高性能混凝土配合比的优化设计

高性能混凝土配合比的优化设计

叶珺

叶珺

（广州市市政工程试验检测有限公司514000）

摘要：高性能混凝土（HPC）作为一种结合了高新技术而产生的新型混凝土，与普通混凝土对比在性能方面具有明显的优越性，其耐久度和强度，以及稳定性和工作性都非常高。然而，在使用过程中，人们通常只片面的关注了高性能混凝土的强度，却忽视了高性能混凝土的柔韧度。这使得目前处于使用状态的大部分高强度混凝土强度超限，影响了高强度混凝土的使用性能。本文试研究如何协调用料达到高性能混凝土的优化配比。

关键词：高性能；混凝土；配合比；优化设计

混凝土的近代发展史约有一百余年，在长期的使用过程中，人们对混凝土的需求不断提高，至20世纪最后二十年，高性能混凝土应运而生，这标志着混凝土的技术更加完善。高性能混凝土的最大优点就是它的耐久性，然而在使用时，人们往往重强度而轻耐久度，这使得高性能混凝土无法发挥出它的本质优势，因此需要对高性能混凝土的成分混合比进行优化设计。

一、高性能混凝土的特点和现行配比

（一）特点

高性能混凝土具有稳定性高、耐久性好、强度高的优点，其特点如下：

1.工作性能高

高性能混凝土优越的工作性能主要体现在新拌阶段，在这个阶段，高性能混凝土具有自密实的特性，可以省去振捣的过程，其高流动度便于泵送。以上海东方明珠电视台为例，泵送混凝土时，其输送量高达380米高度[2]。

2.强度高、耐久性好

耐久度的高强是高性能混凝土发展的最终目标。十多年前，有美国学者认为高性能混凝土的发展方向可以向中强度混凝土适当偏移。目前日本已经利用高新技术研制出了耐久度长达数百年的混凝土。

3.体积稳定性优越

高性能混凝土在体积上具有非常明显的稳定性，在硬化和服役的过程中，收缩和徐变的程度非常小，不会随温度发生大范围的热胀冷缩，具有高弹模的特性。

（二）高性能混凝土的现行配比

高性能混凝土的配比原则是基于普通混凝土的四种主要成分，再加入高效减水剂与活性材料，进行搅拌配比。

普通混凝土的主要成份有水泥、砂石还有水，计算其强度的公式为：fcup=A·fce（C/W-B）其中fcup混凝土的强度，fce则是水泥的抗压强度，单位都是MPa；A与B是经验系数，而C/W代表了灰水的比例。配比时参考以上公式，先计算出灰水比例，根据所得数值决定要用多少水和多少比例的砂石。

普通混凝土的配比相对来说比较简单完善，只要满足工作强度即可。相比之下，高性能混凝土的配比就要复杂得多。可选的材料非常多，能够进行搭配的组合也不少，为了满足耐久度、强度、稳定程度等多种要求，就要进行针对性的优化配比。

二、高性能混凝土的优化配比

（一）配比方向与影响因素

1.强度

强度是混凝土的基本要求，无论是建筑还是公路桥梁，在建设时都对混凝土有着严格的强度要求。若要制造高性能混凝土，无论强度的等级是多少，其水胶比例必须在0.4以下。据现有研究成果表明，除了水胶比这个重要因素外，矿物细掺料的用量也是影响混凝土强度的重要因素。

2.工作性能

工作性能的重要性要比强度高，混凝土的工作性能决定着实际操作时的浇筑效果。高性能混凝土在坍落时高于120mm，体积非常稳定，可以泵送。由于混凝土的工作性能与其材料组成有关，因此，需要参考水泥砂石等材料的配比用量与外部添加剂等多种因素。

3.耐久度

耐久度是高性能混凝土进行配比的首要满足目标，为了令其耐久度能够得到保障，需要提升高性能混凝土对碳化、渗水、化学腐蚀的抵抗能力[3]。这其中尤以抗渗性最为重要，高性能混凝土应该避免有害介质以水为介质侵入混凝土内部造成结构破坏。

（二）材料

1.减水剂

高性能混凝土区别于普通混凝土的一大用料便是减水剂等凝胶用料。由于水胶比很低，使得混凝土的应力和粘性都非常高，为了使强度足够，需要大量使用高效减水剂。目前广泛使用高效减水剂有如下几种：

（1）萘磺酸盐甲醛缩合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物。这两种减水剂的效率高达30%左右，水胶比降至0.3时也不会影响高性能混凝土的流动性。

（2）聚羟酸减水剂

这种减水剂是新研制出来的高性能产品，分子结构为梳形，可以避免坍落造成的损失。

高效减水剂过量使用会提高使用成本的同时起不到应有的效果，并增加坍落的发生率，因此其用量应该介于1-2%。

2.细掺料

可以掺入的细料有硅粉、I级煤粉与细矿渣，这三者都具有活性二氧化硅SiO2，与水泥的水化产物氢氧化钙2Ca（OH）发生反应，产生水化硅酸钙。这种水凝胶通过沉积作用强化混凝土的抗渗性能。其他细微颗粒则随泥浆填补混凝土结构中的孔隙，使混凝土具有更高的抗渗性能。此外，由于活性细料是替代了部分水泥而存在的，这使得混凝土在水化的初级阶段减少了热量的产生，避免了温度性裂纹的产生。细料的用量参考胶凝材料的总用量，硅粉低于20%，煤粉低于30%。

3.水泥

混凝土的强度若为C50-80，则水泥强度应为42.5；若混凝土强度超过C80，水泥强度也要随之提高。

4.砂石

对于高性能混凝土来说，砂石的用量应比普通混凝土的砂石比例高一些。但具体的最优用量应该看混凝土所需要的强度和韧性，来决定砂石的具体用量

5.水

高性能混凝土的用水量应尽量少，避免在使用过程中发生干缩，增加钢筋与混凝土的握裹力作用。

（三）配合比

1.水胶比

为了保证高性能混凝土的密实程度，任何强度的高性能混凝土其水胶比不可高于0.4。水胶比数值低于0.4时，水胶比的降低会带来混凝土强度的提高。

2.浆集比

美国的研究成果表示，浆集比为35：65时，高性能混凝土的强度和稳定性能得到非常理想的效果。

三、结语：

高性能混凝土的配比效果受到多种因素的影响，砂石，水泥、减水剂、细掺料、水等所有成本的比例改变，都会影响到高性能混凝土的制成效果。国内外现行的配比方法有法国LCPC方法、美国ACI方法、英国Domone方法、万朝保罗米方法以及我国陈王两位科学家提出的全计算法。本文主要介绍了以成本为主要需求的配比方法根据工程的实际需要，利用现有的公式和函数进行计算，水胶比和浆集比的最佳比例，实现高性能混凝土的最优配比。

参考文献：

[1]王利红.高性能混凝土配合比的优化设计[D].山东大学,2014.

[2]贺东青,任志刚.高性能混凝土配合比设计方法研究综述[J].国外建材科技,2006（04）.

[3]于靖,仲诚.高性能混凝土配合比优化设计[J].山西建筑,2013（11）.