激发作用。

5.3在有弹模要求的桥梁及有冻融要求的混凝土施工中，粉煤灰的掺量不宜过高，宜在15%之内。

5.4砂率对混凝土弹模影响较大，在满足工作性的条件下，应尽量降低为宜。

5.5坍落度对于高性能混凝土的工作性，经测试已经不敏感，宜采用扩展度和粘度进行控制。

5.6平板抗裂性能试验对于高性能混凝土，已经不敏感。圆环抗裂试验与实际结构差异较大，不能真正反映不同体积、不同结构、不同环境、不同温度混凝土抗裂性的真实性。

5.7高性能混凝土具有较好的经济、技术和社会效益，是混凝土发展的新区域。