高性能混凝土配合比设计要点
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【摘要】近年来，国内外对高性能混凝土的研究甚多，也越来越引起了重视，但由于对高性能混凝土认识的混乱，这不仅影响了高性能混凝土的推广、发展，而且还会影响当前的混凝土质量。我们认为，高性能混凝土中最为关键的应该是耐久性，而强度、工作性等是耐久性的前提，同时抗裂性也与耐久性处于同样的位置。因此，本文在原材料和配合比对混凝土性能研究的基础上，提出了中低强混凝土实现高性能化的技术途径，其中主要的是提出了以耐久性和抗裂性为主，同时考虑、工作性和强度的中低强高性能混凝土配合比设计新方法。
【关键词】高性能混凝土；耐久性；外加剂，掺合料
1.高性能混凝土及其实现途径
混凝土的耐久性是其抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程而长期维持其性能的能力，包括抗渗性、抗冻性、抗冲刷性、抗侵蚀性、抗风化性以及耐磨性等各项性能。而在结构设计中，混凝土结构耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土在使用期间，会由于环境中的水、气体及其中所含侵蚀性介质侵人，产生物理和化学反应而逐渐劣化。混凝土的耐久性实质上是抵抗这种劣化作用的能力。产生这种劣化作用的内部潜在因素是混凝土中的化学成分和结构，外部条件是环境中侵蚀性介质和水的存在。因此，混凝土的耐久性是相对于外部条件而言的。
实现混凝土的高性能化，一直是混凝土科学研究的最终目的。图1给出了中低强混凝土高性能化的实现过程图。由于混凝土的耐久性是相对于使用环境而言的，因此首先要根据混凝土的使用环境条件特点，提出相应的耐久性指标和抗裂性指标，并根据耐久性要求，对原材料进行优选和对配合比进行优化。原材料的优选和配合比的优化，以及良好的施工质量是混凝土实现高性能的保证。因此，中低强混凝土高性能化最关键的是原材料的控制和配合比的设计，特别是配合比设计不能以传统的设计方法进行。
图1 中低强混凝土高性能化实现过程
2.高性能混凝土原材料要求
中低强高性能混凝土原材料主要采用常规的原材料，因此不能对配制中低强混凝土用原材料提出太多的苛刻的要求，而应的、根据实际情况，对原材料提出关键性的技术要求，才具有实际意义。
2.1 水泥
除水泥标号外，水泥矿物组成和细度都对混凝土的性能有较大的影响。一般而言，配制高耐久混凝土不得使用立窑水泥，应避免使用早强、水化热较高和高C3A含量的水泥，同时水泥中f-CaO，f-MgO，SO3和Cl-等有害成分应尽可能的少。由于混凝土耐久性的实现，必须有良好的施工质量为保证，这就要求所配制的混凝土要具有良好的施工和易性，因而水泥必须与所用高效减水剂应具有良好的适应性，使混凝土拌合物在满足工作性条件下用水量尽可能的低，坍落度损失小。
2.2矿物掺合料
矿物掺合料是改善混凝土耐久性的关键因素之一。高性能混凝土要求以耐久性和抗裂性为主要设计指标的，而普通硅酸盐水泥混凝土很难满足要求，这是由于普通硅酸盐水泥配制的混凝土早期水化热较大，界面区的CH取向及其抗侵蚀性能差，这些弊端是硅酸盐水泥混凝土自身难以克服的问题。而粉煤灰、矿渣微粉等矿物掺合料对混凝土工作性、力学性能及混凝土内部组成、结构的改善，大大改善了混凝土的耐久性，克服了硅酸盐水泥混凝土存在的许多潜在的及现实的问题，因而这类能显著改善混凝土耐久性和工作性的矿物掺合料成为了配制高耐久混凝土必不可少的组分。配制高性能混凝土宜采用优质的矿物掺合料，如粉煤灰一般采用I级灰，优质的矿物掺合料应具有明显的减水增强作用。配制中低强高性能混凝土不建议采用硅灰作掺合料。
3.高性能混凝土配合比设计
3.1高性能混凝土配合比设计原则
高性能混凝土的关键是高耐久性，而高耐久混凝土的首要条件是抗裂性好和体积稳定性好。因此，高性能混凝土的特点是低渗透性（包括水密性和抗化学侵蚀性）、无龟裂性，内部结构的自愈性和长期强度缓慢持续发展。以耐久性和抗裂性为主的高性能混凝土配合比设计应考虑如下几点：
（1）低用水量
系指在满足工作性条件下尽量减少用水量。混凝土高拌和水量的后果是：抗压和抗折强度降低、吸水率和渗透性增大、水密性降低、干缩裂缝出现的几率加大、砂石与水泥石界面粘结力和钢筋与砼握裹力减小、混凝土干湿体积变化率加大和抗风化能力降低。
（2）低水泥用量
系指满足混凝土工作性和强度条件下尽量减小水泥用量，这是提高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。水泥化学反应表明，水泥和水的正效应是作为混凝土的活性组分，是粘结混凝土中砂石集料并形成整体强度的胶凝材料，但同时也是混凝土耐久性的主要劣化因子。
3.2配合比设计中的关键技术
3.2.1关于混凝土工作性
（1）流动性
流动性用坍落度表示，泵送混凝土属于大流动性混凝土。出搅拌机的混凝土坍落度为T0，入泵混凝土坍落度为T1，则ΔT= T0- T1称为坍落度损失。坍落度损失越小越好，一般需要控制1小时坍落度损失率不大于20%。
混凝土入泵坍落度与混凝土泵送高度有关（见表4-1），根据混凝土的入泵坍落度与坍落度损失，即可算出混凝土初始坍落度T0，即 T0= T1+ΔT。
（2）可泵性
可泵性表示混凝土易于泵送而不产生堵管或分层离析和泌水等性能，可泵性好的混凝土，不但混凝土原材料应满足要求，流动性大，而且粘聚性、保水性好。常压泌水率要小，压力泌水值一般控制在40～130ml，以70～130ml为好。
3.2.2 关于配制强度
混凝土的抗压强度，是结构混凝土最主要的指标，必须达到设计要求，混凝土强度等级保证率不低于95%。但混凝土抗压强度也不宜过高，即超标太多。如超过设计强度3个等级以上，该混凝土不是最佳的混凝土，不仅增加了材料成本，而且还会使混凝土的胶凝材料用量过高，从而降低了混凝土的长期耐久性能。
3.2.3 关于混凝土耐久性
近年来人们对混凝土耐久性的认识日益提高，国外各标准中也均把耐久性列为混凝土的最重要指标，也就是说，不是对有特殊要求的混凝土才要考虑耐久性，而对应对所有混凝土都予以考虑。
4.小结
（1）不同的结构，不同的环境对混凝土的性能要求不同，混凝土表现出的耐久性也不同，混凝土的 高性能化是相对于一定的大气环境、化学侵蚀条件而言的。并据此，针对目前高性能混凝土概念的混乱，对高性能混凝土进行了重新定义和界定。
（2）要实现混凝土的高性能化，应以耐久性和抗裂性为目标进行原材料优选和配合比设计。根据工程的实际情况，提出相应的耐久性指标和抗裂性指标。
（3）提出了配制高性能混凝土的原材料性能指标和技术要求，并提出了保证高性能混凝土的原材料技术要求，关键配合比参数，提出了以耐久性为主同时考虑抗裂性、工作性和强度的高性能混凝土配合比设计新方法。