高性能混凝土配合比设计优化与质量控制
高性能混凝土配合比设计优化与质量控制
高性能混凝土是在普通混凝土制作的基础上，采用普通混凝土原材料和掺入新近研发的材料，利用大型混凝土搅拌设备精确计量，充分混合均匀，以大幅度提高混凝土耐久性等性能指标的一种新型高技术混凝土。与普通混凝土相比，高性能混凝土在满足设计强度的基础上以长期耐久性能为主要控制指标，在配置上的特点是采用了较低的水胶比和水泥使用比例、进一步减少了用水量、同时掺加一种或几种外加剂及矿物质掺合料等。高性能混凝土的卓越性与经济性，使其用途不断扩大，在不少工程中得以推广应用。
高性能混凝土配合比设计的性能要求
耐久性
混凝土的耐久性是指在它所处的环境中，长期抵抗外来及内部被侵蚀破坏作用,仍能维持其良好的使用性能和外观完整的能力。避免其本身的结构性能随时间的推移而缩短降低，不需要投入额外的人力物力财力加固处理，从而保持其优良的结构紧固性、外观完好性和正常的使用功能。
为了提高混凝土的耐久性能,就必须在配合比设计中精准选材，严格筛分，精确计量，严格管理，采取一切便于管控的措施,加大检测检验力度，注意选择合适的水泥品种和合格的强度等级,砂石料级配良好和调整砂率,但最主要的是有害物质的控制和采用混凝土外加剂、掺合料来提高混凝土的耐久性。
高性能混凝土有相当长的使用寿命，普遍都可以达到80～100年以上，远远高于普通混凝土50-60年的年限。对于一些有特殊要求的结构部位，控制混凝土质量合格与否的早已不在是混凝土的强度高低，而是长期的耐久性能。能够使混凝土结构安全可靠地工作，是高性能混凝土应用的主要目的。耐久性设计包括抗碳化、抗冻害、抗盐害、抗腐蚀、耐火性等性质，各地工程需求各有侧重,有时需要一项指标，有时有多项指标并控，接下来我们去设计一款抗碳化高性能混凝土，供大家学习参考。本条应该作为高性能混凝土设计的强制条文，严格贯彻执行。
体积稳定性
由于水泥中存在过多的游离氧化钙，水化作用虽然缓慢，但水化后其体积膨胀约1倍，进而导致混凝土体积膨胀，严重情况下，很可能引起混凝土变形或爆裂。因此，混凝土在设计时应具有较低的水化热，早期硬化时应加湿降温，硬化后也不能放松要求，期间内不间断养护管理。争取龄期内养护到位，使混凝土质量可靠稳定，具有较为可控的徐变与收缩变形、不易产生裂缝，防止爆裂。水灰比较低时，适当添加渗合料，丰富混凝土成分，改善混凝土内部环境，较早的减轻或终止水化反应。随着水化热相应的降低，也可以起到提高混凝土稳定性的要求。
强度
混凝土必须达到设计要求的强度等级，在设计使用年限内必须满足结构承载和正常使用功能的要求。影响混凝土强度的因素主要是水泥各方面的性质，所以水泥强度要尽可能选择≥42.5MPa，其强度主要反应在降低水灰比的基础上提高拌合物硬化后的密实度，提高坚固性。因此混凝土的质量在目前都是以抗压强度作为合格与否的依据，高性能混凝土在养护及时的情况下，其早期强度发展很快，28天平均抗压强度与抗拉强度比普通混凝土有明显增加，一般介于100～200MPa。导致混凝土强度不合格的因素有很多种,主要有水泥品种等级、配合比、骨料种类及颗粒级配、施工条件、养护条件、温湿度等。
工作性
混凝土除满足流动性、黏聚性、保水性的要求外，还要求自密实性好、水化热低并获得整体均匀性、可塑性、体积稳定、结构密实的混凝土，易于浇筑的施工操作、满足施工要求。使用外加剂、掺合料是改善混凝土性能最有效的方法，只有这样才能既满足施工操作要求，又能确保后期工程质量的良好。实际操作中还要结合混凝土的配合试验结果、施工现场的设备条件和管理水平来确定，以便达到质量稳定、经济合理性的要求。
经济性
混凝土配合比的设计应优先保证质量合格、性能稳定的前提下，减少生产投入，节省高成本材料，从而达到合理的经济要求。高性能混凝土的工作性能好、自流性强、强度高、耐久性好，成本与同种规格的混凝土相比较，每方可以直接节约成本30～60元不等。其质量与经济效益，使其用途和使用规模不断扩大。水泥是混凝土中价值最高、用量最广泛的建筑原材料,节约水泥用量已经是社会共识，也是评价混凝土配合比经济合理与否的一个主要参考指标,在优化组合原材料的措施下减少水量用量才能起到综合性的经济效益。
高性能混凝土配合比设计原材料准备
在混凝土配合比设计和施工过程中,主要从减少经济成本，提高经济效益的角度来选择水泥强度等级，水泥应选用硅酸盐水泥或普硅酸盐水泥。并应符合现行标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2019要求。水泥使用前,应注意检查并留存生产厂家提供的出厂合格证和性能说明书，了解各方面的信息比如使用范围和性能指标，还应送到检测机构作胶砂强度、凝结时间、安定性、细度或比表面积等常规检验,检验合格并与说明书比对后方可使用。
矿物掺合料的使用
矿物掺合料部分替代水泥并与水泥混合使用，统称为胶凝材料。其细度与水泥细度相同或比水泥更细为优。矿渣粉和粉煤灰等材料的掺入，减少了水泥用量，减少坍落度损失，改善工作性能，并可填充混凝土的内部缝隙，增加密实性；又可降低水化热，防止混凝土开裂，同时降低养护成本；增加混凝土后期强度，提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性能，成本低廉，又可以节约工程成本。尤其是矿物掺合料对碱集料反应有显著的弱化分解和抑制作用且对减少环境污染有所贡献，对混凝土起到了减水、润滑、填充、致密、抗渗、抗碳化等作用，常用的掺合料包括粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉、磷渣粉、硅灰、沸石粉等。
骨料的选择
骨料选择赢尤其注意骨料级配、粒形、含泥量、泥块含量、碱活性成分等。级配和粒形良好的骨料可以配制出低用水量、高和易性、密实性高、耐久性好的混凝土并阻止有害物质的侵蚀。含泥量、泥块含量过高的话，容易造成混凝土内部结构的疏松，降低了混凝土强度；同时形成空洞，大量的空洞相连形成通道，降低了混凝土的密实性、抗渗性并加快了有害物质的侵蚀破害，危害极大；严控碱活性成分，若混凝土中碱活性成分过多的话，在一定条件下与混凝土内部中的水泥、外加剂、掺合剂等发生碱集料连锁反应，导致混凝土结构从内部到外部都可能产生膨胀、开裂甚至更严重的报废。骨料的其它特性，如粒径、形状、结构和矿物成分，都在不同程度上影响着混凝土的性能。实际生产中，骨料通常呈室外堆放状态，其材料的多样性、多变性都对混凝土起着不可忽视的影响。
（1）细骨料：细骨料选择对骨料要求相对较高，要求骨料色泽一致、无杂质，骨料触感细腻，质地坚硬，级配良好，泥沙含量较低，一般选用细度模数为2.5～3.2的洁净天然中粗河砂。
（2）粗集料：宜选用目测色泽一致，大小均匀无杂质，触感质地坚硬、检验时颗粒良好、级配合理、含泥量低的碎石或卵石，其中碎石优于卵石，压碎指标不大于8%，针片状含量不大干10%，含泥量低于1.0%；粗集料的最大粒径不宜超过25mm，以5-20mm为宜，其级配良好，并适用于长距离泵送混凝土，不宜采用砂岩加工成的碎石。主要检验含泥量、颗粒级配、压碎值、针片状含量、堆积密度、表观密度、泥块含量等必检项指标要求。
高性能混凝土配合比设计与优化
高性能混凝土配合比设计原则
混凝土试配依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000及《高性能混凝土应用技术规程》CECS207：2006计算、试验并调整；水工混凝土配合比设计时，试配强度应乘以一个1.1～1.15的安全系数。在满足强度、耐久性的前提下，尽量使用较低的水胶比，掺加足够量的矿物掺合料，骨料采用最佳级配，使用高效高性能外加剂，尽量减少水泥用量，选用取材方便的优良原材料，减少降低原材料当中的有害物质含量，控制混凝土中的碱物质骨料反应，使用工程实际使用的原材料。
高性能混凝土配合比设计主要参数优化设计
（1）水胶比
水胶比越低越说明混凝土性能越高，通常情况下，水胶比在0.4以内就属于高性能混凝土，表1为高性能混凝土推荐选用的水胶比。
（2）砂率
砂率与混凝土强度是一种正向关系，砂率越大，混凝土强度越大，反之则混凝土强度越小，但是当砂率大到一定程度，高性能混凝土弹性模量就会逐渐减小。由此可见，并非砂率越大混凝土性能越高，需根据石子最大粒径、水胶比以及施工工艺、浇筑方法确定。表2为砂率选用表。
（3）表观密度的假定
按重量法或体积法计算砂石的重量。混凝土表观密度一般在2450～2800kg/m³之间选定。针对室内混凝土的配合比设计，需要先检测混凝土的坍落度，测完坍落度30min后检测混凝土表观密度，以此保证测出的混凝土表观密度与施工现场情况趋于一致。
高性能混凝土配合比质量控制
高性能混凝土各材料参数确定好后，进行试配，试配时尽量降低水胶比，适当引气并调节混凝土硬化时间。选用优质的原材料，控制原材料当中的有害物质含量，控制混凝土中的碱含量，保证混凝土质量。以下从实验室试配方面加强高性能混凝土配备质量。
高性能混凝土施工质量和性能保障的关键是人员和管理，没有高素质的人才，没有科学化的管理，没有对细节近乎苛刻的要求，混凝土的合格与否无从谈起。但目前有些试验室没有必要的试验设备，也没有进行有关置拌和试验，试验数据完全凭空想象，甚至很多设计人员和试验人员还是对高性能混凝土一知半解，甚至没有听说过，还是按照传统和习惯进行生产操作，配合比设计人员没有培训学习，根本不达标，其生产出的混凝土质量没法保障。
因此，应对各参与方进行考查和筛选，全方位的了解。只有达标的企业和人员才能设计出合格的满足性能要求的混凝土。对于人员和管理的控制需要从几个不同的方面入手，下面对这几方面进行详细的具体说明。
（1）建立全新的质量管理体系和人员机制。引进先进的管理方针和高素质的人才，从思想上认识到高性能混凝土的重要性和开创性。从制度和规范上入手，保障配合比设计有制度可依，有规范可控，有人员可用。
（2）设计人员素质和能力。配合比的所有数据必须从试验中真实获取，而试验所需的精密仪器设备应经过法定计量检定。设计人员必须配备相关搅拌设备和计量仪器，准确称量，亲自动手进行相关试拌，研究其性能和质量，清楚认识原材料的性质、质量偏差的可控性、调配的合理性、试验数据的真实性和溯源。
（3）建立联络联系机制。实验室、商混站、施工单位应建立合理的交接管理程序，密切配合，从始至终进行观测和检查。
结语
当前，高性能混凝土已走出实验室的研究门槛，逐步在工程实践中得到应用，已成为混凝土发展的新方向。在环境复杂多变的混凝土施工需求中，混凝土设计、检验、生产、施工、养护的控制已经是一个密切配合的系统工程，从混凝土设计配比源头加强管控是保障混凝土质量的关键。要求在混凝土材料选用、设计配合比准确契合度、人员技术等方面优化完善，确保每个环节、每个步骤层层施控，保证混凝土配备质量。