高性能混凝土发展和简单配合比设计_张希龙

文章编号：1673－6052（2014）增刊－0092－04中图分类号：U445．57文献标识码：B高性能混凝土发展和简单配合比设计张希龙1，索鹏飞2（1．路桥华祥国际工程有限公司北京市100010；2．中交第一公路工程局有限公司北京建筑分公司北京市10010）摘要：阐述了高性能混凝土与普通混凝土的优缺点。

详细介绍了高性能混凝土配合比设计过程。

关键词：高性能混凝土；普通混凝土；配合比设计1高性能混凝土的新型理念1．1普通混凝土的应用1．1．1普通混凝土的概念一般指以水泥为主要胶凝材料，与水、细集料、粗集料，必要时掺入化学外加剂和矿物掺和料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。

1．1．2普通混凝土的应用普通混凝土在当今市场条件下，主要应用于民用建筑、桥梁、港口、码头等一些不是特殊的工程中。

主要是造价低，应用广泛，原材料充足。

1．1．3普通混凝土的病害以及缺点常见混凝土的病害主要有三类：图1（1）混凝土板损坏纵向裂缝、横向裂缝、龟裂、交叉裂缝、掉脚、孔洞、局部磨损。

（2）混凝土接缝破损接缝挤碎、拱起、唧泥和板底脱空、错台、填缝料失落图2（3）混凝土冻融破坏我国地域辽阔，有相当大的部分处于严寒地带，致使不少水工建筑物发生了冻融破坏现象。

根据全国水工建筑物耐久性调查资料，在32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北、西北地区。

尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎100%工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。

除东北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象。

1．2高性能混凝土1．2．1高性能混凝土的概念在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的新型高技术混凝土。

针对不同的用途要求，对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性等。

1．2．2高性能混凝土的新型理念据有关统计：中国生产全世界三分之一的混凝土。

在每年生产15．6亿吨混凝土的过程中，相当数量的二氧化碳被排放到空气中。

目前大气的二氧化碳浓度为390ppm。

二氧化碳在全球温室气体总量中占85%。

生产一吨水泥大约需要两吨石灰石和页岩。

这在电能、工艺热量和运输方面消耗4，000，000，000焦耳。

据最新资料，我国每年因拆出建筑产生的固体废弃物达2亿吨以上，其中一半以上为废弃混凝土；美国每年大约产生6000万吨废弃混凝土；欧洲每年有16200万吨废弃混凝土产生；日本每年约有1600万吨废弃混凝土，在德国每年拆除废弃混凝土约为0．3t/人。

所以高性能混凝土需要解决使废弃混凝土减少的问题，理由如下：（1）混凝土原材为不可再生资源据统计地球上的资源是有限的，许多是不可再生的。

土木工程是人类在自然界进行物质交换量最大的活动，全世界每年混凝土用量达到90亿吨，大量材料的生产和使用，消耗大量资源。

150多年前，以硅酸盐水泥为胶凝材料的混凝土问世，不以其二原材料资源丰富、价格低廉为主要优点，很快受到世人的青睐，而成为近代、现代土木建筑工程的主要材料。

但是这些年来，由于用量越来越大，大量开山、采石，已经严重破坏了自然景观和绿色植被，挖河取沙，造成水土流失或河流改道等严重危机。

所以混凝土的需求将会越来越多，对原材资源的利用也将是很多的，这些资源都是不可再生的资源，用没了那就是永远的没了，大量的山被开采，植被破环，生态环境严重受害。

所以我们需要提高混凝土的性能，将其优化，使其耐久性长远。

（2）混凝土的设计年限普通混凝土设计年限比较短，一般六七十年，这就大大地折扣了混凝土的有效利用率，所以就需要高性能混凝土解决这个问题，将设计年限大大延长上百年甚至更长，这就需要混凝土技术的更加精湛，要求高科技条件下设计高性能混凝土，用以提高设计年限。

（3）混凝土解决施工困难比如大体积混凝土施工，就得解决水泥水化反应产生的热，这是一个施工的难点，也需要专业的施工队伍，施工经验方面必须保证，使得大体积混凝土散热以及养护能够得到保证，最终保证达到施工质量的要求。

还如冬季施工，这个要求非常高，温度低环境恶劣，严重阻碍了施工进度，以及质量的达标，混凝土的养生难度也是非常大的，比如在这寒冷的北方地区还有高海拔以及常年冻土地区，将使混凝土冬季施工面临很大的难度，所以高性能混凝土有待解决这些施工问题。

（4）混凝土造价问题高性能混凝土原材要求严格、技术要求高，所以对应的造价就会高，虽然现在国民经济发达，科技水平提高，但是我们在优化混凝土质量的同时尽量优化造价问题。

2高性能混凝土的理论设计2．1对原材的要求2．1．1水泥（1）应有水泥标准稠度用水量指标（≤26.0%）。

考虑水泥熟料在比表面积350m2/kg时，标准稠度用水量在24% 25%，即使普通硅酸盐水泥允许有不超过15%的混合材掺入，也必须严格控制水泥的标准稠度用水量≤26．0%。

（2）提出水泥和外加剂相容性要求。

目前，我们对水泥厂提出，按推荐掺量掺减水剂后水泥净浆流动度≥180mm，以满足使用要求。

（3）要有出厂水泥温度控制要求（≤65ħ）。

2．1．2外加剂（1）高性能混凝土用外加剂要满足在低水胶比下提高混凝土流动性的要求，混凝土坍落度的经时变化要小。

（2）水泥和外加剂要容。

（3）高性能混凝土都必须要掺加掺和料，掺和料掺入后能改变水泥和外加剂的相容性，提高新拌混凝土的内聚性，减少泌水和离析，改善混凝土的和易性，有效降低坍落度的损失。

2．1．3掺和料混凝土掺和料是为了改善混凝土性能，节约用水，调节混凝土强度等级，在混凝土拌和时掺入天然的或人工的能改善混凝土性能的粉状矿物质。

掺和料可分为活性掺和料和非活性掺和料。

活性矿物掺和料本身不硬化或者硬化速度很慢，但能与水泥水化生成氧化钙，生成具有胶凝能力的水化产物，如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉、硅灰等。

非活性矿物掺和料基本不与水泥组分起反应，如石灰石、磨细石英砂等材料。

活性掺和料在掺有减水剂的情况下，能增加新拌混凝土的流动性、粘聚性、保水性、改善混凝土的可泵性，并能提高硬化混凝土的强度和耐久性。

2．1．4粗集料（1）采用硬质高强的集料；粗集料应选择坚硬岩石轧制的碎石，岩石强度等级应为混凝土强度等级的两倍以上。

碎石宜呈近似正立方体，有棱角以及形成具有高内摩擦力的骨架。

碎石表面组织应粗糙，使其与水泥具有优良的粘结力。

通常碎石最大粒径不大于15mm，混凝土可达到较高的抗压强度。

（2）采用含碱量低的粗集料。

2．1．5细集料（1）采用特细砂配制的特细砂HPC和混合砂HPC容易产生早期塑性裂缝，细骨料采用天然中砂配制的HPC抵抗早期开裂的能力较强。

（2）采用混合砂配制的PHC，随着混合砂细度模数的增加，混凝土早期塑性开裂的可能性越小，且模数在中砂范围的混凝土的开裂行为和中砂的接近。

（3）在其他配制参数相同条件下，对混合砂和中砂高性能混凝土，均存在一个最佳砂率，使混凝土抵抗早期塑性收缩开裂的能力最强。

（4）采用特细砂配制的HPC与混合砂、中砂配制的HPC的收缩开裂行为有相似之处，但不完全一致。

2．1．6水采用磁化水拌和，磁化水是普通的水以一定速度径流磁场，由于磁化作用提高了水的活性。

用磁化水拌制混凝土，容易进入水泥颗粒内部，使水泥水化更安全、充分。

2．2配合比优化2．2．1C50混凝土初步配合比设计（1）确定混凝土等级为C50f cu．o ≥f cu．k+1．645α（1）式中：fcu．o－混凝土配置强度；fcu．k－混凝土立方体抗压强度的标准值；α－由施工单位质量管理水平确定的混凝土强度标准差。

强度标准值可根据强度等级按表1规定取值。

表1强度标准差α值强度等级（MPa）低于C20C20 C35高于C35标准差α（MPa）4．05．06．0fcu．o=50+1．645ˑ6．0=59．87（2）确定水灰比①水灰比有经验公式WC=αa．f cefcu，o+αaαb．f ce（2）水泥采用p．ll42．5WC=0．46ˑ42．559．87+0．46ˑ0．07ˑ42．5=0．32表2αaαb为回归系数集料类别碎石卵石回归系数αa0．460．48回归系数αb0．070．33最终确定水灰比符合耐久性的要求。

②确定单位用水量根据混凝土设计规程JGJ55－2000表4．0．1－1要求确定单位用水量为180kg。

③确定水泥用量mco=mwoˑCW=180ˑ3．125=562．5④确定砂率根据混凝土配合比设计规范JGJ55－2000表4．0．4初步确定砂率为34%。

根据体积法计算单位混凝土粗集料和细集料的用量：mco+mgo+mso+mwo=mcpβs=msomgo+mso（3）已知mco=562．5kgmwo=180kgmcp=2400kg/m3βs=34%经计算得mgo=1093．97mso=563．55最终确定初步配合比为mco ʒmgoʒmsoʒmwo=562．5ʒ1093．97ʒ563．55ʒ1802．2．2试验配合比本配合比采用减水率大于25%的减水剂，初步掺和量为1．0%，配置25L混凝土进行试验。

坍落度为30cm，但是混凝土有和易性。

由于坍落度太小没有流动性，所以将砂率提高4个百分点，水泥降到522kg，水调到177kg，外加剂提高3个百分点，经试拌符合设计坍落度，并且混凝土具有保水性、流动性。

经试验得出最终配合比：mco ʒmgoʒmsoʒmwo=472ʒ1057ʒ644ʒ177，外加剂1．3%，粉煤灰50kg。

2．2．3密度校核经试验密度校核后确定配合比：mco ʒmgoʒmsoʒmwo=572ʒ1057ʒ644ʒ177，外加剂1．3%，粉煤灰50kg。

2．2．4强度28d抗压经标准养生，强度符合设计的目的，并且强度无富余。

所以最终确定该C50混凝土的配合比设计值为：mcoʒmgoʒmsoʒmwo=472ʒ1057ʒ644ʒ177，外加剂1．3%，粉煤灰50kg。

3结论在一线项目工地试验经历也有三年之多，唯独混凝土知识接触的最多，所以我就想着能够自己独立设计出一些混凝土配合比，目的是发挥混凝土的性能，以达到我们所需要的强度、耐久性、抗腐蚀性、抗盐碱性，符合混凝土绿色状态。

在这经济发达的社会，混凝土设计尽可能地考虑资源的整合利用以及自然环境的保护，更重要的是达到高效耐久的新型高性能混凝土。

此次配合比的设计，考虑了混凝土的经济性、抗冻性以及耐久性，最终达到了设计的目的，同时更加丰富了对混凝土的认知。

相信在以后工作中将积累更多的实际经验以及丰富的知识，配制出更多经济合理、耐久抗冻融的、符合当地施工的最佳混凝土配合比。

参考文献［1］建设部．混凝土结构耐久性设计［M］．北京：建筑工业版社，2004．09．［2］交通部．混凝土配合比设计手册［M］．北京：人民交通版社，2001．09．［3］JGJ17671－1999，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥［S］．［4］土木工程材料［M］．北京：高等教育出版社，2003．［5］JTG E30－2005，公路工程水泥与水泥混凝土试验规程［S］．High Performance Concrete Development and Simple MixＲatio DesignZHANG Xi-long，SUO Peng-feiAbstract Merit and demerit of high performance concrete and ordinary concrete has been introduced．High performance concrete mix ratio design process has been introduced in detail．Key words High performance concrete；Ordinary concrete；Mix ratio design。