高性能混凝土配合比設計的影響因素探析

賈兆蓮

(晉中公路分局，山西晉中 030600)

近些年來，我國處于城鎮化快速發展時期，工程建設規模日益增大，混凝土用量大幅增加，水泥及砂石等材料消耗持續上升，二氧化碳、粉塵等的排放對環境產生的影響也不斷增大。為應對能源短缺、環境惡化的挑戰，我國提出了綠色建筑的要求。高性能混凝土利于減少水泥用量，綜合利用各種廢棄物，符合綠色建筑的內涵。高性能混凝土是一種新型的高技術混凝土，是一種重要的綠色建材。推廣和應用高性能混凝土，不僅能夠提高工程質量，還能夠有效解決建筑物的全壽命周期的綜合成本和綜合效益的問題。推廣應用高性能混凝土是落實綠色建筑行動方案的重大舉措。2014年3月4日，我國工信部和住建部組織召開了高性能混凝土推廣應用技術指導組成立暨第一次工作會。這對提升我國建筑工業化水平，提升整個建筑業的發展質量和科技水平具有重要意義。

1 高性能混凝土定義及特性

1990年5月，美國國家標準與技術研究所和混凝土協會組織了全世界第一屆高性能混凝土討論會。在該次會議上，首次提出了高性能混凝土(英文名稱:High Performance Concrete，簡稱HPC)的概念。日本、加拿大等很多國家對高性能混凝土也進行了研究和應用。到目前為止，各國對高性能混凝土的要求和涵義均不相同。在我國，根據CECS 207-2006高性能混凝土應用技術規程中的規定，高性能混凝土是一種采用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求的各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。我國的高性能混凝土專家吳中偉院士將其定義為:在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上，采用現代混凝土技術制作，以耐久性為設計指標的一種新型高技術混凝土，能夠適用于任何強度等級。在普通混凝土的微結構中，由于多相且不均勻，骨料與硬化水泥漿體界面存在著薄弱的過渡區，這使得其強度和耐久性能受到影響。加強過渡區和改善均勻性是提高混凝土性能的關鍵。值得強調的是，就某一種高性能混凝土而言，并不要求其各方面性能都高性能化，而是根據建筑物所處環境和工程施工的需要，在強度、耐久性和流動性等一個或以上方面優于普通混凝土。如果用數值1.0表征普通混凝土的強度、耐久性和流動性，那么高性能混凝土的性能可表示為如圖1所示。與普通混凝土相比，高性能混凝土具有以下特性:低孔隙率;在水化物中，氫氧化鈣減少，鈣礬石和水化凝膠增加;未水化顆粒多，未水化顆粒和礦物細摻料等各級中心質增加，且各中心質間距縮短，有利的中心質效應增多，中心質的網絡骨架得到強化;界面過渡層厚度小，氫氧化鈣取向程度下降。

圖1 高性能混凝土的性能

2 高性能混凝土配合比設計原則

高性能混凝土性能要求是具有高耐久性、高強度、低滲透性、高工作性和高體積穩定性。要實現該目標要求，必須堅持以下原則:1)低滲透性的原則。2)為了保證混凝土具有良好的施工性，并提高混凝土的耐久性。在設計中，膠凝材料總量應比設計同等強度的傳統混凝土時的水泥用量高。3)在膠凝材料中，各組分密度相差較大。因此，在配合比設計中，宜采用絕對體積法進行計算。4)根據施工性要求，可以適當的調整混凝土的砂率，但不宜超過45%，以免影響混凝土的彈性模量。

3 高性能混凝土配合比設計

在高性能混凝土的制作中，原材料的質量、配合比設計及施工中的質量控制(勻質性)是確保高性能混凝土質量的重要因素。在本文中，僅對配合比設計的因素進行分析和說明。

在混凝土配合比設計中，耐久性要求低水膠比(在0.4以下)。為保證混凝土的高流動性，就要增大漿集比和砂率。當降低粗集料的用量時，混凝土強度會有所提高，但卻會對混凝土的彈性模量造成影響，增加干縮和徐變。從圖2可以看出，對高性能混凝土性能影響的因素有水膠比、漿集比、砂率及減水劑用量。配合比設計的任務就是正確地選擇原材料和配合比參數，使其中的矛盾得到統一，得到經濟、合理的混凝土拌和物。

圖2 高性能混凝土的配合比設計的影響因素

3.1 水膠比

在高性能混凝土的制備中，合理確定水膠比是高性能混凝土配合比設計的關鍵。高性能混凝土制備的特征之一是低水膠比，這對確保混凝土的低滲透性及耐久性至關重要。在配合比設計中，為確保混凝土的密實度，無論強度多少，高性能混凝土的水膠比一般都得超過0.40。

3.2 漿集比

漿集比最主要是會對混凝土的施工性產生影響。在一定程度上，漿集比還會對混凝土的強度、彈性模量和干縮率產生影響。

高性能混凝土的特點是流動性大，低水膠比。為了確保混凝土具有足夠的流動性，就要提高膠凝材料的總用量。

集料孔隙率:砂漿填充集料孔隙，取合適的富裕系數(1.2～1.4);漿體填充粗集料和細集料的孔隙率，取適當的富裕系數(1.2～1.4);膠凝材料總量不能低于300 kg/m3，但也以不超過550 kg/m3為宜。

3.3 砂率

在高性能混凝土中，水泥漿量一定時，砂率最主要會對施工性產生影響。高性能混凝土的用水量很低，主要通過增加砂率來補充砂漿量，砂率宜較大。采用泵送混凝土時，砂率宜控制在40% ～45%之間。

1)當采用連續級配的集料時，在施工中采用泵送混凝土應比普通混凝土的砂率再提高5%左右;當石子級配不好時，還應當再提高砂率。

2)根據日本在高性能混凝土施工中的經驗，當平均坍落度每提高20 mm時，砂率應提高1%，這對強度的影響很小。

3)根據我國建筑科學院的實驗數據表明，當水灰比為0.55～0.53時，將砂率控制在34%～46%之間，這對強度的影響很小。

表1 砂率對混凝土性能的影響

從表1可以看出:

1)從性能來看，最優砂率控制在38%～46%之間為宜。超過此范圍后，坍落度減小。

2)隨著混凝土中砂率的增加，強度呈增長趨勢，但彈性模量呈現出下降趨勢。

3)石子級配越差，則要求的砂率越大，越要求使用粗的砂。

4)摻入密度小的輔助膠凝材料時，可減小砂率。

3.4 減水劑用量

可根據水泥與減水劑的適應性分析和施工和易性來確定。

在高性能混凝土的配合比設計中，勻質性是普通混凝土技術向高性能混凝土發展的關鍵。從提高原材料的勻質性開始，包括水泥活性和外加劑的變異、骨料含水量的波動，直到拌合物的工作度和溫度等。可以說，盡量確保混凝土微結構的均勻，這是保證混凝土制備質量的重中之重。

4 試配和調整

對配合比的工作性能與力學性能進行試驗，檢驗其是否能夠滿足具體工程混凝土的技術指標，并對其進行適當的調整。

1)坍落度主要是通過調整超塑化劑摻量來實現的。當增加超塑化劑的摻量時，可能會導致拌和物出現離析、泌水和緩凝現象。當出現這種情況時，可通過增加砂率或是減小砂的細度模量來克服離析、泌水的現象。

2)對于出現的過分緩凝現象，可通過更換超塑化劑來實現，可改用含促凝早強成分的超塑化劑。

3)當增加超塑化劑還不起作用時，其原因可能是水泥中的C3A含量過大，可更換水泥。

4)如混凝土28 d強度低于預計的強度，可減少用水量或考慮將粗集料改為碎石。

5 結語

在我國，高性能混凝土是一種新型環保建筑材料，具有良好的施工性和耐久性，其特性很好的滿足了工程性能要求和施工要求，有效的延長了混凝土結構的使用壽命，對降低工程造價，提高工程效益具有重要意義。要使其發展得到可靠的保證，必須要建立相適應的標準和規范，減少不同標準規范的協調性和適應性問題，加大政策扶持力度。

推廣和應用高性能混凝土，對于提升混凝土應用水平、推動建筑節材，提升混凝土耐久性、延長結構壽命，提升混凝土生產水平、加快產業轉型升級，提高工程和產品質量，提升整個建筑業的發展質量和科技水平，都具有重要意義。

［1］兩部委聯推高性能混凝土.http://www.chinajsb.cn/bz/content/2014-03/06/content_120704.htm，2014-03-24.

［2］藺勝江.雙摻高性能混凝土配合比設計及工程應用［J］.山西建筑，2012，38(15):104-105.

［3］韋江雄.高性能混凝土配制與應用［Z］.2009.