高性能混凝土配合比试验研究与分析
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摘要：高性能混凝土的试验过程是一个复杂的系统过程，它主要包括原材料的试验及混凝土配合比试验。本文着重围绕配合比试验展开探讨，首先阐述了配合比的设计要点，而后给出了一试验案例，通过试验结果的探讨，分析了怎样选择最佳配合比。
关键词：混凝土；配合比；设计；试验
混凝土是近现代使用最广泛的工程材料，混凝土工程质量直接关系到建筑物的安全。随着我国社会主义经济的发展，城市建设发展迅速，高层或超高层建筑不断涌现，同时大跨和超大跨桥梁也与日俱增，这些建筑物均对结构构件提出了高强、轻质的要求，为此高性能混凝土逐渐成为人们关注的焦点。高性能混凝土的显著特点是强度高、变形小、耐久性好、抗渗抗冻性好，能适应现代工程结构向大跨、重载、轻质、高强、耐久方向发展和承受恶劣环境条件的需要，而且符合现代混凝土生产的工厂化和机械化的趋势。高性能混凝土的试验过程是一个复杂的系统过程，它主要包括原材料的试验及混凝土配合比试验。本文着重围绕配合比试验展开探讨，通过对试验结果的理论分析寻找最佳配合比，可供工程人员参考。
1、高性能混凝土配合比设计要点
在高性能混凝土中，通常耐久性比强度更重要，并有其它一些物理力学性能的要求，但日前尚没有切实可行的以耐久性或其它物理力学性能指标为依据的配合比设计方法。当前，在进行高性能混凝土配合比设计时，大多还是以强度为依据，其它性能指标则以试验检验、配合比调整等手段复核。在众多的高件能混凝土配合比设计方法中，美国学者P・K・Mehta的方法具有较广泛的通用性。该法是在现有高性能混凝土实践经验的基础上，对主要的配合比设计参数做一些假设，从而得到试拌用的初步配合比。
1.1 初步配合比
（1）试配强度
(1)
式中，为混凝土试配强度，为混凝土设计标准强度，1.16为强度富余系数。
（2）水胶比
高性能混凝土的水胶比一般在0.4以下。设计标准强度为50MPa时，试配强度为55~60 MPa，其水胶比在0.35~0.40之间；如设计标准强度为60MPa，则水胶比在0.30~0.35以下，最终以实际试配强度确定水胶比。
（3）水泥浆／骨料
当采用适宜的粗骨料时，在固定水泥浆滑料体积比为35:65的条件下，可以制备尺寸稳定、耐久性满足要求的高性能混凝土。
（4）砂率
由于高性能混凝土的胶凝材料用量大，在确定砂率时，通常不再受节约水泥的经济性影响。确定砂率时，一方面要保证混凝土拌合物良好的流动性和泵送性能，砂率取值偏高；另一方面，为了获得足够的强度和弹性模量，砂率又不能过高，因此，对于高性能混凝土，砂率大多在36％~41％之间，且随混凝土强度的提高，砂率呈降低趋势。
（5）用水量
在满足和易性的前提下，混凝土单位用水量应尽可能小。普通混凝土的单位用水量取决于混凝土拌合物的流动性和骨料的最大粒径及品种，对于高性能混凝土来说，由于其骨料最大粒径坍落度波动范围很小，而且坍落度可通过调整高效减水剂用量来控制，所以可不考虑这两方面因素。
（6）胶凝材料
对于每个混凝土强度等级，使用胶凝材料有三种方案可供选择：1）100％水泥；2）水泥与矿渣(或粉煤灰)的体积比为75:25；3)水泥：矿渣(或粉煤灰)：硅粉(体积比)＝75：15：10。其它方案，如同时使用水泥和硅粉，及同时使用水泥及沸石等，不再一一列出，通常情况下，硅粉和沸石粉适宜掺量为10%左右，矿渣为25％左右，粉煤灰常采用超量取代法掺入，超量系数为1.2~1.4。
（7）高效减水剂
高效减水剂的掺量一般为胶凝材料总质量的0.8%~2.0%。建议第―试配掺量为1%为宜。
1.2 试配、检验与调整
由于上述方法有许多假设，所以第一盘配料经计算得出的配合比仅能起到引导作用，为了获得正确的配合比合比，尚需进行大量试验。高性能混凝土的试配、性能检验及调整等，与普通混凝土基本相同。
2、混凝土配合比试验方案
混凝土配合比的确定，关键是要保证混凝土满足施工、强度、耐久性、经济性四方面要求。在现行混凝土配合比设计规程JGJ55-2000中，高强混凝土配合比确定方法基本上还采用普通混凝土配合比的确定方法。本文研究中应用正交-综合评定法确定高强高性能混凝土配合比。正交-综合评定法是利用正交试验的原理安排试验，根据试验结果进行综合评定，找出满足各项工程要求的最佳配比的方法。高性能混凝土性能的主要影响因素有：水灰比、粉煤灰掺量、硅灰掺量及粗骨料含量等，本研究中着重针对这些要素开展研究，选择的因素水平如表1所示。因选用的影响因素为四个，各因素的水平数位为三个，故选择L9(34)正交表,即四因素三水平的正交表。按L9(34)安排的试验方案如表2所示。
表1 试验因素水平表
表2 试验方案
3、试验结果分析
根据正交设计试验结果确定各因素对混凝性性能的影响趋势及主次。将试验结果中的数据进行极差分析，比较各因素对考核指标的影响顺序和影响大小。极差分析结果如下表3所示:
表3正交试验结果的极差分析
从表3可以看出，高强性能混凝土与普通混凝土的明显不同是:水灰对高强混凝土的强度影响不大，而水灰比是控制普通混凝土的决定因素，目前外通行的普通混凝土的配制理论是水灰比定则。为什么水灰比对高强性能混凝土的强度影响很小呢?可能的原因是，在高强性混凝土中增加了矿物掺合料(如粉煤灰和硅灰等组分)，由于矿物掺合料具有火灰活性，它们在混凝土中与水泥的水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应生成水硅酸钙(C-S-H)。Ca(0H)2是一种晶体，富集在水泥石与骨料的界面，降低界面粘结力，然而界面粘结力是决定混凝土强度主要因素，同时，Ca(OH)2的存在还会给混凝土带来腐蚀，从而损失混凝土的耐久性，而水硅酸钙是一种凝胶它对混凝土的强度起增进作用，它也是水泥的主要成分C3S和C2S的水化产物。因此，矿物掺合料这一组分在高强性能混凝土中起到了化害为利的作用，其实质就是，矿物掺合料(粉煤灰，硅灰等)的掺入改变了高强性能混凝土的有效水灰比，特别是由于硅灰的加入产生了火山灰反应和微填料作用，使水泥浆与骨料界面过渡区改善，并使孔结构细化都引起强度增加。掺入硅灰后，对混凝土的强度提高程度可用效率指数来衡量。所谓效率指数是指当用硅灰取代水泥时，1份硅灰对混凝土强度的贡献可能相当于2-5倍的水泥所能产生的强度，这个倍数称为硅灰的效率指数。随着硅灰的增加，其效率指数逐渐降，当硅灰掺量超过20%时，其效率指数显着降低，超过30%时混凝土的强度甚至反而下降，因此掺量通常不应高于20%。当硅灰掺量过高时，新拌混凝土将变得非常粘稠而增加了施工浇捣的难度。同时，硅灰的价格较高，硅灰掺量不宜太大，关于粉煤灰的掺量对混凝土的强度影响的研究表明，粉煤灰的掺入量不宜超过30%，当粉煤灰得超过40%时，混凝土的强度甚至反而下降，因此，掺量不宜太高。综合上述正交试验的极差分析，本次高性能混凝土的研究试验最佳配合比为C3B3A1D2。
4、结束语
在工程建设规模不断扩大的今天，高性能混凝土的开发与应用,很大程度上弥补了传统混凝土技术性能的缺陷,使得建筑结构型式更加多样化，而且对节能、工程质量、工程经济、环境与劳动保护等方面都起到了积极意义。可以预期,高性能混凝土的应用领域将会迅速扩大,取得更为可观的技术经济效益。
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