高性能混凝土配合比的设计及优化

　　摘要：随着现代桥梁不断向海洋化、大跨度、高耐久方向发展，桥梁工程中的混凝土对下列各项性能指标提出了更高的要求：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性和不易开裂性。鉴于目前我国海工钢筋混凝土建筑物的使用寿命普遍偏短的状况，结合我局青岛海湾大桥施工实际，我们开展了海工高性能混凝土的试验研究，以提出桥梁工程用海工高性能混凝土配合比及其应用技术，有效地控制混凝土质量,延长海工混凝土建筑物的使用寿命。

　　关键词：混凝土，配合比，设计，优化

　　1前言

　　高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，在混凝土中掺入一定量的矿物掺合料和高性能复合外加剂，取用较低的水胶比和较少的水泥用量，在施工时采取严格的质量控制措施，制备满足力学性能、耐久性能、工作性能以及经济合理性的混凝土。高性能混凝土与普通混凝土相比，主要区别为：高性能混凝土以耐久性指标为主要控制指标、采用较低的水胶比、较低的用水量及水泥用量、同时掺加复合外加剂及矿物掺合料等。

　　高性能混凝土十分敏感，当环境温度、原材料质量、配合比、计量发生变化时，其工作性能易发生突变，造成混凝土离析、泌水、和易性差，影响施工并造成混凝土外观差、耐久性差。因此，原材料质量、配合比选定、混凝土的搅拌、浇注等与高性能混凝土质量密切相关，这些环节必须加以严格控制，才有保证混凝土质量。

　　2如何选择各种原材料

　　选择原材料的原则：任何原材料对具体工程都有利有弊，检验合格的原材料不一定能满足混凝土的需要。选取适合自己的才是最好的，要充分发挥适合混凝土设计的的各种材料的特性，为我所用。

　　2.1水泥是混凝土中最为重要的胶凝材料。

　　水泥宜选用低水化热和低碱含量的水泥，尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥。水泥一般采用大型水泥厂生产的水泥，质量比较稳定，但应注意当砂石碱活性较大时，应采用低碱水泥。采用低碱水泥一是可以降低混凝土含碱量，减少与碱活性骨料发生反应的程度，二是可以减少混凝土开裂的倾向。

　　2.2掺合料的使用

　　不同的掺合料具有不同的特性和作用。

　　表1粉煤灰和矿渣粉的优缺点

　　矿渣粉和粉煤灰的掺入，减少了水泥用量，延长了混凝土水化热反应的时间，推迟了温度峰值的产生且降低了温度峰值。

　　2.3外加剂的选择

　　外加剂是配制高性能混凝土最重要的材料，配制高性能混凝土的关键是要以较低的用水量且要使混凝土达到较大的坍落度、较高的强度以及并具有较小的坍落度损失，这些只有掺加高性能减水剂才能实现，关键是看它能不能与其它各种材料（主要是水泥）相兼容，合适自己的才是最好的。

　　2.4骨料的选择

　　选择骨料第一位的不是强度,要注意骨料的级配和粒形，级配和粒形良好的骨料可以配制出低用水量,高工作性和耐久的混凝土。级配和粒形骨料强度对普通混凝土的影响不太大，因为骨料的强度比混凝土中基本和界面过渡区的强度要高出数倍。换句话说，由于破坏是由其它量项决定，绝大多数天然骨料的强度几乎得不到利用。然而，除强度外，骨料的其它特性，如粒径、形状、表面结构、级配（粒径分布）和矿物成分，都在不同程度上影响着混凝土强度。

　　3高性能混凝土配合比设计与优化

　　3.1高性能混凝土配合比设计原则

　　尽量使用较低的水胶比。限制胶凝材料总量，掺加足够量的矿物掺合料，尽量减少水泥用量。使用高效减水剂，尽可能减少用水量。适当引气。选用优质的原材料，控制原材料当中的有害物质含量。控制混凝土中的碱含量。

　　3.2高性能混凝土配合比设计各主要参数的确定及配合比设计流程

　　3.2.1混凝土强度等级的确定。

　　混凝土强度等级根据设计图纸确定，且应符合规范中的关于不同环境条件下混凝土结构最低强度等级之规定。

　　3.2.2石子最大粒径的确定。

　　碎石最大公称粒径不宜超过混凝土保护层厚度的2/3且不得超过钢筋最小间距的3/4。配合比设计前应仔细了解设计图纸中规定的钢筋最小间距和最小混凝土保护层厚度，以确定配合比所采用的碎石最大公称粒径。

　　3.2.3设计坍落度的确定。

　　混凝土的坍落度宜根据施工工艺、浇注方法、钢筋最小间距确定。线高性能混凝土采用泵送施工较多，要求流动性好且不易离析、不泌水，考虑到施工现场混凝土坍落度损失及炎热天气的施工，坍落度设计时不宜太小，泵送混凝土一般设计坍落度为160～200mm，非泵送混凝土坍落度可以选择120～160mm，水下混凝土坍落度为180～220mm。

　　3.2.4试配强度的确定。

　　试配强度按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）计算；水下混凝土配合比设计时，试配强度应乘以一个1.1~1.15的保证系数。

　　3.2.5水胶比的确定。

　　按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）计算并得出水胶比以后，还需要符合高性能混凝土规范规定的最大水胶比和最小胶凝材料用量的规定进行校核，并重新选择水胶比。

　　3.2.6用水量的选择及胶凝材料用量的确定。

　　用水量应根据外加剂的减水率及掺量、设计坍落度、石子最大粒径来确定。用水量还与原材料质量有关，如洁净的砂石料、用水量小的粉煤灰，都会使单方混凝土用水量减少。根据用水量及水胶比，可计算出每方胶凝材料用量。

　　3.2.7外加剂掺量的确定。

　　外加剂掺量与外加剂减水率、设计坍落度以及实际使用材料的需水量有关，参考厂家推荐掺量，并通过混凝土试拌效果确定，聚羧酸盐系高性能复合减水剂的掺量一般为胶凝材料总量的0.8~1.2%（C30~C50混凝土）。

　　3.2.8矿物掺合料掺量的确定。

　　一般情况下，矿物掺合料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%。预应力混凝土以及处于冻融环境中的混凝土的粉煤灰的掺量不宜大于30%。设计时，尽可能减少混凝土胶凝材料中的水泥用量，一是可以减少水泥水化热引起的混凝土开裂倾向，保证混凝土的耐久性，二是减少水泥用量，增加矿物掺合料用量，有利于增强混凝土的和易性，利于施工，三是可以降低成本。

　　3.2.9混凝土表观密度的假定。

　　混凝土表观密度一般在2350~2450kg/m3之间选定。应注意的是，由于混凝土表观密度选定过小，容易造成施工现场混凝土用量超方现象，室内混凝土配合比设计时，测定混凝土表观密度应在测完混凝土30分钟坍落度损失后再进行，这样测出来的混凝土表观密度与施工现场情况比较接近。

　　3.2.10砂率的选择。

　　砂率根据石子最大粒径、水胶比以及施工工艺（浇注方法）确定。泵送混凝土及水下混凝土砂率宜比普通混凝土砂率提高3~4%。高性能混凝土（泵送或水下混凝土）的砂率一般在36~43%之间。

　　3.3混凝土配合比优化

　　尽量使用较低的水胶比。限制胶凝材料总量，掺加足够量的矿物掺合料，尽量减少水泥用量。使用高效减水剂，尽可能减少用水量。适当引气。选用优质的原材料，控制原材料当中的有害物质含量。控制混凝土中的碱含量。在保证质量的前提下，应注重经济效益。

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　　4青岛海湾大桥墩身、箱梁配合比优化前后对比

　　配合比的优化是以降低胶凝材料用量为原则，增加骨料比例，改善混凝土的抗氯离子渗透能力。

　　表二墩身混凝土配合比

　　5．成本控制

　　5.1物资部提供各种材料价格表：

　　表四08年11月份材料价格

　　5.2墩身混凝土配合比优化前后单价对比

　　表五墩身优化前后单价对比表

　　5.3箱梁混凝土配合比优化前后单价对比

　　表六箱梁优化前后单价对比表

　　青岛海湾大桥第八合同段共有墩身96个，合计混凝土方量12578m3；箱梁98片，合计混凝土方量65488m3。混凝土配合比优化前后节约成本（341.81-322.96）×12578+(377.16-358.5)×65488=1459101.38元,即节约145.91万元。

　　6结语

　　在环境十分复杂的海工特大桥混凝土施工中，混凝土生产的控制是一个系统工程，只有严格的控制和科学的管理才能够使混凝土强度得到有力的保证。性能优良的高性能混凝土可以保证混凝土的力学性能、耐久性、工作性以及经济性。但高性能混凝土很“娇贵”，对环境变化、材料变化、计量偏差、搅拌时间等十分敏感，因此，混凝土原材料、配合比设计、混凝土拌合、混凝土浇注等各个环节的质量控制十分关键，我们应当引起高度重视，采取措施，保证混凝土施工质量。

　　参考文献：

　　（1）中国工程土木水利与建筑学部，工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组，混凝土结构耐久性设计与施工指南（CCES01-2004）【M】.北京：中国建筑工业出版社，2004.5.

　　（2）黄士元，蒋家奋，杨南如等，近代混凝土技术【M】，陕西：陕西科学技术出版社，1998.

　　（3）青岛海湾大桥海工高性能混凝土设计与施工技术规范（正式版）2008年6月.

　　（4）张应立，杨柏科，申爱琴等，现代混凝土配合比设计手册，北京，人民交通出版社，2002.5.