以“浆集比”为控制指标的高性能混凝土配合比设计试验分析

摘要：文章通过试验验证了对于高性能混凝土配合比设计方法使用“规程”法计算存在的问题，论证了仅靠水胶比一强度理论进行设计的不足，提出了以“浆集比”为控制指标的高性能混凝土配合比的计算理论和方法;强调了对于高性能混凝土的配合比设计，必须同时确定水胶比和浆集比后，再计算其它的参数及材料的用量。同时得出C40高性能混凝土配合比设计仅采用单一胶凝材料水泥时的最佳浆集比范围为0. 308～0. 326;胶凝材料采用水泥、矿粉和粉煤灰时，最佳浆集比范围为0. 330～0. 348。引入“浆集比”作为控制指标后，高性能混凝土的配合比设计过程可以减少很多反复的修正，提高了设计的准确性。

关键词：C40高性能混凝土;配合比设计方法;浆集比;控制指标;最佳范围

中图分类号：U416. 02文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019.1 2.002

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0005 - 03

0 引言

高性能混凝土是一种高技术混凝土，采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性[1]。

对于高性能混凝土的配合比设计目前主要以《普通水泥混凝土配合比设计规程》（JGJ s5- 2011）（以下简称“规程”）为基础，通过遵循选择优质的常规材料、低水胶比、掺加矿物掺合料和外加剂、最优砂率的原则来反复计算、试配和调整。本文以C40高性能混凝土配合比设计为例，提出以“浆集比”作为高性能混凝土配合比的设计指标的计算方法，并通过试验验证此方法的准确性，可以简化高性能混凝土配合比设计中的反复调整工作，并提出了C40高性能混凝土的浆集比范围。

1 试验材料

（1）水泥：华润普通硅酸盐水泥P.042.5，其凝结时间、安定性、强度试验结果见表1。

（2）粉煤灰：广西南宁电厂Ⅱ级粉煤灰，常规试验结果见表2。

（3）粗集料：百色市田东县石场5～26.5 mm连续级配碎石，表观密度为2. 828 g/cm3。

（4）细集料：合浦县洋江上岛湾砂场，天然河砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2. 84，表观密度为2.626 g/cm。

（5）外加剂：南宁市某建材公司WYF聚羧酸高性能减水剂。

2 配合比设计规程中高性能混凝土配合比设计方法

按照《普通水泥混凝土配合比设计规程》（JGJ55 - 2011），配制C40高性能混凝土时，其计算方法和步骤如下：

（1）按照公式计算配制强度：

式（1）适用于C60以下的混凝土，在低等级混凝土配制时，实际施工单位的水准参差不齐，标准差会取值较大，而对于高性能混凝土，根据施工单位管理规程，标准差可取稍小值。本文采用标准差4.O，根据式（1），计算配制强度为46.6 MPa。

（2）根据配制强度计算水胶比：

根据式（2），计算水胶比为0.46。

（3）确定单位用水量

按查表法确定单位用水量，90 mm坍落度的用水量为210 kg，超过90 rrrn以上时，按照坍落度每增加20 rrrn用水量增加5 kg的经验值，确定基准用水量为235 kg。使用减水剂后，需根据减水剂的减水率相应地减少用水量。

（4）確定胶凝材料的用量

水胶比的定义是用水量和胶凝材料的比值。在已知用水量后，可反算胶凝材料的用量。

（5）砂率数值

依据水胶比、坍落度等查表确定砂率，当坍落度较大时，结合经验确定，本试验砂率取42%。

（6）计算粗、细集料的用量

本文用质量法计算粗细集料的用量，根据混凝土的强度假定其表观密度值。本文混凝土的强度等级是C40，表观密度值取2 378 kg/m3。

高性能混凝土在不同的工程中，根据所在项目的使用要求，特别是外加剂的供货厂家，会使用不同减水效果的外加剂，用水量会随着外加剂的不同而使计算结果不同。本文在基准配合比的基础上，改变外加剂，配制5组按照规程的方法算出的相同水胶比混凝土的28 d强度。如表3所示。

从表3中可以看出，5组配合比采用的是相同的水胶比0. 46，由于使用的减水剂不同，减水效果也不同，根据计算步骤和方法，其用水量也不同，导致水泥用量不同。试验结果显示，28 d抗压强度差别也很大。

从表3还可以看出，5组配比的水胶比均为0. 46，但28 d实测强度差别很大，第1、2、3组的混凝土28 d强度均达到配制强度要求，而第4、5组的混凝土28 d强度达不到配制强度要求。在使用外加剂后，减水率越大的配合比，由于用水量的减少，胶凝材料的用量也会减少，同时强度变低。这说明对于高性能混凝土，当使用外加剂时，其强度很难控制，强度不只取决于水胶比。

水泥胶浆的稠度是由水胶比决定的，按照混凝土水胶比一强度理论[2]，水泥胶浆的稠度决定了混凝土的强度，水泥胶浆体稠度越大，则水胶比越小，在其他条件相同的情况下，混凝土的强度越高。水胶比一强度理论的前提是其他条件相同，即砂石材料的各自用量是确定的情况下。但是按“规程”的计算方法没有提供“其他条件”相同的约束和步骤，试验结果显示的假象是这个理论不成立了，而实际上是忽略了这个理论的其他条件。

试验结果表明：对于高性能混凝土，按照“规程”的计算方法去确定配合比设计是不严谨的，有50%以上的几率会出现试验结果和理论不匹配的假象，还需要一个固定其他条件的约束。本文提出了增加“浆集比”参数对高性能混凝土的配合比进行计算的试验研究。

3 浆集比对高性能混凝土强度的影响

水泥混凝土的主要组成材料有四种，分别是胶凝材料、水、细集料、粗集料。其中粗集料和细集料构成混凝土的骨架，而水泥和水形成的水泥胶浆体对骨架进行填充和包裹，从而形成统一的整体。浆集比中的浆是水泥和水形成的水泥胶浆;集是指粗细集料的数量。浆集比反映的是水泥胶浆和集料的相对用量。

在混凝土结构中，当水胶比一定时，水泥胶浆的稠度是固定的，固定稠度的水泥胶浆数量适中时，混凝土会得到最佳强度和耐久性能，因为此时其密实度最好。水泥胶浆数量过少和过多都会引起混凝土性能的劣化：过少的水泥胶浆，不足以包裹集料，强度难以达到;过多的水泥胶浆，会造成混凝土的耐久性能变差[3]。所以，在混凝土的配合比设计中，特别是使用高效能外加剂的情况下，要同时考虑水胶比和浆集比。水胶比越小，混凝土的强度越高，而浆集比在水胶比固定的前提下，存在最佳范围。

按本實验，胶凝材料仅使用硅酸盐水泥时，水胶比固定在0. 46，C40高性能混凝土的浆集比在0. 308～0. 326之间。胶凝材料使用水泥、矿粉和粉煤灰（64%：20%：16%）混合时，水胶比固定在0. 38，C40高性能混凝土的浆集比在0.330～0. 348之间。

4 引入“浆集比”参数后高性能混凝土配合比设计方法和试验结果

4.1 配合比设计方法

本文在前面验证并论述了对高性能混凝土的强度而言，水胶比和浆集比占据同等重要的位置。因此在配合比计算时，必须同时确定水胶比和浆集比后，再去确定其他的参数及用量。按此设计方法，对高性能混凝土的配合比设计计算是很大的简化，减少了错误的几率，避免了大量的反复验证工作。引入浆集比控制指标后，计算步骤如下：

（1）确定混凝土的配制强度;

（2）计算水胶比;

（3）按照浆集比的范围，选定浆集比值，计算水泥胶浆数量;

（4）按照水胶比，计算胶凝材料和水用量;

（5）确定砂率，计算砂石用量;

（6）对照基准用水量和计算用水量，选择与减水率相符合的减水剂。

4.2 试验结果

由于高性能混凝土通常采用粉煤灰等其他掺合料，本实验配合比设置了仅适用水泥作为胶凝材料的A组3个配合比和胶凝材料使用水泥和粉煤灰及矿粉的B组3个配合比。配合比A组水胶比是0. 46，配合比B组水胶比是0. 38，浆集比均在最佳范围内取值。试验结果如表4所示。

从表4可知，对于A、B两组配合比，水胶比分别固定在0. 46和0.38时，尽管浆集比略有差别，但水泥的用量相差并不大，28 d抗压强度随着浆集比的增加略有增大，这是因为水泥胶浆的数量增多可以增加混凝土的密实程度。从理论上来说，浆集比的数值给定范围的上限，其强度也是符合的，但会造成强度的浪费。

A组配合比的水胶比是0. 46，大于B组配合比的水胶比0. 38，但最佳浆集比范围随着水胶比的减小而增大，平均浆集比从0. 317增大至0.339，增加了0. 022，相对于水胶比的变化，这个数值是比较小的。这说明浆集比是一个相对波动小、稳定的指标，更易控制。

需要注意的是，在以浆集比为计算指标的配合比设计中，减水剂是最后考虑的，根据基准用水量和计算用水量，选择与减水率符合的外加剂。也就是说，对浆集比的具体数值的选用更多的是考虑可以提供的外加剂的效能，其次是经济性。

5 结语

本文通过试验验证了对于高性能混凝土的配合比设计，使用“规程”法计算存在问题，论证了仅靠水胶比一强度理论进行设计的不足，提出了以“浆集比”为控制指标的高性能混凝土配合比的计算理论和方法;强调了在高性能混凝土的配合比设计时，必须同时确定水胶比和浆集比后，再计算其他的参数及材料的用量;同时给出了C40高性能混凝土配合比设计仅采用单一胶凝材料水泥时的最佳浆集比范围在0. 308～0. 326之间;胶凝材料采用水泥、矿粉和粉煤灰时，最佳浆集比范围在0. 330～0.348之间，后者更经济。在引入“浆集比”作为控制指标后，高性能混凝土的配合比设计过程可以减少很多反复的修正，提高设计的准确性。

参考文献

[1]冯涛，自密实混凝土配合比设计方法研究[J].建筑工程技术与设计，2017（29）：572.

[2]牛文囡.浅谈高性能混凝土的优点[J].黑龙江科技信息，2012（11）：242.

[3]李明辉，李婷婷，影响混凝土强度的因素分析[J].黑龙江交通科技，201 0，33（6）：8-9.

作者简介：王晶（1983-），讲师、工程师，研究方向：高性能混凝土性能试验和设计、沥青混合料路用性能。

基金项目：广西壮族自治区教育厅201 6年度广西高校中青年教师基础能力提升项目“机制砂泵送混凝土配合比研究”（项目编号：KY2016YB667）