高性能混凝土配合比设计及应用

高性能混凝土配合比设计及应用

陈小冰

云浮市建设工程质量检测站广东云浮527300

摘要：高性能混凝土是一种复合材料，其配合比设计关系到高性能混凝土优良性能的获得，因此，研究高性能混凝土配合比设计具有重要的现实意义。本文对高性能混凝土的配合比设计进行了详细的介绍，并结合应用实例对高性能混凝土配合比设计进行了分析，旨在为有关需要提供帮助。

关键词：高性能混凝土；配合比；设计

0引言

随着我国建筑行业的快速发展，混凝土以其耐久性强等优点在建筑工程中的应用也越来越广泛。然而随着建筑工程施工环境的日益复杂，传统的混凝土性能已无法满足工程施工的要求，高性能混凝土作为一种新型优质的建筑材料，以其耐久性强、强度高、形变小能优点在现代工程施工中的应用越来越广泛，并取代了传统混凝土的地位。如何对高性能混凝土配合比进行优化设计是当前的一个重要课题。

1氯离子扩散系数模型

1.1水胶比影响

混凝土的氯离子扩散系数受到水胶比的影响，即当水胶比增大时，氯离子扩散系数会增大。通过对不同水胶比下无掺合料混凝土、单掺20%粉煤灰混凝土以及单掺40%矿粉混凝土的RCM试验结果进行分析，得到不同掺合料种类混凝土的氯离子扩散系数与水胶比的变化规律。如图1所示。对图1分析可得，不同种类掺合料混凝土的氯离子扩散系数随着水胶比增大而增大，并且有一定的线性相关性，因此假设氯离子扩散系数D与水胶比的关系为

D＝α1RW/B－β1，（1）

图1不同种类掺合料混凝土的氯离子扩散系数D随水胶比RW/B的变化规律

式中：α1、β1为回归分析系数，RW/B为水胶比。拟合结果见表1。

表1拟合系数数值

1.2矿物掺合料的影响

1.2.1粉煤灰的影响

当混凝土中掺入一定掺量的粉煤灰时，其会与水泥浆体发生二次水化作用，消耗Ca（OH）2，从而增加混凝土的密实度，降低混凝土中的孔隙率，提高混凝土的抗渗性能。不同水胶比下氯离子扩散系数D随粉煤灰掺量RFA的变化规律如图2所示。对图2中不同水胶比下粉煤灰混凝土的RCM实验数据进行分析可得：氯离子扩散系数随粉煤灰掺量RFA增加而减小，且两者变化有较好的线性相关性，即

D＝α2RFA－β2，（2）

式中α2、β2拟合值见表2。

表2拟合系数数值

图2不同水胶比下氯离子扩散系数D随粉煤灰掺量RFA的变化规律

1.2.2矿粉的影响

不同水胶比下氯离子扩散系数D随矿粉掺量RSG的变化规律如图3所示。对图3中不同水胶比下矿粉混凝土的RCM实验数据进行分析可知，氯离子扩散系数随矿粉掺量RSG增加而减小，且两者变化有较好的线性相关性，即

D＝α3RSG－β3，（3）

图3不同水胶比下氯离子扩散系数D随矿粉掺量RSG的变化规律

式中α3、β3拟合值见表3。

表3拟合系数数值

1.3多因素影响下的氯离子扩散系数模型

因为水胶比、粉煤灰掺量、矿粉掺量对氯离子扩散系数有线性相关性，所以三因素影响下的氯离子扩散系数模型为

D＝（αRW/B－β）（γRF/A＋λRSG＋ν），（4）

式中α、β、γ、λ、η、ν为相关系数。展开式（4），可以转化为

D＝b1RW/B＋b2RFA＋b3RSG＋b4RW/BRFA＋b5RW/BRSG＋b0。（5）

为了求出未知参数Bi（i＝0，5），得到多因素下混凝土的氯离子扩散系数模型，采用式（5）并对文献中的试验结果进行多元非线性拟合，得到氯离子扩散系数模型，即

D＝－14.1525＋55.9548RW/B＋0.6310RFA＋0.3973RSG－1.7627RW/BRFA－1.2318RW/BRSG。（6）

对该模型进行检验，拟合优度R2＝0.752，拟合效果较好，理论值大体上符合实验值。

2高性能混凝土配合比设计

2.1粉煤灰和矿粉影响参数

抗氯盐侵蚀的高性能混凝土的制备一般要求低水胶比，并且适当掺入矿物掺合料。JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》虽然给出了粉煤灰和矿粉影响参数计算方法，然而从中仅能得到有限参量的影响参数，而这显然是不完善的。因此，建立了多掺量下粉煤灰、矿粉影响系数与掺量的关系模型，即

γf＝1－0.01RFA，（7）

γS＝－1.205×10－4R2SG＋1.455×10－3RSG＋0.999，（8）

式中：γf为粉煤灰影响参数，γS为矿粉影响参数。对该模型进行拟合优度R2检验，其结果见表4。从中可以看出拟合效果较好，模型合理。

表4拟合优度R2检验

2.2水胶比、粉煤灰和矿粉掺量的确定

JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中的保罗米公式给出了强度和水胶比的满足条件，即

（9）

Fb＝γfγsγcFce，g，（10）

式中：αa、αb为回归系数，Fb为胶凝材料抗压强度，Fce为水泥28D抗压强度实测值，γc为水泥强度等级的富余参数，Fce，G为水泥强度等级值，Fcu，0为混凝土的配制强度。具体计算时需要分情况：如果混凝土要求强度等级小于C60，则

FCu，0≥FCu，k＋1.645σ，（11）

如果混凝土要求强度等级≥C60，则

FCu，0≥1.15FCu，k，（12）

式中：FCu，0

为混凝土配制强度，FCu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，σ为混凝土强度标准差。

把上述中粉煤灰、矿粉影响系数计算模型代入式（10），容易得到

（13）

另外，Life－365提出了有关龄期衰减系数M的计算公式，即

.（14）

根据式（5）、（9）、（13）、（14）可以得到一个关于水胶比、粉煤灰和矿粉掺量的三元方程组

（15）

然后把工程中所要求的混凝土强度等级值代入这个方程组，同时根据龄期衰减系数限值M临界值和氯离子扩散系数的范围值，可求解粉煤灰掺量、矿粉掺量和水胶比。

2.3配合比设计步骤

（1）基于安全性和经济、环境等方面确定混凝土需要的原材料（水泥类别、粗骨科类别与粒径限值、外加剂等），并且根据具体的氯盐环境下混凝土力学、耐久性规范要求，确立混凝土的龄期衰减系数、强度等级和氯离子扩散系数范围值。

（2）利用式（11）和（12）求出混凝土配制的强度。

（3）根据扩散系数标准值Dk和式（16）确定扩散系数的配制值

D0＝Dk－zα/2σD，（16）

式中zα/2是上分位点，常取1.645。

（4）根据前三步中各设计参数和配制的扩散系数、强度值，联立关于粉煤灰、矿粉掺量、水胶比三元方程组，解出水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量。

（5）检验水胶比和矿物掺合量是否符合JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》规定的限值，若符合，进行下一步；若不符合，则需要提高混凝土强度等级5MPa或者10MPa，返回第3步。

（6）根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》选出混凝土的单位立方米的水的用量和砂率；基于重量法或者体积法，用已知和已求得的各个用量数据，计算出单位混凝土中水、水泥、粗骨料、细骨料、矿物掺合料的用量。

3应用实例

设计要求：坍落度180MM，强度等级C40，计划使用年限50a。假设该临海环境下混凝土中氯离子扩散系数限值为42.6×10－12m2/S，以龄期衰减系数不小于0。44的混凝土配合比设计为例，通过前面提出的混凝土配合比设计方法，给出满足要求的混凝土配合比。步骤如下：

（1）确定原材料。由于设计强度等级是C40，故选用强度等级为42.5MPa的普通硅酸盐水泥，选取粗骨料碎石（粒径为5～31.5），选用减水剂的减水率为30%的矿粉和粉灰煤复合掺合料。

（2）确定混凝土配制强度值，按式（10）算得FCu，0＝48.23MPa。

（3）基于式（14），限值σD＝4.26×10－13m2/S，一般取变异系数δD＝0.2，由Dk＝SD/DD，算出Dk＝4.26×10－12m2/S，故配制时氯离子扩散系数D0＝2.86×10－13m2/S。

（4）联立式（13），求得的矿粉掺量、粉灰煤掺量、水胶比满足式（17），即

（17）

利用Matlab解得：RW/B＝0.43，RFA＝4，RW/B＝36。

（5）根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，RW/B＝0.43＞0.4，粉灰煤、矿粉及复掺的最大掺量分别为30%、45%和45%。算例中的各个掺量都不小于0，且总掺合量在规定值范围内，水胶比符合规范。

（6）参考JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，可以求得单方用水量是155kg，砂率为33%～39%，在混凝土试配时发现砂率37%时的混凝土质量较好。对以上步骤进行数据整理，并且测出各物质密度等值，求得单位立方米各原料用量。具体见表5。

表5混凝土配合比表

4结语

综上所述，高性能混凝土的配合比设计直接关系到高性能混凝土的质量，并对建筑工程的整体施工质量具有重要的影响。因此，研究人员要深入研究高性能混凝土配合比设计，并结合高性能混凝土的不同使用要求，合理运用数学手段，确定高性能混凝土的水胶比、粉煤灰和矿粉掺量等重要参数，从而确保高性能混凝土配合比设计的合理性，促进高性能混凝土在建筑工程中的推广应用。

参考文献：

[1]陈允久.高性能混凝土在吉河寺沟口大桥中的配合比设计与应用[J].交通世界（工程技术）.2015（09）

[2]景淑媛，杜文举，杨元意.T梁C55高性能混凝土配合比设计研究[J].四川理工学院学报（自然科学版）.2015（01）