高性能水泥混凝土配合比设计

高性能水泥混凝土配合比设计发表评论(0)编辑词条目录•-一、高性能混凝土技术要求•-二、高性能混凝土技术路线••三、高性能混凝土水泥砂石料外加剂外掺料•-四、高性能混凝土矿物外加剂(掺合料)•-五、高性能混凝土配合比设计原理•-六、高性能混凝土配合比设计中应考虑的因素•-七.高性能混凝土配合比计算［显示部分］一、高性能混凝土技术要求编辑本段回目录配制普通混凝土的技术指标是和易性、强度、耐久性与经济四项基本要求，大家已熟悉，但对配制高性能混凝土除了上述四项基本要求外还要加上坍落度的经时损失，可泵性指标等。化学侵蚀环境化学侵蚀类型环境作用等级H1H2H3H4硫酸盐侵蚀环境水中含量SO2-4,mg/L3200<600>600<3000>3000<6000>6000强透水性环境土中SO2-4含量，mg/kg32000<3000>3000<12000>12000<24000>24000弱透水性环境土中SO2-4含量，mg/kg33000<12000>12000<24000>24000—盐类结晶侵蚀环境土中SO2-4含量，mg/kg—32000<3000>3000<12000>12000酸性侵蚀环境水中pH值<6.535.5<5.534.5<4.534.0—二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量，mg/L315<40>40<100>100—镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量，mg/L3300<1000>1000<3000>3000—注：1对于盐渍土地区的混凝土结构，埋入土中的混凝土遭受化学侵蚀；当环境多风干燥时，露出地表的毛细吸附区内的混凝土遭受盐类结晶型侵蚀。2对于一面接触含盐环境水（或土）而另一面临空且处于干燥或多风环境中的薄壁混凝土，接触含盐环境水（或土）的混凝土遭受化学侵蚀，临空面的混凝土遭受盐类结晶侵蚀。3当环境中存在酸雨时，按酸性环境考虑，但相应作用等级可降一级。二、高性能混凝土技术路线编辑本段回目录上述配制要求主要是通过优选原材料、优选配合比与精心施工三条途径来达到及结合正交设计分析参数，具体见以下框图:>■*耳 村兰工'mo-te-wX甚 .盅棚in''母祯映比精郊汰布1，it> \m 身俱外Jn-—C .吒击.，-布W窗的KSTE,有湿前』垣|

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一性•/Sate.mmhnr芭.w该？SW-呆申，哺心nt弁群时.ff-a三、高性能混凝土水泥砂石料外加剂外掺料编辑本段回目录根据中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会主编的《高强混凝土结构设计与施工指南》（HSCC-99）第二版中的有关规定，简介如下：水泥宜用42.5以上硅酸盐水泥或普硅水泥，选用时水泥的流变性比强度更重要，与减水剂相容性要好，因此C3A与含碱量要低，不宜用立窑水泥、早强水泥或其他掺混合材水泥。砂子宜用地质坚硬、级配良好的河砂或人工砂，细度模数Mx卡2.6,含泥量＞1.5%（强度＞C70级的混凝土＞1.0%且不容许有泥块存在）。石子宜用质地坚硬，级配良好的石灰岩，花岗岩，辉绿岩等碎石或碎卵石，母岩的立方抗压强度fg＞1.2fou以上，针、片状＞5%，不得混入软弱颗粒，一般最大粒径Dmax＞25mm，配制C80~C100级时，Dmax＞20mm，对超过C100级以上时，Dmax＞12mm，因为粒径小时，界面周长小，厚度也小，难以形成大缺陷，不仅有利于界面强度，也有利于抗渗性。含泥量＞1%,（配制C80级以上时，＞0.5%），吸水率＜1%，石子的粒型、表面性质，石粉含量也很重要，应严格控制。外加剂常用的有高效减水剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂等。高效减水剂宜选用减水率高（＞20%），与水泥相容性好，含碱低，坍落度经时损失小的品种，如接枝共聚物、聚羟基羧酸系、胺基磺酸盐类等，两种复合的效果比单一的好，掺量一般为胶结材总量的1.5~2.0%，掺量太多，超过饱和点后，不再提高减水率，并延缓凝结时间；缓凝剂主要用于控制混凝土的凝结时间和硬化速度，以减少坍落度损失，降低放热量，防止早期开裂，对于C3A与含碱量低的水泥，缓凝效果较好，但掺量不宜过多，要严加控制；引气剂掺入引气剂可提高混凝土的流动性、减少离析、泌水，对保证混凝土拌合物的均匀性和硬化后的耐久性很有利，但引气剂要降低强度，故不宜多加，一般以含气量=3~4%来控制其掺量；膨胀剂主要是为了补偿水泥的干缩和自收缩，增加抗裂性并在约束条件下增长强度，我国膨胀剂产品主要是钙矶石类的如UEA、EA、明矶石膨胀剂等，有些复配的产品，其中掺有高效减水剂、缓凝剂甚至矿物细掺料等组合，选用时要注意，这类复配的膨胀剂对水泥也有相容性问题，使用前必须严格检验。另外还要检验掺膨胀剂混凝土，膨胀结束后的收缩量，如果和不掺膨胀剂时的相同，开裂仍然会产生，起不到减缩、防裂作用，因此应选用膨胀结束后收缩量比不掺的小的膨胀剂，掺膨胀剂的混凝土搅拌要均匀，养护要充分，约束条件要保证，否则，也起不到减缩防裂作用，有时反而开裂更甚。高性能混凝土因水胶比低，早强度，一般不宜掺早强剂，由于防冻剂掺入后，会降低强度，故通常也不宜用。四、高性能混凝土矿物外加剂(掺合料)编辑本段回目录常用的有粉煤灰，磨细矿渣、沸石粉、硅灰等活性矿物细掺料，现分别简单介绍如下：粉煤灰(F.A)主要活性成分是Sio2,Al2O3,含量越多，活性越高。按CaO含量的多少分为两类，Cao>10%的为高钙灰(C级)，具有轻微的自硬性，但因游离Cao高，易造成体积不安定使用时要慎重，故应用不广，Cao<10%的为低钙灰(F级)依其品质又分I、II、III三个级别，见下表。表GB1596-91项目IIIIII细度(45mm筛余)>%122045需水量比小％95105115烧失量小％5815SO3>%333含水率小％11/说明：据初步调查，国内普遍存在的问题是细度不合格，烧失量太大，质量不稳定，正在采取措施加以解决。用于高性能混凝土的粉煤灰通常是I级灰，质量较好的II级灰也可用，有两项指标要引起注意，一是需水量比应<100%，因它影响流动性和早期收缩，二是烧失量最好<3%，因烧失量大意味着含碳量高，含碳量高吸水率就大，强度低且易风化。对高性能混凝土更加敏感，因此要严加控制，只要含碳量低，细度不必苛求，达不到要求时，可通过粉磨提高。研究表明：掺入粉煤灰后，它对混凝土有以下四种功效。火山灰反应，强度效应(活性效应)，粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的Ca(OH)2及含有的硫酸盐产生碱性激发与硫酸盐激发两种反应，即：碱性：xSiO2+yCa(OH)2+zHzO®yCao・xSiO2•zH2O(CSH)mAl2O3+nCa(OH)2+iH2Q®nCao-mAl2O3-iH2O(CAH)硫酸盐性：Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4・2H2O)+19H2O®3CaO・Al2O3・3CaSO4・31H2O(AFt)并能改变CSH相的形貌，降低Ca/Si比，有利于后强的发挥与耐久性的改善。形态效应，减水作用，粉煤灰多是园珠型颗粒，表面光滑，微珠润滑，且有吸附分散作用对水泥浆起解絮增塑作用，若保持流动性不变即可起到减水作用。C.微集料效应，增密作用，研究表明粉煤灰粒度分布合理，总体粒度为0.5~300mm，其中玻璃微珠为0.5~100mm，大部分＜45mm,其含量约占50~70%,是粉煤灰中的主体，还有一部分漂珠＞45mm，及少量粗粒的海绵颗粒10~300mm，大部分＞45mm，可见自身颗粒级配良好，其中比水泥颗粒细的粒子则可填充水泥空隙，增加密实度，细化孔径，改善均匀性。稳定效应，益化作用，通过上述的火山灰反应，大量消耗掉自由态的Ca（OH）2，使变成结合态，大大降低液相的碱度，从而提高混凝土的耐蚀性。另外还可减少放热、收缩和徐变，提高体积稳定性和抗裂性，有利于耐久性。但却降低了抗碳化的能力。通过上述分析，充分说明，粉煤灰在混凝土中能发挥四大功效，起着不亚于水泥的胶凝作用，是混凝土必不可少的第六组分。问题是要选好、用好、控制好粉煤灰，充分发挥它在混凝土中的有利作用。其掺量通常采用超量取代水泥法（超量系数=1.2）进行配制。粒化高炉矿渣（P.S）粒化高炉矿渣是炼铁高炉排渣时通过水淬（急冷）成粒后，再经磨细而得，主要化学成分有SiO2,Al2O3,CaO与MgO等，通过水淬可以形成大量的玻璃体，另外还含有少量的硅酸一钙或硅酸二钙结晶组分，因此具有轻微的自硬性，矿渣的活性与碱度，玻璃体含量及细度等因素有关，碱度b=（Cao+Mgo+Al2o3）/SiO2碱度b越大，活性越高，我国的大多数矿渣b＞1.8以上。 玻璃体含量可以用玻璃化率来表达，玻璃化率a可通过x射线衍射法测定结晶化率，再按下式计算。玻璃化率a=（1-结晶化率）X100%玻璃化率a越大，活性越高，我国的矿渣多数都在98%以上。美国对掺入混凝土中矿渣的活性指标是，通过28天胶砂强度比来表示的活性指标=fp/fcfp——在硅酸盐水泥：矿渣：标准砂=1:1:2.75配比下标养28天的抗压强度；fc——在硅酸盐水泥：标准砂=1:2.75配比下标养28天的抗压强度。用水量均按胶砂流动度为110±5%来决定，根据活性指标的大小把矿渣分为80级、100级与120级三个等级，指标越大，等级越高，表示活性越高。研究表明，矿渣粒径＞45mm的颗粒很难参与水化反应，所以要磨细，用于高性能混凝土的矿渣要磨细到比表面积超过4000cm2/g，才能充分发挥其活性，减小泌水性，细度越大，活性越高，但磨得太细，早期水化热大不利于降低混凝土的温升，而且混凝土早期的自身收缩也会随着磨细矿渣掺量的增加而增大，况且粉磨矿渣要提高成本，所以不宜磨得太细，但磨细矿渣比普通矿渣优越，掺入混凝土中可以取代部分水泥，可提高流动度，降低泌水性，早强相当，但后强高耐久性好，掺30%时，可提高强度22%左右，试验表明，磨细矿渣的最佳掺量是30〜50%，最大掺量可到70%，此时水化热可降低，自身收缩也可减小。《高强混凝土结构设计与施工指南》规定，用于高强高性能混凝土的磨细矿渣，应符合下列质量要求：比表面积＞4000cm2/g需水量比才105%烧失量才5%沸石粉（F矿粉）一种天然的碱金属和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物，常用的是斜发沸石与丝光沸石，经磨细而成。主要成分有SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO等，是一种结晶矿物，其中含部分可溶性SiO2与Al2O3，参予火山灰反应。构造上具有含水微晶质架状构造，开放性较大，有很多大小均匀的孔道和空腔的特点，因此具有良好的选择吸附，离子交换和催化的特性，其化学活性很大。其掺量：最佳15~20%，适宜25~30%，极限35~45%，超过45%强度开始下降。对混凝土的作用有（1）沸石粉空腔中的沸石水，通过“自真空”作用，放出促进水泥水化，且残存沸石以其针状、柱状、薄片状微细晶体与形成的CSH互相交织联锁，粒子间连结更紧密，结构密实化，不仅抗压增长显著而抗拉强度也较高。改善浆一集界面结构，减弱CH在过渡区的定向结晶，缩小过渡带，提高了结构均匀性，界面得到强化。改善孔结构，增加密实度，减小孔径，＜100nm的孔分布显著增加。e.降低泌水、离析和分层，提高均匀性，改善和易性。提高抗冻、抗渗、抗碱骨料反应的性能，但收缩和徐变略大。《高强混凝土结构设计与施工指南》规定，用于高强高性能混凝土的沸石粉，应符合下列质量要求：细度，0.08mm筛余才10%，吸铵值才110meg/100g（斜发沸石），120meg/100g（丝光沸石），抗压强度比390%，如磨细至S34000cm2/g,d平W10~6mm，效果会更好。硅粉（S.F）硅粉是生产硅铁，电收尘所得废料。主要成分是SiO2=86~95%，无定形物质，活性极高。表观密度250~300kg/m3,密度2.2,空隙率高达90%以上，为细小球状颗粒d平=0.1~0.2mm，比表面积S=18~22m2/g，是水泥的20~30倍，需水量比高达134%，SF取代水泥每增加1%（约5kg），需水量增加7kg，SF取代水泥每增加1%，减水剂增加0.05%。品质标准可参照我国水工混凝土暂行标准执行SiO2385%,WW3%，烧失量W6%火山灰活性指数390%，细度45mm筛余＜10%,比表面积S＞15m2/g均匀性指标，密度与均值偏差＜5%，细度与均值偏差＜5%掺量：以7~9%最佳，适宜量5~15%，极限量10~20%，超过20%不经济，作用不大。归纳起来对混凝土的作用有：增强，增密，改善和易性，增加粘稠性，降低泌水。改善微结构与界面结构，改变相组成，缩小过渡带。改善孔结构，增实、减轻、减热、减缩、减徐变。提高耐久性（抗渗、抗冻、抗蚀、抗碱骨料反应、耐磨等）。研究表明：上述几种矿物细掺料的使用宜采取以下几种措施效果更好。艮脱超细粉磨，多种复合，开发势能作用，大掺量的应用，建立可持续发展战略。（1） 超细粉磨：磨细至8000~10000cm2/g，d平=10~8mm.特点：充分发挥潜在势能一比表面积大，促进火山灰反应，发挥其潜在活性显著提高“三大效应”一即提高“活性、粒形、微集料”三大效应，改善微级配密实化。充分发挥粉体效应一一降低泌水，增加粘稠性，减少坍落度损失改善界面结构。（2） 多种复合：将粗细不同的不同种类的掺合料复合，利用各自的特点，取长补短，各发挥各自的优势、优势互补。特点：改善微结构和微级配一一调整相组成和微级配，结构更加密实和强化改善界面结构和孔结构一一缩小过渡带，提高均匀性，减小孔径，充分发挥“三大效应”：强度效应一W/C<0.4,不能全部水化，若加入超细粉体，可吸收CH，捉进水泥水化，提高水化率。粒形效应一硅灰多为球状，掺量W5%时，是高稀度悬浮体，能阻止水泥沉淀更易于流动，产生“滚珠效应”，可增大流动性，改善可泵性，减少坍落度损失，但掺量太多>5%，将因比表面积太大而增加需水量，使流动性降低，阻力增大，可泵性变差。微集料效应一从粒径分析，硅灰最细，磨细粉料次之，水泥最粗，三种材料组合，互相填充，可达到最密实，三者之间存在一个最佳配合可通过试验确定《高强混凝土结构设计与施工指南》规定为了防止产生碱骨料反应所有原材料中的含碱量1M3混凝土中不得超过3kg为了防止钢筋锈蚀，所有原材料中的Cl离子含量，对一般条件下的钢筋混凝土结构才0.2%・C处于朝湿条件下的钢筋混凝土结构才0.2%・C对预应力钢筋混凝土结构才0.06%・C对上述所用的六项材料（包括水）初步选定后，需按国家标准或规范严格进行检验，品质合格后方能使用。五、高性能混凝土配合比设计原理编辑本段回目录（一）配合比设计的基本原理根据前述配制高性能混凝土的技术路线，混凝土配合比设计的目标，是要确定能满足工程技术要求的各种材料用量，配合比设计原理与普通混凝土基本相同，仍然依据三大法则，但也有不同之处。水灰比（或灰水比）法则根据这一法则确定水灰比，以保证混凝土的强度和耐久性，对高性能混凝土，由于将矿物细掺料当作胶结材的一部分因此计算的应该是水胶比（或胶水比）。最大密实度法则该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙，以达到混凝土密实度最大，换言之就是各项材料的密实体积总和等于1M3绝对密实的混凝土，即：V水泥+V掺合料+V砂+V石+V水+V气=1M3的混凝土。根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率，以确保混凝土的强度、耐久性与经济性。最小单位用水量法则根据这一法则，可在水胶比一定及原材料一定的情况下，确定能满足混凝土工作性的最小用水量，这和普通混凝土中的恒用水量法则相似。对高性能混凝土，由于骨料最大粒径和坍落度的波动范围很小，（分别是10~25mm与18〜22cm），而且坍落度还可通过调整高效减水剂来控制，因此普通混凝土的恒用水量法则对高性能混凝土就不太适用，而改用最小单位用水量法则，但出发点两者是相同的。根据上述三大法则，可以初步确定混凝土配合比中的水胶比、浆集比、砂率与最小单位用水量这四个最基本的参数，再通过一定的方法，根据经验和试配确定外加剂和掺合料的用量。（二）配合比设计方法由于高性能混凝土使用的原材料较多，技术要求较高，目前尚无统一的计算方法，各国都是根据本国的实际情况提出的设计方法，而且都是经验试验法，虽然各国的设计方法各种各样，但都遵循上述三大法则，所以方法并不重要，重要的是上述三大法则，这是基础，方法很多，下面只介绍一种常用的方法供参考。该法也是一个经验一试验法，具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分：该法也是一个经验一试验法，具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分：胶结材料浆体=水泥+水+外加剂+掺合料骨料基体=砂+石子需要确定的参数为：水胶比、用水量、浆集比、砂率、外加剂掺量、掺合料掺量。具体步骤是先计算空白混凝土的初步配合比，根据经验初步确定外加剂与细掺料的掺量，通过流动性的试验调整，确定基准配合比，再经过强度与耐久性试验调整，确定试验室理论配合比，最后通过含水率的换算确定施工配合比。六、高性能混凝土配合比设计中应考虑的因素编辑本段回目录确定理论配合比设计参数拌合物性能试拌：环境条件（自然条件及模拟条件）、试拌量、试验机机型及容量坍落度及扩展度：初始值、保留值 判别：使用温度、运距含气量：初始值、保留值 判别：使用温度、运距保证入模含气量拌合物工作性能：初始值、保留值可泵性指标的测定、L形流动试验、V形（或O形）漏斗试验，充填性试验及钢筋通过试验抗裂性：后期指标强度值：最终值56d 有要求时或经验积累可用3d.7d.14d.28d（静压弹模）抗冻性：最终值56d抗渗性：有要求时电通量：最终值56d 经验积累可用14d、28d胶材抗硫酸盐侵蚀性能：28d比对耐磨性：有要求时护筋性：混凝土护筋性试验方法按GB8076-97执行抗碱〜骨料反应性：当骨料具明显活性（0.1〜20%时）时的控制效果试验---慎重抗裂性：C.结果确定w/J：不能按原灰/水比直线方案确定含气量：J、W：单位体积用量（1.2.3）以耐久性指标、材料来源及成本定按电通量、抗冻、耐腐k建立关系式采用正交设计高性能混凝土配合比计算编辑本段回目录1.计算初步配合比（1） 配制强度（fh）施工配制强度仍按fh=fou+1.645*s计算。标准差s按本单位历年的统计资料确定，若无统计资料，一般可按s=6Mpa取用，《高强指南》一书中规定，C50与C60级的配制强度应不低于强度等级的1.15倍。C70和C80级的配制强度应不低于强度等级的1.12倍。（2） 水胶比（W/B）可按新的强度公式计算，强度等级C50C60C70C80C90C100水胶比0.37〜0.330.34〜0.300.31〜0.270.28〜0.240.25〜0.210.23〜0.19五=皿可备*062）fc—水泥实际强度=1.13f标 或按下表，表6强度与水胶比关系强度等级C50C60C70C80C90C100水胶比0.37〜0.330.34〜0.300.31〜0.270.28〜0.240.25〜0.210.23〜0.19（3）用水量（W）可根据强度等级按下表估计表7用水量与强度的关系强度等级C50C60C70C80C90C100用水量(kg/m3)185175165155145135（4）胶结材用量BB=W/（W/B）《高强混凝土结构设计与施工指南》中规定，C50与C60级混凝土中胶结材总量才550kg/m3,C70与C80级混凝土中胶结材总量才600kg/m3。（5）砂率（SP）可根据胶结材总量按下表选用。表8砂率与胶结材的关系胶结材总量（kg/m3）400〜500450~500500~550550~600砂率（%）40383634大量统计资料显示，C60〜C120级的高性能混凝土，砂率多在34〜44%之间