高强高性能混凝土的配制试验研究

张 合 春

(山东长恒信工程咨询有限公司，山东 济宁 272049)

随着城市建筑、地基、路基、水利水坝工程、地下空间等大型土木工程施工技术的不断进步，逐渐涌现了大批的高强高难度的工程，修建高难度、大跨度的建筑工程首先需要材料能够保证结构稳定性的要求，所以这对材料的强度和性能提出了更高的要求[1-3]。而混凝土材料发展的相对滞后性一定程度上限制了大型工程的修建[4,5]，所以，研究高强高性能混凝土材料是保证大型工程修建的前提和基础。基于此，本文进行了高强混凝土配制的试验研究，并对各原材料掺量影响混凝土强度的影响规律进行分析。

1 试验材料

水泥采用52.5硅酸盐水泥，其余主要包括细骨料和粗骨料。其中，细骨料包括硅粉和天然砂，粘土由多种水合硅酸盐、氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质；天然砂的细度模数约为2.2～2.5。粗骨料为鹅卵石，鹅卵石强度高，能够大大提高混凝土的强度。另外，为减少混凝土的用水量，添加适量的减水剂，减水剂能够在不改变混凝土流动性的前提下通过减少用水量而提高混凝土的强度。图1a)为硅粉，图1b)为天然砂，图1c)为鹅卵石。

2 试验计划及试验设备

混凝土材料在配置过程中，需要搅拌机、单轴强度试验机等试验器材。在混凝土配制材料中硅粉能够改善水泥材料的微观结构，通过提高水泥结构的密实度而提高混凝土的强度，所以不同硅粉掺量必然对混凝土强度产生不同的影响。粗骨料是保证高强混凝土的基础，因此，鹅卵石的掺量必然是影响高强混凝土配制的重要因素。此外，混凝土材料的掺水量越大，混凝土材料的强度越低，所以减水剂掺量是配置高强混凝土的又一重要因素。基于此，本试验通过硅粉掺量、鹅卵石掺量和减水剂掺量三方面进行研究，以研制出高强混凝土材料。本试验中，水灰比为0.45，硅粉采用内掺代替水泥掺加，减水剂采用外掺的形式，天然砂掺量为40%，硅粉、鹅卵石和减水剂的具体掺量根据不同实验组而定。

3 试验结果

3.1 不同硅粉掺量的混凝土强度

分别设计硅粉掺量为1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%,10%,11%和12%，其他因素不变(鹅卵石掺量为20%、减水剂掺量为0.3%)，通过混凝土单轴强度试验机分别进行强度试验，如图2所示。

由图2可知，随着硅粉掺量的增加，混凝土强度整体呈增加的趋势；当硅粉掺量为1%～8%，随着硅粉掺量增加混凝土强度呈近似线性增加；在硅粉掺量为8%时，曲线出现明显的拐点，即混凝土强度随硅粉掺量增加而增加的速率明显降低；硅粉掺量为8%～12%时，混凝土强度随着硅粉掺量增大而以较慢的速率增加。所以，综合硅粉的提高混凝土强度效果和材料成本问题，选取硅粉掺量为8%。

3.2 不同鹅卵石掺量的混凝土强度

分别设计鹅卵石掺量为3%,6%,9%,12%,15%,18%,21%,24%,27%和30%，其他因素不变(硅粉掺量为8%、减水剂掺量为0.3%)，通过混凝土单轴强度试验机分别进行强度试验，如图3所示。

由图3可知，当鹅卵石掺量为3%～18%，随着鹅卵石掺量增加混凝土强度呈近似线性增加；当鹅卵石掺量为18%～21%，混凝土强度随鹅卵石掺量增加而增加的速率明显降低；在鹅卵石为21%时，曲线出现明显的拐点，当鹅卵石掺量大于21%时，随着鹅卵石掺量的继续增大，混凝土强度逐渐降低；所以，鹅卵石掺量为21%时，混凝土强度最高，为75 MPa。综合鹅卵石的提高混凝土强度效果，选取鹅卵石掺量为21%。

3.3 不同减水剂掺量的混凝土强度

分别设计减水剂掺量为0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%和0.6%，其他因素不变(硅粉掺量为8%、鹅卵石掺量为21%)，通过混凝土单轴强度试验机分别进行强度试验，如图4所示。

由图4可知，当减水剂掺量为0.1%～0.4%，随着减水剂掺量增加混凝土强度逐渐增加；在减水剂为0.4%时，曲线出现明显的拐点，当减水剂掺量大于0.4%时，随着减水剂掺量的继续增大，混凝土强度逐渐降低，过量的减水剂会影响水泥的凝结和硬化，从而影响混凝土的强度。所以，减水剂掺量为0.4%时，混凝土强度最高，为72 MPa。综合减水剂提高混凝土强度的效果，选取鹅卵石掺量为0.4%。

3.4 原材料影响混凝土强度分析

随着硅粉掺量的增加，混凝土强度整体呈增加的趋势。硅粉掺量为8%时，曲线出现明显的拐点，即混凝土强度随硅粉掺量增加而增加的速率明显降低；选取此时的硅粉掺量为高强混凝土的硅粉最佳掺量。

随着鹅卵石掺量增加混凝土强度呈先增大后减小的趋势。当鹅卵石掺量小于21%时，随着鹅卵石掺量增加混凝土强度逐渐增加；当鹅卵石掺量大于21%，随着鹅卵石掺量增加混凝土强度逐渐降低；即在鹅卵石为21%时，曲线出现明显的拐点，选取此时的鹅卵石掺量为高强混凝土的鹅卵石最佳掺量。

随着减水剂掺量增加混凝土强度呈先增大后减小的趋势。当减水剂掺量为0.1%～0.4%，随着减水剂掺量增加混凝土强度逐渐增加；当减水剂掺量大于0.4%时，随着减水剂掺量的继续增大，混凝土强度逐渐降低；即在减水剂为0.4%时，曲线出现明显的拐点，选取此时的减水剂掺量为高强混凝土的减水剂最佳掺量。

所以，高强混凝土的最佳配方为水灰比0.45、水泥掺量31%、硅粉掺量8%、天然砂掺量40%、鹅卵石掺量21%、减水剂掺量0.4%。

4 结语

1)选取52.5硅酸盐水泥、硅粉、天然砂、鹅卵石及减水剂为原材料，进行高强混凝土的配制。得出最佳配方为水灰比0.45、水泥掺量31%、硅粉掺量8%、天然砂掺量40%、鹅卵石掺量21%、减水剂掺量0.4%。

2)随着硅粉掺量的增加，混凝土强度整体呈增加的趋势；随着鹅卵石掺量增加混凝土强度呈先增大后减小的趋势；随着减水剂掺量增加混凝土强度呈先增大后减小的趋势。