以“漿集比”為控制指標(biāo)的高性能混凝土配合比設(shè)計試驗分析

摘要：文章通過試驗驗證了對于高性能混凝土配合比設(shè)計方法使用“規(guī)程”法計算存在的問題，論證了僅靠水膠比一強度理論進(jìn)行設(shè)計的不足，提出了以“漿集比”為控制指標(biāo)的高性能混凝土配合比的計算理論和方法;強調(diào)了對于高性能混凝土的配合比設(shè)計，必須同時確定水膠比和漿集比后，再計算其它的參數(shù)及材料的用量。同時得出C40高性能混凝土配合比設(shè)計僅采用單一膠凝材料水泥時的最佳漿集比范圍為0. 308～0. 326;膠凝材料采用水泥、礦粉和粉煤灰時，最佳漿集比范圍為0. 330～0. 348。引入“漿集比”作為控制指標(biāo)后，高性能混凝土的配合比設(shè)計過程可以減少很多反復(fù)的修正，提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：C40高性能混凝土;配合比設(shè)計方法;漿集比;控制指標(biāo);最佳范圍

中圖分類號：U416. 02文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019.1 2.002

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0005 - 03

0 引言

高性能混凝土是一種高技術(shù)混凝土，采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)，具有混凝土結(jié)構(gòu)所要求的各項力學(xué)性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性[1]。

對于高性能混凝土的配合比設(shè)計目前主要以《普通水泥混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ s5- 2011）（以下簡稱“規(guī)程”）為基礎(chǔ)，通過遵循選擇優(yōu)質(zhì)的常規(guī)材料、低水膠比、摻加礦物摻合料和外加劑、最優(yōu)砂率的原則來反復(fù)計算、試配和調(diào)整。本文以C40高性能混凝土配合比設(shè)計為例，提出以“漿集比”作為高性能混凝土配合比的設(shè)計指標(biāo)的計算方法，并通過試驗驗證此方法的準(zhǔn)確性，可以簡化高性能混凝土配合比設(shè)計中的反復(fù)調(diào)整工作，并提出了C40高性能混凝土的漿集比范圍。

1 試驗材料

（1）水泥：華潤普通硅酸鹽水泥P.042.5，其凝結(jié)時間、安定性、強度試驗結(jié)果見表1。

（2）粉煤灰：廣西南寧電廠Ⅱ級粉煤灰，常規(guī)試驗結(jié)果見表2。

（3）粗集料：百色市田東縣石場5～26.5 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2. 828 g/cm3。

（4）細(xì)集料：合浦縣洋江上島灣砂場，天然河砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2. 84，表觀密度為2.626 g/cm。

（5）外加劑：南寧市某建材公司W(wǎng)YF聚羧酸高性能減水劑。

2 配合比設(shè)計規(guī)程中高性能混凝土配合比設(shè)計方法

按照《普通水泥混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55 - 2011），配制C40高性能混凝土?xí)r，其計算方法和步驟如下：

（1）按照公式計算配制強度：

式（1）適用于C60以下的混凝土，在低等級混凝土配制時，實際施工單位的水準(zhǔn)參差不齊，標(biāo)準(zhǔn)差會取值較大，而對于高性能混凝土，根據(jù)施工單位管理規(guī)程，標(biāo)準(zhǔn)差可取稍小值。本文采用標(biāo)準(zhǔn)差4.O，根據(jù)式（1），計算配制強度為46.6 MPa。

（2）根據(jù)配制強度計算水膠比：

根據(jù)式（2），計算水膠比為0.46。

（3）確定單位用水量

按查表法確定單位用水量，90 mm坍落度的用水量為210 kg，超過90 rrrn以上時，按照坍落度每增加20 rrrn用水量增加5 kg的經(jīng)驗值，確定基準(zhǔn)用水量為235 kg。使用減水劑后，需根據(jù)減水劑的減水率相應(yīng)地減少用水量。

（4）確定膠凝材料的用量

水膠比的定義是用水量和膠凝材料的比值。在已知用水量后，可反算膠凝材料的用量。

（5）砂率數(shù)值

依據(jù)水膠比、坍落度等查表確定砂率，當(dāng)坍落度較大時，結(jié)合經(jīng)驗確定，本試驗砂率取42%。

（6）計算粗、細(xì)集料的用量

本文用質(zhì)量法計算粗細(xì)集料的用量，根據(jù)混凝土的強度假定其表觀密度值。本文混凝土的強度等級是C40，表觀密度值取2 378 kg/m3。

高性能混凝土在不同的工程中，根據(jù)所在項目的使用要求，特別是外加劑的供貨廠家，會使用不同減水效果的外加劑，用水量會隨著外加劑的不同而使計算結(jié)果不同。本文在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，改變外加劑，配制5組按照規(guī)程的方法算出的相同水膠比混凝土的28 d強度。如表3所示。

從表3中可以看出，5組配合比采用的是相同的水膠比0. 46，由于使用的減水劑不同，減水效果也不同，根據(jù)計算步驟和方法，其用水量也不同，導(dǎo)致水泥用量不同。試驗結(jié)果顯示，28 d抗壓強度差別也很大。

從表3還可以看出，5組配比的水膠比均為0. 46，但28 d實測強度差別很大，第1、2、3組的混凝土28 d強度均達(dá)到配制強度要求，而第4、5組的混凝土28 d強度達(dá)不到配制強度要求。在使用外加劑后，減水率越大的配合比，由于用水量的減少，膠凝材料的用量也會減少，同時強度變低。這說明對于高性能混凝土，當(dāng)使用外加劑時，其強度很難控制，強度不只取決于水膠比。

水泥膠漿的稠度是由水膠比決定的，按照混凝土水膠比一強度理論[2]，水泥膠漿的稠度決定了混凝土的強度，水泥膠漿體稠度越大，則水膠比越小，在其他條件相同的情況下，混凝土的強度越高。水膠比一強度理論的前提是其他條件相同，即砂石材料的各自用量是確定的情況下。但是按“規(guī)程”的計算方法沒有提供“其他條件”相同的約束和步驟，試驗結(jié)果顯示的假象是這個理論不成立了，而實際上是忽略了這個理論的其他條件。

試驗結(jié)果表明：對于高性能混凝土，按照“規(guī)程”的計算方法去確定配合比設(shè)計是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?0%以上的幾率會出現(xiàn)試驗結(jié)果和理論不匹配的假象，還需要一個固定其他條件的約束。本文提出了增加“漿集比”參數(shù)對高性能混凝土的配合比進(jìn)行計算的試驗研究。

3 漿集比對高性能混凝土強度的影響

水泥混凝土的主要組成材料有四種，分別是膠凝材料、水、細(xì)集料、粗集料。其中粗集料和細(xì)集料構(gòu)成混凝土的骨架，而水泥和水形成的水泥膠漿體對骨架進(jìn)行填充和包裹，從而形成統(tǒng)一的整體。漿集比中的漿是水泥和水形成的水泥膠漿;集是指粗細(xì)集料的數(shù)量。漿集比反映的是水泥膠漿和集料的相對用量。

在混凝土結(jié)構(gòu)中，當(dāng)水膠比一定時，水泥膠漿的稠度是固定的，固定稠度的水泥膠漿數(shù)量適中時，混凝土?xí)玫阶罴褟姸群湍途眯阅?，因為此時其密實度最好。水泥膠漿數(shù)量過少和過多都會引起混凝土性能的劣化：過少的水泥膠漿，不足以包裹集料，強度難以達(dá)到;過多的水泥膠漿，會造成混凝土的耐久性能變差[3]。所以，在混凝土的配合比設(shè)計中，特別是使用高效能外加劑的情況下，要同時考慮水膠比和漿集比。水膠比越小，混凝土的強度越高，而漿集比在水膠比固定的前提下，存在最佳范圍。

按本實驗，膠凝材料僅使用硅酸鹽水泥時，水膠比固定在0. 46，C40高性能混凝土的漿集比在0. 308～0. 326之間。膠凝材料使用水泥、礦粉和粉煤灰（64%：20%：16%）混合時，水膠比固定在0. 38，C40高性能混凝土的漿集比在0.330～0. 348之間。

4 引入“漿集比”參數(shù)后高性能混凝土配合比設(shè)計方法和試驗結(jié)果

4.1 配合比設(shè)計方法

本文在前面驗證并論述了對高性能混凝土的強度而言，水膠比和漿集比占據(jù)同等重要的位置。因此在配合比計算時，必須同時確定水膠比和漿集比后，再去確定其他的參數(shù)及用量。按此設(shè)計方法，對高性能混凝土的配合比設(shè)計計算是很大的簡化，減少了錯誤的幾率，避免了大量的反復(fù)驗證工作。引入漿集比控制指標(biāo)后，計算步驟如下：

（1）確定混凝土的配制強度;

（2）計算水膠比;

（3）按照漿集比的范圍，選定漿集比值，計算水泥膠漿數(shù)量;

（4）按照水膠比，計算膠凝材料和水用量;

（5）確定砂率，計算砂石用量;

（6）對照基準(zhǔn)用水量和計算用水量，選擇與減水率相符合的減水劑。

4.2 試驗結(jié)果

由于高性能混凝土通常采用粉煤灰等其他摻合料，本實驗配合比設(shè)置了僅適用水泥作為膠凝材料的A組3個配合比和膠凝材料使用水泥和粉煤灰及礦粉的B組3個配合比。配合比A組水膠比是0. 46，配合比B組水膠比是0. 38，漿集比均在最佳范圍內(nèi)取值。試驗結(jié)果如表4所示。

從表4可知，對于A、B兩組配合比，水膠比分別固定在0. 46和0.38時，盡管漿集比略有差別，但水泥的用量相差并不大，28 d抗壓強度隨著漿集比的增加略有增大，這是因為水泥膠漿的數(shù)量增多可以增加混凝土的密實程度。從理論上來說，漿集比的數(shù)值給定范圍的上限，其強度也是符合的，但會造成強度的浪費。

A組配合比的水膠比是0. 46，大于B組配合比的水膠比0. 38，但最佳漿集比范圍隨著水膠比的減小而增大，平均漿集比從0. 317增大至0.339，增加了0. 022，相對于水膠比的變化，這個數(shù)值是比較小的。這說明漿集比是一個相對波動小、穩(wěn)定的指標(biāo)，更易控制。

需要注意的是，在以漿集比為計算指標(biāo)的配合比設(shè)計中，減水劑是最后考慮的，根據(jù)基準(zhǔn)用水量和計算用水量，選擇與減水率符合的外加劑。也就是說，對漿集比的具體數(shù)值的選用更多的是考慮可以提供的外加劑的效能，其次是經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

本文通過試驗驗證了對于高性能混凝土的配合比設(shè)計，使用“規(guī)程”法計算存在問題，論證了僅靠水膠比一強度理論進(jìn)行設(shè)計的不足，提出了以“漿集比”為控制指標(biāo)的高性能混凝土配合比的計算理論和方法;強調(diào)了在高性能混凝土的配合比設(shè)計時，必須同時確定水膠比和漿集比后，再計算其他的參數(shù)及材料的用量;同時給出了C40高性能混凝土配合比設(shè)計僅采用單一膠凝材料水泥時的最佳漿集比范圍在0. 308～0. 326之間;膠凝材料采用水泥、礦粉和粉煤灰時，最佳漿集比范圍在0. 330～0.348之間，后者更經(jīng)濟(jì)。在引入“漿集比”作為控制指標(biāo)后，高性能混凝土的配合比設(shè)計過程可以減少很多反復(fù)的修正，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]馮濤，自密實混凝土配合比設(shè)計方法研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017（29）：572.

[2]牛文囡.淺談高性能混凝土的優(yōu)點[J].黑龍江科技信息，2012（11）：242.

[3]李明輝，李婷婷，影響混凝土強度的因素分析[J].黑龍江交通科技，201 0，33（6）：8-9.

作者簡介：王晶（1983-），講師、工程師，研究方向：高性能混凝土性能試驗和設(shè)計、瀝青混合料路用性能。

基金項目：廣西壯族自治區(qū)教育廳201 6年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目“機(jī)制砂泵送混凝土配合比研究”（項目編號：KY2016YB667）