高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

　　摘要：隨著現(xiàn)代橋梁不斷向海洋化、大跨度、高耐久方向發(fā)展，橋梁工程中的混凝土對(duì)下列各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了更高的要求：耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和不易開裂性。鑒于目前我國海工鋼筋混凝土建筑物的使用壽命普遍偏短的狀況，結(jié)合我局青島海灣大橋施工實(shí)際，我們開展了海工高性能混凝土的試驗(yàn)研究，以提出橋梁工程用海工高性能混凝土配合比及其應(yīng)用技術(shù)，有效地控制混凝土質(zhì)量,延長海工混凝土建筑物的使用壽命。

　　關(guān)鍵詞：混凝土，配合比，設(shè)計(jì)，優(yōu)化

　　1前言

　　高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途的要求，在混凝土中摻入一定量的礦物摻合料和高性能復(fù)合外加劑，取用較低的水膠比和較少的水泥用量，在施工時(shí)采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，制備滿足力學(xué)性能、耐久性能、工作性能以及經(jīng)濟(jì)合理性的混凝土。高性能混凝土與普通混凝土相比，主要區(qū)別為：高性能混凝土以耐久性指標(biāo)為主要控制指標(biāo)、采用較低的水膠比、較低的用水量及水泥用量、同時(shí)摻加復(fù)合外加劑及礦物摻合料等。

　　高性能混凝土十分敏感，當(dāng)環(huán)境溫度、原材料質(zhì)量、配合比、計(jì)量發(fā)生變化時(shí)，其工作性能易發(fā)生突變，造成混凝土離析、泌水、和易性差，影響施工并造成混凝土外觀差、耐久性差。因此，原材料質(zhì)量、配合比選定、混凝土的攪拌、澆注等與高性能混凝土質(zhì)量密切相關(guān)，這些環(huán)節(jié)必須加以嚴(yán)格控制，才有保證混凝土質(zhì)量。

　　2如何選擇各種原材料

　　選擇原材料的原則：任何原材料對(duì)具體工程都有利有弊，檢驗(yàn)合格的原材料不一定能滿足混凝土的需要。選取適合自己的才是最好的，要充分發(fā)揮適合混凝土設(shè)計(jì)的的各種材料的特性，為我所用。

　　2.1水泥是混凝土中最為重要的膠凝材料。

　　水泥宜選用低水化熱和低堿含量的水泥，盡可能避免使用早強(qiáng)水泥和高C3A含量的水泥。水泥一般采用大型水泥廠生產(chǎn)的水泥，質(zhì)量比較穩(wěn)定，但應(yīng)注意當(dāng)砂石堿活性較大時(shí)，應(yīng)采用低堿水泥。采用低堿水泥一是可以降低混凝土含堿量，減少與堿活性骨料發(fā)生反應(yīng)的程度，二是可以減少混凝土開裂的傾向。

　　2.2摻合料的使用

　　不同的摻合料具有不同的特性和作用。

　　表1粉煤灰和礦渣粉的優(yōu)缺點(diǎn)

　　礦渣粉和粉煤灰的摻入，減少了水泥用量，延長了混凝土水化熱反應(yīng)的時(shí)間，推遲了溫度峰值的產(chǎn)生且降低了溫度峰值。

　　2.3外加劑的選擇

　　外加劑是配制高性能混凝土最重要的材料，配制高性能混凝土的關(guān)鍵是要以較低的用水量且要使混凝土達(dá)到較大的坍落度、較高的強(qiáng)度以及并具有較小的坍落度損失，這些只有摻加高性能減水劑才能實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是看它能不能與其它各種材料（主要是水泥）相兼容，合適自己的才是最好的。

　　2.4骨料的選擇

　　選擇骨料第一位的不是強(qiáng)度,要注意骨料的級(jí)配和粒形，級(jí)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。級(jí)配和粒形骨料強(qiáng)度對(duì)普通混凝土的影響不太大，因?yàn)楣橇系膹?qiáng)度比混凝土中基本和界面過渡區(qū)的強(qiáng)度要高出數(shù)倍。換句話說，由于破壞是由其它量項(xiàng)決定，絕大多數(shù)天然骨料的強(qiáng)度幾乎得不到利用。然而，除強(qiáng)度外，骨料的其它特性，如粒徑、形狀、表面結(jié)構(gòu)、級(jí)配（粒徑分布）和礦物成分，都在不同程度上影響著混凝土強(qiáng)度。

　　3高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　3.1高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

　　盡量使用較低的水膠比。限制膠凝材料總量，摻加足夠量的礦物摻合料，盡量減少水泥用量。使用高效減水劑，盡可能減少用水量。適當(dāng)引氣。選用優(yōu)質(zhì)的原材料，控制原材料當(dāng)中的有害物質(zhì)含量?？刂苹炷林械膲A含量。

　　3.2高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)各主要參數(shù)的確定及配合比設(shè)計(jì)流程

　　3.2.1混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定。

　　混凝土強(qiáng)度等級(jí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定，且應(yīng)符合規(guī)范中的關(guān)于不同環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)最低強(qiáng)度等級(jí)之規(guī)定。

　　3.2.2石子最大粒徑的確定。

　　碎石最大公稱粒徑不宜超過混凝土保護(hù)層厚度的2/3且不得超過鋼筋最小間距的3/4。配合比設(shè)計(jì)前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)計(jì)圖紙中規(guī)定的鋼筋最小間距和最小混凝土保護(hù)層厚度，以確定配合比所采用的碎石最大公稱粒徑。

　　3.2.3設(shè)計(jì)坍落度的確定。

　　混凝土的坍落度宜根據(jù)施工工藝、澆注方法、鋼筋最小間距確定。線高性能混凝土采用泵送施工較多，要求流動(dòng)性好且不易離析、不泌水，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度損失及炎熱天氣的施工，坍落度設(shè)計(jì)時(shí)不宜太小，泵送混凝土一般設(shè)計(jì)坍落度為160～200mm，非泵送混凝土坍落度可以選擇120～160mm，水下混凝土坍落度為180～220mm。

　　3.2.4試配強(qiáng)度的確定。

　　試配強(qiáng)度按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55）計(jì)算；水下混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，試配強(qiáng)度應(yīng)乘以一個(gè)1.1~1.15的保證系數(shù)。

　　3.2.5水膠比的確定。

　　按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55）計(jì)算并得出水膠比以后，還需要符合高性能混凝土規(guī)范規(guī)定的最大水膠比和最小膠凝材料用量的規(guī)定進(jìn)行校核，并重新選擇水膠比。

　　3.2.6用水量的選擇及膠凝材料用量的確定。

　　用水量應(yīng)根據(jù)外加劑的減水率及摻量、設(shè)計(jì)坍落度、石子最大粒徑來確定。用水量還與原材料質(zhì)量有關(guān)，如潔凈的砂石料、用水量小的粉煤灰，都會(huì)使單方混凝土用水量減少。根據(jù)用水量及水膠比，可計(jì)算出每方膠凝材料用量。

　　3.2.7外加劑摻量的確定。

　　外加劑摻量與外加劑減水率、設(shè)計(jì)坍落度以及實(shí)際使用材料的需水量有關(guān)，參考廠家推薦摻量，并通過混凝土試拌效果確定，聚羧酸鹽系高性能復(fù)合減水劑的摻量一般為膠凝材料總量的0.8~1.2%（C30~C50混凝土）。

　　3.2.8礦物摻合料摻量的確定。

　　一般情況下，礦物摻合料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%。預(yù)應(yīng)力混凝土以及處于凍融環(huán)境中的混凝土的粉煤灰的摻量不宜大于30%。設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能減少混凝土膠凝材料中的水泥用量，一是可以減少水泥水化熱引起的混凝土開裂傾向，保證混凝土的耐久性，二是減少水泥用量，增加礦物摻合料用量，有利于增強(qiáng)混凝土的和易性，利于施工，三是可以降低成本。

　　3.2.9混凝土表觀密度的假定。

　　混凝土表觀密度一般在2350~2450kg/m3之間選定。應(yīng)注意的是，由于混凝土表觀密度選定過小，容易造成施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土用量超方現(xiàn)象，室內(nèi)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，測(cè)定混凝土表觀密度應(yīng)在測(cè)完混凝土30分鐘坍落度損失后再進(jìn)行，這樣測(cè)出來的混凝土表觀密度與施工現(xiàn)場(chǎng)情況比較接近。

　　3.2.10砂率的選擇。

　　砂率根據(jù)石子最大粒徑、水膠比以及施工工藝（澆注方法）確定。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%之間。

　　3.3混凝土配合比優(yōu)化

　　盡量使用較低的水膠比。限制膠凝材料總量，摻加足夠量的礦物摻合料，盡量減少水泥用量。使用高效減水劑，盡可能減少用水量。適當(dāng)引氣。選用優(yōu)質(zhì)的原材料，控制原材料當(dāng)中的有害物質(zhì)含量?？刂苹炷林械膲A含量。在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)效益。

[Page]

　　4青島海灣大橋墩身、箱梁配合比優(yōu)化前后對(duì)比

　　配合比的優(yōu)化是以降低膠凝材料用量為原則，增加骨料比例，改善混凝土的抗氯離子滲透能力。

　　表二墩身混凝土配合比

　　5．成本控制

　　5.1物資部提供各種材料價(jià)格表：

　　表四08年11月份材料價(jià)格

　　5.2墩身混凝土配合比優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比

　　表五墩身優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比表

　　5.3箱梁混凝土配合比優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比

　　表六箱梁優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比表

　　青島海灣大橋第八合同段共有墩身96個(gè)，合計(jì)混凝土方量12578m3；箱梁98片，合計(jì)混凝土方量65488m3?；炷僚浜媳葍?yōu)化前后節(jié)約成本（341.81-322.96）×12578+(377.16-358.5)×65488=1459101.38元,即節(jié)約145.91萬元。

　　6結(jié)語

　　在環(huán)境十分復(fù)雜的海工特大橋混凝土施工中，混凝土生產(chǎn)的控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，只有嚴(yán)格的控制和科學(xué)的管理才能夠使混凝土強(qiáng)度得到有力的保證。性能優(yōu)良的高性能混凝土可以保證混凝土的力學(xué)性能、耐久性、工作性以及經(jīng)濟(jì)性。但高性能混凝土很“嬌貴”，對(duì)環(huán)境變化、材料變化、計(jì)量偏差、攪拌時(shí)間等十分敏感，因此，混凝土原材料、配合比設(shè)計(jì)、混凝土拌合、混凝土澆注等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制十分關(guān)鍵，我們應(yīng)當(dāng)引起高度重視，采取措施，保證混凝土施工質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)：

　　（1）中國工程土木水利與建筑學(xué)部，工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項(xiàng)目組，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南（CCES01-2004）【M】.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.5.

　?。?）黃士元，蔣家奮，楊南如等，近代混凝土技術(shù)【M】，陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

　?。?）青島海灣大橋海工高性能混凝土設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范（正式版）2008年6月.

　?。?）張應(yīng)立，楊柏科，申愛琴等，現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京，人民交通出版社，2002.5.