高强度混凝土配合比设计方法优化研究

高强度混凝土配合比设计方法优化研究

熊泽亮

东莞市中泰混凝土有限公司 广东东莞 523000

摘要：高强度混凝土（high strength concrete，简称HSC）是一种具有良好体积稳定性、高耐久性、高强度和高工作性能的商品混凝土。高强度混凝土一般采用42.5及以上高等级的水泥、优质的粗细骨料、超细矿物掺合料、高效减水剂等原材料配制，在原材料的选用上极为严格，以保证配制的高强度混凝土的工作性能、强度等符合相应的技术标准。

关键词：高强度混凝土 原材料 选择 配合比 设计方法 优化

引言

随着材料科学的不断发展，高强度混凝土应用领域越来越广，其配合比设计的关键，是以混凝土的和易性、力学性能、耐久性、经济性为目标。本文根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》并结合生产实际，通过优化配合比参数，探索高强度混凝土的原材料选择、配合比设计及优化，希望对从业者在高强度混凝土的设计、生产中有现实指导意义。

1、高强度混凝土配制的原材料选择

1.1胶材：水泥是影响混凝土强度的主要材料，配制高强度混凝土一般选用旋窑生产的42.5(R)和52.5(R)高强度硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水泥的C₃A需水量大、水化热大，含量宜小于8%；水泥细度愈小，水化反应愈剧烈，水化热过大，易导致混凝土结构产生过多裂缝，影响耐久性，水泥比表面积宜控制在350m²/kg；为了降低混凝土的水化热、提高工作性能、降低生产成本，水泥总用量不宜大于500kg/m³。

1.2粗骨料：混凝土中的粗骨料起着骨架作用，混凝土的抗压强度与粗骨料的抗压强度成正比，在配制高强度混凝土时，要求粗骨料必须是质地坚硬、干净、颗粒较圆、直径在5～30mm 连续级配的碎石，其压碎值不应小于12%，且抗压强度要大于混凝土目标强度的1.5倍。针片状颗粒含量不宜大于5%，含泥量不应大于 0.5%，泥块含量不应大于0.2%。

1.3细骨料：砂子是影响混凝土和易性的主要因素，高强度混凝土的配制要求选取级配良好、含泥量少、石英含量多的河砂，细度模数宜控制在2.6～3.0。细度模数过小砂子太细，混凝土粘稠难以振捣，为了满足和易性要求，需要增加水泥用量；细度模数过大砂子粗，则在运输及浇注过程中保水性差容易离析，影响混凝土质量及施工性能。含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于 0.5%。

1.4矿物掺合料

高强度混凝土的水泥用量大，水化热较高，宜掺加优质粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料以取代部分水泥用量，保证在降低水化热的同时，不会降低混凝土强度，甚至提升混凝土后期强度，能有效改善混凝土的工作性能。矿物掺合料的总掺量宜为25%～40%。

1.4.1粉煤灰：粉煤灰具有“玻璃微珠”效应，掺加适量的粉煤灰具有良好的保水性和流动性，减少混凝土泌水和离析。品质要求不低于II级，要求火山灰活性高、细度较细、质量均匀、且与其它材料相适应，常用I级电厂灰。

1.4.2矿渣粉：矿渣粉比水泥细，SiO₂含量较高，可以填充水泥中的空隙，提高混凝土的流动性和强度。当矿渣粉的比表面积达到400m²/kg时，其活性得到充分发挥，能改善混凝土的力学性能和耐久性能。矿渣粉宜选用 S95以上的粒化高炉矿渣粉，掺量控制在15%～35%。

1.4.3硅灰：硅类活性较高，在配制高强度混凝土时有极大的强度贡献，常用在C80及以上等级的混凝土。硅灰sio₂含量需达90%以上，细度约为20～25m²/g，掺量宜5%～10%。

1.5 水：宜采用饮用水。C50～C60 混凝土，单位用水量宜控制在135～155kg/m³；C75混凝土，单位用水量宜控制在130kg/m³左右，对C75以上混凝土，强度每增加15MPa，用水量可减少10kg/m³。

1.6外加剂：配制高强度混凝土宜采用聚羧酸类高性能减水剂，能有效改善混凝土的和易性、降低用水量和水泥用量，减水率能达到25%以上。用量为胶凝材料的0.8％至2％。

2、高强度混凝土配合比的设计方法

2.1常规计算方法

依据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，当设计强度等级小于C60时，配制强度应按下式计算：
fcu，0≥fcu，k+1.645σ
其中：σ—混凝土强度标准差（MPa）
fcu，0—混凝土配制强度（MPa）
当设计强度等级不小于C60时，配制强度应按下式计算：

fcu，0≥1.15fcu，k

2.2设计方法的优化

研究表明：水胶比、砂率和掺合料用量对混凝土工作性能和强度影响最大。（1）对工作性能影响方面：掺合料用量和砂率的影响显著，其中掺合料用量最显著，砂率次之；（2）对强度的影响方面：水胶比和掺合料用量的影响显著，其中水胶比最显著，掺合料用量次之，砂率影响不显著。

2.2.1.低水胶比原则

为确保高强度混凝土的耐久性要求，必须要使混凝土具有较强的抗渗透性，适宜的水胶比宜控制在0.2～0.4之间。在确保混凝土密实度的基础上再对选取的水胶比进行适当调整。

2.2.2最优砂率原则

混凝土的砂石比通常用砂率来表示，砂率主要影响混凝土的工作性能。高强度混凝土由于采用低用水量，因此砂浆量需通过提高砂率来补充，一般宜控制在35～40%之间。

2.2.3最优浆集比原则

混凝土浆集比为水泥浆与集料的比例，高强度混凝土要求具有较高的流动性，因此要有较大的胶凝材料总量。但混凝土会随着胶凝材料用量的增加，弹性模量降低，收缩增加。因此,在配合比设计中必须寻找最优的浆集比。试验研究表明，固体浆集体积比宜取 35:65，粗骨料的体积含量宜控制在0.4m³，可以很好地解决混凝土强度、工作性和体积稳定性之间的矛盾。

3、设计方法试验对比

3 .1以配制C60混凝土为例，配制强度为69.0MPa，混凝土强度标准差取6MPa，强度保证率取95%，胶凝材料总量为500～550kg，混凝土容重设定为2360kg/m³。设计用Ⅰ级粉煤灰取代水泥率为7%，矿粉取代水泥率为13%，外加剂掺量2.5%，水灰比上下调整0.01。依据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，分别用常规方法和优化方法计算配合比，得出常规方法（1组）和优化方法（2组）两个配合比如下表1：

3.2常规方法（1组）和优化方法（2组）的物理性能试验对比如下表2:

3.3试配分析

根据试配结果，两组试验坍落度损失、扩展度、和易性都能满足施工要求，抗压强度结果也符合设计要求。（1）用常规方法计算的配合比水胶比较小，水泥用量较大，水化热大，坍落度损失偏大，容易增加裂缝风险；（2）用常规方法计算的砂率偏小，坍落度偏小，扩展度偏大，骨料的包裹性下降。但要注意的是，砂率增大到一定值后，28d抗压强度会逐渐降低；（3）用常规方法计算的集料用量偏少，弹性模量降低，易收缩变形和裂缝。但增加集料总量会减少水泥用量，使黏聚性下降而影响强度。

4、结论

4.1只有严格选择符合质量要求的优质原材料，遵守配合比设计优化的三个原则，才能配制出C60及以上合格的高强度混凝土。

4.2通过适当提高集料比例、选择合适的砂率、使用复配高活性粉煤灰和矿渣粉掺合料、掺加高效减水剂等工艺，能节省水泥用量，改善混凝土工作性能，降低生产成本。

参考文献

[1]JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》

[2]高强度水泥混凝土配合比设计理论在结构工程中的应用研究[J]，罗兵，交通世界（建养机械）， 2013第006期

[3]高强混凝土配合比设计优化与质量控制措施[J]，王玉喜，施工技术，2014（S1）：186-190

[4]高强高性能混凝土配合比优化设计[J]，商效瑀，郑山锁，赵鹏，中国科技论文，2013（5）：413-416

[5]高强高性能混凝土配合比优化设计分析[J]，章喜斌，江西建材 ，2015,第020期