高强混凝土配合比优化设计

摘要:高强高性能混凝土作为一种新型的优质建筑材料，因其具有强度高、耐久、变形小等优点，随着国民经济基础建设的飞速发展，其已被广泛应用于现代工程结构中，混凝土配合比是以通过计算、实验试配和调整，最后确定基本变量值的一个系统过程。本文针对高强度混凝土配合比的设计要素和具体设计步骤进行分析，以期通过本文的阐述规范高强度混凝土设计标准，促进工程质量。

关键词:高强混凝土；配合比；优化设计

中图分类号：TU528文献标识码： A

引言

随着科学技术的进步和科学生产的发展，很多建筑物需要在严酷环境下建造，如海底隧道、跨海大桥、海上采油平台以及核反应堆等，这些建筑物的材料不仅要求高强度，还要求具有良好的耐久性，同时，这些建筑所处的环境大大增加了施工的难度，提高混凝土材料的和易性也成为我们研究的必然。在这一背景下，高性能混凝土应运而生。

2、高强高性能混凝土的基本组成

水泥

水泥是构成胶凝材料的主要成分，也是混凝土最重要的原材料之一。水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙，水泥浆体在硬化前起作用，使新拌混凝土具有良好的工作性能，硬化后把骨料胶结在一起，形成坚硬的整体。

高性能水泥应满足高强高性能混凝土的强度要求和工作性的要求，主要表现为高流动性、保水性、保塑性和抗离析性，必须具有高抗渗性、抗碱集料反应性、体积稳定性和抗蚀性，确保能够用最少的水泥配制出性能最好的混凝土。

掺合料

高强混凝土的水泥用量大，有很高的水化温升，宜采用掺加硅灰或者优质矿粉、粉煤灰等矿物掺合料以减小水泥用量，在降低水化热的同时，并不降低混凝土强度，甚至提升混凝土后期强度。矿物掺合料的总掺量宜为25%-40%。对粉煤灰的品质要求不低于II级，需要有较小的细度、质量均匀、高火山灰活性，并且与工程所用材料相适应，常用I级电厂灰。粒化高炉矿渣宜为S95以上的优质矿粉，掺量多为15%-35%。硅灰作为高活性材，在配置高强混凝土时有极大的强度贡献，常用在C80及其以上强度等级的混凝土。对掺加的硅灰需含有90%以上的sio2，细度约为20m2/g～25m2/g，常见掺量为5%-10%。

集料

混凝土的集料分为两种：一种是粗集料，一种是细集料。细集料粒径主要分布在0.15～5mm范围内；粗集料的粒径主要分布在5～150mm范围内。集料对混凝土性能的影响非常大，所以如何选择的集料品种及级配，是高强高性能混凝土配制的关键。

对于高强混凝土而言，集料强度将直接影响混凝土的强度，试验证明：采用玄武岩作为粗集料配制混凝土，其抗压强度是最高的。由此看来，在配制高强混凝土时，采用高强度并且低压碎值的粗集料会比采用低强度且高压碎值的粗集料更容易达到强度要求。为了保证高强高性能混凝土的各种性能要求，必须对材料组分的粒型、尺寸、级配、孔结构、集料中有害物质含量、集料界面区结构以及各种集料的相互作用、物理力学等严格要求。

（4）外加剂

优选萘系减水剂Na2SO4含量小于5％，高浓度的FND，掺量控制在胶凝材料总量的1％～2％，于水泥应有良好的相溶性，各项技术指标均符合现行国家标准的规定。

3、高强混凝土配合比优化设计

与普通混凝土相比较，高强高性能混凝土在强度、耐久性、和易性方面的要求较高，相应的原材料种类以及性能增多，其配合比设计相对比较复杂。传统的配合比设计方法已经不再适用，所以目前必须探索适用于高强高性能混凝土配合比设计的优化方法。

3.1、高强高性能混凝土的主要性能及其影响因素

工作性

工作性是新拌混凝土的重要性能，是指新拌混凝土在一定的施工条件下，便于搅拌、运输及浇筑等施工操作，同时能获得质量均匀、密实的混凝土的性能。工作性在搅拌时体现为各种组成材料易于均匀混合；在运输过程中体现为新拌拌合物不离析、稀稠程度不发生变化；在浇筑过程中体现为易于浇捣和振实，能够流满模板；在硬化过程中体现为能够保证水泥充分水化以及水泥石与骨料粘结性能。由此可见，混凝土的工作性是一项综合性能，它包括流动性、黏聚性和保水性三方面性能要求。

测试新拌混凝土工作性的方法很多，但常用的有以下三种：

尽管测试工作性有好几种方法，但坍落度试验因为简单易行而应用最为广泛。

力学性能

混凝土的抗压强度是指其标准试件在压力作用下直到破坏的单位面积所能承受的最大应力。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比、水化程度、密实度这三个要素，通过降低水灰比、提高水化程度和密实度，便可提高混凝土的抗压强度。参数和水化程度可直接量化，而参数密实度即为混凝土的表观密度与相同混凝土完全振捣密实后的表观密度之比。密实度c是通过含气量来影响强度的，气孔会降低水泥浆基体的强度。通过提高工作性，能够使新拌混凝土更容易振捣密实。

耐久性

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。各种侵蚀破坏作用可参见表3-1，多数表现为化学侵蚀。

表3-1 混凝土的耐久性

为了避免以上侵蚀作用带来的破坏，通常可以采取降低水灰比和使用引气剂的措施，提高混凝土的抗渗性能和抗冻耐久性。

3.2、高性能混凝土配合比的设计步骤 （1）在原材料品质满足设计要求的前提下，选择高性能混凝土的平均或常用性能指标或具体的工程指标为基准，试配、调整，满足其他条件（例如要求耐久性为28d电通量低于1000库仑，配制强度为40～50MPa，坍落度为180mm～200mm的高性能混凝土）。

（2）测定、计算砂、石混合料的空隙率a，选择砂、石混合料的空隙率a的最小值。可以从砂率为38％或40％开始，将不同砂石比的砂、石混合，分3层装入15～20L的容积升内，用直径15mm的捣棒各插捣30次，或在振动台上震动到不再下落为止，刮平表面，称量、计算堆积密度，测定其表观密度（一般为2.65g/cm3），计算空隙率（最经济的空隙率为l6%，一般为2O～25）。

计算胶凝材料的用量。胶凝材料料浆量为砂、石空隙体积加上胶凝材料富裕量。胶凝材料富裕量的大小取决于混凝土工作性的要求和外加剂的性质、掺量，可按坍落度为180mm～200mm估计，一般为8％～12％（可由试验决定）。假设为l2％，空隙率假设为23％，则浆体体积为：12％+23％=35％，即：1m3，的混凝土中有浆体350L。

3.3、基于试验数据的混凝土多指标优化方法

高强高性能混凝土的迅速发展，使得单目标优化已不能满足要求，更多的是趋向以多目标联合控制进行配比优化。普通混凝土中的保罗米公式已不再适用，这时对于高强高性能混凝土来说，已没有明确的描述强度、工作性、耐久性等性能和配合比之间关系的公式。为了得到优化目标函数，以试验数据为基础，利用统计软件，建立一个拟合精度较高的预测方程。能够用于高强高性能混凝土配合比试验数据优化的方法有逐步回归、人工神经网络和主成分分析法三种。

结束语

高强混凝土的应用越来越广泛，大家对高强配合比的认知也越来越清晰，合理搭配各种胶凝材料的比例关系，混凝土强度可以显著提高，不仅降低了成本，而且对于环保也具有非常明显的现实意义，相信随着高强混凝土技术的发展，我们配制出的高强混凝土经济效益更加显著。

参考文献:

[1]陈斌.混凝土配合比优化及结构早期裂缝防治研究[D].浙江大学，2005.

[2]徐军，戴春阳，张磊. 高强混凝土配合比优化设计[J].山西建筑，2007，27:174-175.

[3]刘静.复合型掺合料高性能混凝土配合比优化设计[D].南京林业大学，2011.