高性能砼配和比设计

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摘要：混凝土作为一种建筑主要材料，为了满足更高层次的使用功能。时刻在进行着技术改进，向着高性能的方向不断发展。目前，许多工程技术人员都对高性能混凝土的配合比设计产生浓厚的兴趣，在努力地探索和钻研。本文对如何进行高性能砼配和比设计进行了详细的论述，并例举了应用实例，以供参考。

关键词：混凝土；高性能；配合比

中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：

高性能混凝土由水泥、粗、细骨料以及外加剂和水等材料组成。配合比设计时要在节约水泥用量，降低成本的原则下。充份考虑到制成混凝土的高耐久性、良好的工作性能和较高的强度。并且需要满足施工的和易性要求。

1配合比设计要求

高性能混凝土的组成材料、抗压强度以及施工工艺和施工方法、工作环境等都对配合比影响很大。为使高性能混凝土的配合比设计更加准确，适合工程的建设。进行配合比设计时应充分考虑这些影响因素，同时，做到以下几点要求。

1.1要严格控制好每立方米高性能混凝土中水泥的用量，对于C50--C60 的高性能混凝土每立方米中水泥用量不能大于470公斤。对于不是泵送的混凝土每立方米中的水泥用量不能大于450公斤。对于泵送混凝土每立方米中的水泥用量不能大于500公斤。对于各种特殊工程条件混凝土结构，每立方米中的水泥用量及水灰比应符合相应的设计要求。

1.2为提高混凝土的耐久性及各项性能防止裂缝产生，混凝土中宜加入少量的优质外加剂，例如粉煤灰、矿渣粉等矿物混合料。要根据试验室的配合比确定外加剂的加入量，加入之后还须现场做混凝土试块来检验其强度。如果不符合设计要求应当予以现场调整含量。一般外加剂的掺量应大于水泥重量的20% 。当高性能混凝土的水灰比小于0.43时，外加剂在混凝土中的加入量最大可以达到37%，对于预应力混凝土及非预应力混凝土处于冻融环境中时，外加剂的加入量须小于30% 。当混凝土构件于空气时，外加剂的加入量须小于20% ，且硅酸盐水泥在每立方米混凝土材料中的重量要大于300公斤。

1.3当建筑物高性能混凝土结构的使用年限和耐久性要求较高时在混凝土配合比设计时，应将几种抗裂性能好的水泥分别做成几组混凝土试块，通过混凝土试块的试验结果从中挑选出能使混凝土抗裂性能优良的水泥品种做为组成高性能混凝土的胶凝材料。

1.4对于处在寒冷条件下的高性能混凝土构件，要考虑冻融的影响。当冻融环境作用等级在D级及以上的时，高性能混凝土中必须加入引气剂，对处于其他特殊工程环境中的混凝土，亦可通过加入适量的引气剂以提高其使用年限和耐久性。加入引气剂后高性能混凝土的最大水灰比和每立方米中最小水泥用量必须满足相应强度等级中规定要求。混凝土规范中关于含气量、气泡间距系数及混凝土抗冻性的耐久性指数的规定要求亦应严格遵守。

1.5由于高性能混凝土中碱、氯离子可引起混凝土的腐蚀，因此，应严格按规范要求控制混凝土中碱、氯离子的含量。一般情况下，碱、氯离子的含量应控制在水泥重量的0.09%以内。如果构件为预应力混凝土，则碱、氯离子的含量应控制在水泥重量的0.05%以内。高性能混凝土的坍落度值不宜过高，一般结合施工环境和施工工艺情况凭经验确定，塌落度确定后，在现场浇筑混凝土时，技术人员应当仔细观察混凝土的和易性，发现情况有异，立即调整坍落度。

1.6水泥要求

高性能混凝土在选择水泥时，要注意检查水泥试验报告中碱和氯离子的含量，及水泥的流动性、安定性等指标否符合要求。另外，为了减少混凝土的用水量，需要选择细度低的水泥，因为细度越低，则水泥的比表面积就越小，水化时吸收的水份也将减少。可以避免由于混凝土内部温度变化过快而造成的假凝现象。

1.7细骨料要求

细骨料主要应检查其细度模数、级配情况、粒径大小和含泥量等指标，尤其应注重对细骨料含泥量的控制。因为高性能混凝土的强度和耐久性要求较高，如果含泥量超过规定数值，会使混凝土内部的毛细通道堵塞，降低其抗侵蚀的能力，从而影响高性能混凝土的强度和耐久性。一般在工程中，细骨料选择粒径小于3毫米的河砂为宜。

1.8粗骨料要求

粗骨料分为碎石和卵石两种，一般根据工程荷载情况及所处的环境条件而定。高性混凝土由于强度要求较高，所以宜选择抗压性能好的碎石。并控制好碎石的级配（图1）。注意选取的碎石最大粒径不得超过25毫米，在有钢筋的混凝土中，碎石最大粒径还不应超过钢筋净距的3／4.同时。同时，应控制碎石的含泥量在0.9%以内。其他各项指标都须符合规范要求。海砂由于氯离子含量较大，为避免对钢筋的腐蚀，一般不常用。

碎石级配图1

2 高性能混凝土配合比设计计算步骤

目前，国内外有许多关于高性能混凝土的计算方法，根据笔者多年的施工经验。认为其中的体积法计算出的高性能混凝土配合比在工程中应用取得的效果良好。体积法计算先要假定高性能混凝土中所有材料之间是密实的，各个组成材料的体积等于混凝土的总体积。具体计算步骤如下；

2.1计算水灰比；

先求出混凝凝土试配强度h以确定水灰比。由于试验室是在标准环境下配置混凝土。而实际施工环境与其有所不同，所以设计高性能混凝土标号一般比试配标号低10%左右。即

h=kr=1.1r,式中r为混凝土设计标号，k为标号提高系数。

根据试配强度h，按下式可以将水灰比的数值计算出来；

h=0.47f(－0.52),式中为高性能混凝土要求的灰水比值。h为混凝土的试配强度（公斤／厘米2），f为水泥的实际强度（公斤／厘米2）。如果水泥出厂日期超过三个月，或由于存放条件差而产生变质的水泥应对其标号进行重新鉴定，并按实际强度计算。

2.2确定用水量

高性能混凝土的用水量一般根据混凝凝土骨料品种、规格及使用环境凭施工经验确定。

2.3根据水灰比和用水量通过下式可以确定水泥用量；

=;式中为水泥在每立方米高性能混凝土中的数量(公斤／米3)，为水在每立方米混凝土的数量(公斤／米3)， 为水灰比。

2.4砂率的确定

高性能混凝土的砂率一般根据混凝凝土骨料品种、规格及混凝土的水灰比凭施工经验确定。

2.5高性能混凝土中砂、石用量确定；

砂、石在每立方米高性能混凝土中的数量多少一般可以用下列两个式子求出；

+++=10a=1000；=p%;

式中为水泥在每立方米高性能混凝土中的数量(公斤／米3)，g为粗骨料在每立方米高性能混凝土中的数量(公斤／米3)，s为细骨料在每立方米高性能混凝土中的数量(公斤／米3)，为水在每立方米混凝土的数量(公斤／米3)，为水泥的密度（克／厘米3），为粗骨料的密度（克／厘米3），为细骨料的密度（克／厘米3），为水的密度（克／厘米3），a为高性能混凝土含气量百分数（%），p为砂率（%）。

通过以上各步骤计算所得到的结果为高性能混凝土的初步配合比，然后需要经过现场配合情况的检验，观测其和易性、坍落度是否符合设计及高性能混凝土的相关要求，如果不符合则进行现场调整。

现场配合时，搅拌方法和条件应尽量与工程实际搅拌的方法和条件一致。搅拌机每次搅拌的拌合量须大于搅拌机额定搅拌量的1／3.经过现场配合调整，即可确定高性能混凝土的现场调整配合比。然后，还应根据高性能混凝土的实测容重对其进行校正，校正方法如下；

按初步确定的配合比计算出高性能混凝土的计算容重数值，再将高性能混凝土的实测容重值除以计算容重，得出校正系数，用校正系数乘以高性能混凝土配合比中的每项材料用量，即得出最后的高性能混凝土配合比设计值。

3 高性能混凝土配合比设计技术措施

3.1加入适合的外加剂

在高性能混凝土设计中，掺入外加剂可使混凝土的性能大为改观，性能更加优越。目前比较常用的外加剂有很多种。矿渣粉就是其中比较好的一种。混凝土中掺入矿渣粉后，可以减弱水泥的粘度，重新调整水泥颗粒级配，使水泥颗粒在混凝土中均匀分布，降低了水在混凝土中的含量，且增加了混凝土的流动性，易于运输和搅拌。矿渣粉加入高性能混凝土的初期主要起到增加内部材料颗粒的密实性，提高混凝土各项性能指标的作用。随着水泥水化作用的加剧，矿渣粉逐渐参与到水泥的水化反应中来，促进混凝土的强度增长，改善混凝土的抗渗性。

3.2采用加入混合剂的技术

所谓加入混合剂是指加入两种或两种以上的外加剂，以改善混凝土的性能。因为只掺入一种外加剂在改善混凝土的性能方面往往存在不足之处，加入两种外加剂可以起到互补作用，能够用一种外加剂的优势来弥补另一种外加剂的不足。例如；混凝土中加入粉煤灰后，通过粉煤灰的化学活性作用，可以提高浇筑初期混凝土的强度。但对混凝土的后期强度影响不大。而矿渣粉的化学活性诱发较慢，对于混凝土的后期强度增长影响较大。通过这两种外加剂的混合加入，可以使混凝土的早期和后期强度都得到提高，具有更高的性能。

4 高性能砼配和比设计应用实例

①工程概况；

新建京沪高速铁路土建一标DK190+370.1～DK238+470.17段线路全长48.10007km，管段内预制箱梁共1753片，设三座梁场，其中静海梁场预制箱梁619片（32m梁597片、24m梁22片），沧县梁场601片（32m梁587片、24m梁14片），泊头梁场533片（32m梁513片、24m梁20片）。32m直线梁箱梁梁长32.6m，跨度为31.5m，梁高为3.078m，梁宽12m，梁体C50混凝土323.23m3 ,钢筋53.654t，采用后张法施工。

②材料选用；

根据相关技术要求及当地实际情况，本项目C50高性能混凝土水泥材料选用P.O42.5水泥，水泥产地为山东山水。水泥中C3A含量为7.23％，碱含量为0.501％，氯离子含量为0.005％，游离氧化钙为0.38％，各项指标和常规检验的各项指标均符合规范要求。掺入的矿渣粉为S95矿渣粉，产地为天津和国投。其检验结果：烧失量为1.08％，需水量比为95％，比表面积为423m2/Kg，氧化美含量2.31％，三氧化硫含量0.29％，氯离子含量0.004％，含水率0.10％，碱含量0.25％，28天的活性指数98％，各项指标均符合规范要求。另外加入粉煤灰。粉煤灰为F类工级，产地为山东聊城。其检验结果：烧失量为1.0％，细度9.7％，需水量比为96％，三氧化硫含量0.57％，碱含量1.26％，氯离子含量0.014％，含水率0.13％，各项指标均符合规范要求。外加剂为聚羧酸高效减水剂TD-9，产地为,是河北金舵。混凝土用砂采用II区中砂，细度模量2.8~3.0,云母含量0.3%,含泥量0.8%,含块泥量0%,碱活性(砂浆棒法)0.02%，产地是河北石家庄，各项指标均符合规范要求。混凝土粗骨料采用碎石为5～25mm连续级配碎石，最大公称粒径25mm。产地是河北满城。其碱活性指标为0.03％，压碎指标4.8％，坚固性1.5％，吸水率0.27％，含泥量0.3％，泥块含量0.1％，针片状颗粒总含量4.1％，碱活性砂浆棒膨胀率0.01％，各项指标均符合规范要求。为确保高性能混凝土拌合用水洁净，工程用水全部采用自来水。使用前对水质进行仔细的检测。保证各项检测指标都达到要求的标准。

③基准配合比；

通过上文介绍的高性能混凝土配合比计算方法得出本工程混凝土配合比如下表1；

混凝土基准配合比表1（kg/m3）

④现场调整配合比；

通过现场施工的检验测试，混凝土的工作性能都能达到预期的要求，泵送流畅，强度和弹性模量的增长符合施工的节拍。并根据现场施工的一些特点，对混凝土配合比进行了进一步的调整和优化，其优化后的施工配合比见下表2；

混凝土配合比表2（kg/m3）

混凝土配合比参数表3

5结束语

综上所述，高性能混凝土配合比的设计是一项十分复杂的工作。设计时需要根据工程的特点和应用环境慎重选择混凝土的材料。并且运用适合的计算方法才能得出正确的混凝土配合比。从而配制出符合工程要求的高性能混凝土，确保工程的质量。

参考文献：

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