高性能混凝土配合比优化

刘振国，张思雨

（1. 保定市第三工程建设监理有限公司，河北 保定 071000；（2. 河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

高性能混凝土是基于混凝土结构耐久性设计提出的新概念混凝土[1]。粉煤灰、矿渣微粉等作为混凝土胶凝材料的一部分，能改善传统混凝土的工作性能及孔结构，增强混凝土的致密性，提高强度，减少水泥用量。

高强混凝土强度受骨料堆积密度、水胶比、掺合料的影响，因此采用试验法确定各材料用量。先确定骨料最佳堆积密度，通过试验根据强度确定最佳水胶比；然后对Ⅱ级粉煤灰用量和矿渣微粉用量两个变量进行试验，分析Ⅱ级粉煤灰用量和矿渣微粉用量对混凝土强度的影响。

1 试验过程

1.1 原材料

（1）水泥（C）：选用曲阳金隅 P·O42.5 水泥，主要性能指标见表 1。

表1 水泥的物理性能指标

（2）粉煤灰（F）：选用保定雄华商贸Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表 2。

表2 粉煤灰基本性能

（3）矿粉（K）：选用保定乾华建材 S95 级矿渣微粉，主要性能指标见表 3。

（4）聚羧酸高性能外加剂（A）：保定慕湖恒源新型建材有限公司，主要性能见表 4。

表3 矿渣微粉性能指标

表4 聚羧酸高性能外加剂基本性能

1.2 配合比设计

JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》[2]提到高强混凝土计算与调整，要求强度 C60～C80 之间的高强混凝土，胶凝材料用量为 480～560kg/m2，砂率35%～42%，水胶比 0.28～0.34，结合 JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》[3]配制高强高性能混凝土。

2 试验结果与分析

2.1 最佳堆积密度试验

针对现有骨料并根据实际需求，首先进行了部分粗骨料堆积密度试验，然后按比例加入细骨料测定最佳堆积密度，按此比例将粗细骨料混合，具体试验结果见表 5、表 6。α1为粒径 5～10mm 细石（SG）掺入到 10～20mm 青碎石的比例，α2为细骨料掺入到粗骨料（XG）中的比例。根据表 5、表 6 做堆积密度曲线图，见图 1、图 2。

表5 粗骨料堆积密度试验数据

表6 骨料堆积密度试验数据

图1 粗骨料堆积密度曲线图

图2 骨料堆积密度曲线图

根据表 5、表 6 和图 1、图 2，可以看出以 10% 的掺入量将 5～10mm 细石掺入到 10～20mm 的青碎石中，粗骨料堆积密度最佳。在此基础之上，将细骨料掺入其中，测得当细骨料掺入量为 70% 时为骨料最佳堆积密度，经计算，砂率为 39%，符合 JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》中对砂率的要求。

2.2 最佳水胶比确定

本次试验以胶凝材料（B）用量 560kg/m3、细石掺入量 10%、砂率 0.39 为基准，水胶比 0.28～0.34，从水胶比为 0.28 开始试验，探究每增加 0.01 水胶比对试体工作性能和强度的影响。试验数据见表 7。

由表 7 可知，在相同配比情况下，混凝土 28d 强度随水胶比增大而降低，为了更清晰地比较各组试体的强度，根据表 7 中的强度数据制成曲线图，见图 3。

从图 3 可知，0.30 水胶比试体 7d 强度值与同龄期试体相比较高，但 3d、28d 强度仍是低水胶比试体较高。在《高强混凝土应用技术规程》中提到，泵送高强混凝土拌合物倒置坍落度同排空时间＞5 且＜20，尽管水胶比为 0.28、0.29 时，试体强度较高，但倒排空并不符合要求。结合表 7 和图 3 可选出在此胶凝材料总量和骨料掺加量条件下，水胶比定为 0.30 最佳。

表7 不同水胶比试验数据

图3 不同水胶比混凝土强度曲线图

水胶比影响混凝土界面过渡层的性质，因此对高强高性能混凝土强度有直接影响。水胶比较大，导致界面处水胶比大，使孔隙率变大，在宽松的环境中 Ca(OH)2容易沉积，结晶颗粒变大；相反，水胶比降低时，可以改善界面过渡层的性质，提高混凝土的强度。

2.3 不同掺合料对拌合物性能及强度的影响

试验以胶凝材料总量 560kg/m3、细石掺入量10%、砂率 0.39、水胶比 0.30 为基准，以Ⅱ级粉煤灰和矿渣微粉作为矿物掺合料，不同比例取代水泥制备混凝土，记录其拌合物性能及试体强度。试验结果见表 8。

由表 8 中混凝土工作性能指标可以看出，D 系列配比倒排空指标已不符合标准要求，此配比中矿物掺合料比例为 36%。根据表 8 绘制各配合比强度曲线图，见图4。

综合表 8 和图 4 可知，当矿物掺合料比例为 18%和 36%（曲线 B 和 D）时，试体强度随粉煤灰与矿渣微粉的比值增加而减小，当矿物掺合料比例为 27%（曲线 C）时，试体强度变化不大，基本持平。C 系列试体强度均满足 C60，而当矿物掺合料比例达到 36%（D 系列）时，粉煤灰与矿渣微粉以 3:1 掺入混凝土中后，试体强度不达标。结合拌合物状态来分析，可知在此配合比中粉煤灰比例较大，需水量较高，试体水化反应不完全，不能达到理想强度。

表8 不同掺合料拌合物性能及强度

图4 不同比例掺合料试体强度曲线图

粉煤灰应用在混凝土中具有三种效应：形态效应、火山灰效应以及微骨料效应。其形态效应主要指粉煤灰中球形玻璃起滚珠轴承作用，能够有效改善混凝土和易性；活性效应使混凝土结构更致密，改善孔结构，使体积更稳定，提高混凝土强度；微骨料效应指粉煤灰充当微骨料，于混凝土中均匀分布，填充空隙和毛细孔，增大密实度，改善孔结构，提高混凝土强度。

矿渣微粉作为混凝土矿物掺合料，可改善高性能混凝土各种性能：减少混凝土的泌水，改善混凝土的和易性；提高混凝土强度，抑制混凝土的碱—骨料反应；矿渣微粉能够改善高性能混凝土工作性能，提高其强度。

按照吴中伟提出的中心质假说，属于次中心质的未水化水泥熟料颗粒（H 粒子）、属于次介质的水泥凝胶（L 粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石[4]。掺入一定的矿物细掺合料后，在水泥石中引进更多的次中心粒子，使中心质间距缩小，改善次中心质和次介质的颗粒级配，并填充水泥石毛细孔。从反应原理和微观效应分析，当掺入活性细掺合料减少水泥用量时，Ca(OH)2生成量减少，活性细掺合料可与水泥水化释放的 Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙，减少界面处Ca(OH)2含量，限制 Ca(OH)2取向，改善过渡层性质，从而提高混凝土强度。

3 结论

（1）试验进行了最佳堆积密度试验，确定了粒径为 5～10mm 的细石以 10% 的取代率取代青碎石，砂率为 39%。

（2）试验在符合混凝土工作性能的前提下，选取较低水胶比 0.3。

（3）试验用粉煤灰和矿渣微粉替代高性能混凝土中的水泥用量，明显的改善混凝土和易性；改善孔结构，改善过渡层性质，提高混凝土强度。