高性能混凝土配比设计技术及其强度提升研究

高性能混凝土配比设计技术及其强度提升研究

高性能混凝土作为新型建筑材料，在现代建筑工程中发挥着重要作用。本文系统研究了水胶比、矿物掺合料、骨料级配及外加剂对混凝土性能的影响，建立了基于“最致密填充理论”的配比设计方法。实验研究表明，采用连续级配技术和自动配比管理系统，能显著改善混凝土的工作性能和力学性能。复合掺合料的协同作用和新型外加剂的应用，优化了混凝土的微观结构，提升了其整体性能。

1 前言

随着建筑工程技术的发展，传统混凝土已难以满足现代工程建设的需求。环保意识不强和技术工人短缺等问题，进一步凸显了改善混凝土质量的重要性。高性能混凝土通过优化配比设计和改进生产工艺，在强度、工作性、耐久性等方面具有显著优势。深入研究影响高性能混凝土性能的关键因素，对提升建筑工程质量具有重要意义。

2 高性能混凝土概述

2.1 高性能混凝土的定义及特点

依据美国混凝土学会（ACI）对高性能混凝土的定义，高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是指性能优于传统混凝土的一类新型工程材料。高性能混凝土具备优异的强度性能、弹性模数、工作性、流动性、体积稳定性和耐久性等特性。在生产制备过程中，高性能混凝土对原材料质量要求严格，粗骨料含泥量需控制在1.0%以下，泥块含量不应大于0.2%，不规则颗粒含量不应大于10%，细骨料的细度模数保持在2.7～3.0之间。高性能混凝土水胶比不大于0.45，水泥比表面积不大于360 m2/kg，胶凝材料用量不宜大于550 kg/m3，外加剂28天收缩率比不大于110%，细粒料比例不超过0.48。通过合理的配比设计和严格的质量控制，高性能混凝土可同时实现强度、工作性和耐久性等多项性能指标的提升，满足现代工程建设的高标准要求[1]。

2.2 高性能混凝土在建筑中的应用

高性能混凝土在现代建筑工程中发挥着重要作用。针对传统混凝土在设计、施工和材料质量等方面存在的诸多问题，高性能混凝土通过优化配比设计和改进生产工艺，有效提升了混凝土结构的整体性能。在环保意识日益增强、技术工人短缺、工人素质普遍下降的背景下，高性能混凝土凭借良好的工作性和施工效率，显著提高了建筑工程的施工质量。

3 高性能混凝土的配比设计原则

3.1 水泥用量与水胶比的控制

高性能混凝土的水胶比是影响其性能的关键因素。水泥用量需严格控制在合理范围内，过高会导致水化热增加，产生温度应力开裂，过低则无法保证强度发展。试验数据表明，当水胶比为0.28时，混凝土抗压强度可达85.6 MPa，坍落度为180 mm；水胶比增加至0.32时，抗压强度降至76.4 MPa，坍落度升至195 mm；水胶比达到0.35时，抗压强度进一步降低至68.2 MPa，坍落度增至210 mm。实践表明，水胶比在0.28～0.35范围内时，混凝土具有较好的工作性和强度发展。当水胶比低于0.28时，工作性会急剧下降。统计数据显示，水泥用量控制在380～420 kg/m3范围内时，混凝土综合性能最佳，可实现强度与工作性的良好平衡。

3.2 矿物掺合料的应用及其对性能的影响

矿物掺合料在高性能混凝土中起着重要作用。如表1所示，不同类型掺合料对混凝土性能的改善效果各异。粉煤灰具有良好的球形效应，可改善混凝土工作性；矿渣粉能促进水化反应，提高后期强度；硅灰因其超细颗粒特性，显著改善界面结构[2]。实践数据表明，复合掺合料的使用可使28天抗压强度提高15%～25%，同时改善混凝土的微观结构。掺合料的最佳掺量与其活性和颗粒特性密切相关，需通过性能评价确定最优配比。

3.3 骨料选择及其颗粒级配的影响

骨料的品质和级配是决定高性能混凝土性能的基础要素。研究数据显示，骨料级配类型对混凝土性能具有显著影响。连续级配骨料体系可使混凝土密实度提高8%～12%，抗压强度提升10%～15%；而间断级配骨料体系仅能使密实度提高3%～5%，强度提升5%～8%。在实际应用中，粗骨料宜采用多级配碎石，其中5 mm～20 mm粒径段的级配曲线应接近最密实曲线，以获得最优的堆积效果。细骨料选用中粗砂，其细度模数宜控制在2.7～3.0之间，可有效改善混凝土的工作性能。实践证明，采用连续级配方案不仅能提高混凝土的密实度，还能显著改善其力学性能与和易性，是高性能混凝土优选的骨料配置方案。

3.4 外加剂的选择与添加量的确定

高性能减水剂是高性能混凝土配制中的重要组分。如表2所示，不同类型外加剂对混凝土性能的影响效果存在明显差异。聚羧酸系高性能减水剂具有分散性好、减水率高等特点，在同等用量下，其减水率比传统萘系减水剂高出30%～40%。实践数据显示，外加剂的最佳掺量与胶凝材料组分及用量密切相关，对混凝土和易性、强度发展以及耐久性能产生显著影响。

4 高性能混凝土强度提升技术

4.1 水胶比的调整与控制

水胶比是影响混凝土强度的核心因素。在保证施工性能的前提下，降低水胶比可显著提升混凝土强度。如表3所示，当水胶比从0.40降至0.30时，28天抗压强度增幅在40%以上。研究发现，对于高性能混凝土，水胶比与强度之间存在明显的指数关系。当水胶比低于0.25时，强度增长趋势趋于平缓，且易产生工作性不良等问题。通过调整胶材组分和外加剂用量，可在水胶比0.28～0.32范围内获得最佳的强度与工作性平衡。

4.2 掺合料对强度的提升作用

掺合料通过物理填充和化学活性作用提升混凝土强度[3]。研究数据显示，不同类型掺合料对混凝土强度的提升效果存在显著差异：硅灰因其超细颗粒特性和火山灰反应，早期强度提升率为20%～25%，后期强度提升率为15%～20%；粉煤灰能改善混凝土的微观结构，早期强度提升率为5%～10%，后期强度提升率为15%～25%；矿渣粉具有潜在水硬性，持续促进水化反应，早期强度提升率为8%～12%，后期强度提升率为20%～30%。研究证明，采用复合掺合料可发挥协同效应，早期强度提升率为15%～20%，后期强度提升率为25%～35%，显著优于单一掺合料的增强效果。

4.3 颗粒级配的优化对强度的影响

颗粒级配优化是提高混凝土强度的重要技术手段。如表4所示，采用最密实级配理论优化骨料组成，可显著提升混凝土的密实度和强度。研究表明，粗骨料采用5 mm～25 mm连续级配，细骨料选用细度模数为2.8～3.2的河砂，可获得最佳的空隙率和堆积密度。优化后的混凝土内部结构更加致密，孔隙率降低15%～20%，界面过渡区性能明显改善，导致强度显著提升。

4.4 外加剂的类型及其对强度的提升效果

外加剂种类及用量直接影响混凝土的强度发展。研究数据表明，不同类型外加剂对混凝土强度的提升效果差异显著：萘系外加剂的7天强度提升率为15%～20%，28天强度提升率为10%～15%；三聚氰胺系外加剂的7天强度提升率为20%～25%，28天强度提升率为15%～20%；新型聚羧酸系减水剂表现最为优异，7天强度提升率为30%～40%，28天强度提升率为20%～25%。减水剂通过分散作用降低实际水胶比，增加混凝土的密实度，从而提升强度。实践证明，采用复配型外加剂可同时改善混凝土的早期强度和后期强度发展，是高性能混凝土生产中的优选方案。

5 高性能混凝土配比设计的实验研究

5.1 实验方案设计

实验采用P.O 42.5水泥、连续级配碎石、中粗河砂以及聚羧酸高性能减水剂作为基本原材料。如图1所示，通过正交试验方法设计实验配比方案，确定关键参数的取值范围。水胶比在0.28～0.35区间内设置三个水平，掺合料选用粉煤灰、矿渣粉和硅灰的复合体系，总掺量控制在15%～25%之间。外加剂掺量根据工作性要求在0.8%～1.2%范围内调整，砂率控制在38%～42%之间，以获得最佳的工作性能和强度发展。

5.2 不同配比对强度的影响实验

配比参数对混凝土强度的影响程度存在显著差异。研究数据表明，各影响因素的强度影响系数随龄期变化呈现不同规律：水胶比的影响最为显著，7天、28天和90天强度影响系数分别为0.85、0.88和0.90，呈现持续上升趋势；掺合料的影响次之，影响系数从7天的0.65增长至28天的0.75，90天时达到0.82，体现出掺合料对后期强度的重要作用；外加剂的影响系数从7天的0.45略微下降至28天的0.42和90天的0.40；砂率的影响最小，7天和28天的影响系数分别为0.35和0.32。实践表明，在最优配比组合下，28天抗压强度可达85 MPa及以上，90天抗压强度超过95 MPa，弹性模数达到42 GPa。

5.3 实验结果分析与讨论

实验结果表明，各配比参数间存在明显的交互作用。如表5所示，通过方差分析确定了各因素对强度的影响显著性。在最优配比条件下，当水胶比0.32、复合掺合料20%、外加剂掺量1.0%时，混凝土强度和工作性达到最佳平衡。强度发展规律显示，7天抗压强度可达设计强度的75%以上，28天抗压强度超过设计值10%，90天抗压强度增长率达15%，表现出优异的强度发展特性。

6 结论

通过对高性能混凝土配比设计和强度提升技术的系统研究，建立了基于最致密填充理论的配比设计方法。实验研究表明，水胶比和骨料级配是影响混凝土强度的关键因素，优化后的配比可使混凝土强度显著提升。采用连续级配技术和自动配比管理系统，在保证混凝土工作性能的同时，有效提升了其强度发展水平。复合掺合料的协同作用和新型外加剂的应用，进一步改善了混凝土的微观结构和界面特性，提高了混凝土的整体性能。在生产实践中，该配比设计方法操作性强、可重复性好，能够满足不同工程建设需求。研究成果为高性能混凝土的工程应用提供了可靠的技术支持，对提升建筑工程质量和推动混凝土技术进步具有重要的实践意义。

参考文献

[1] 李伟.高性能混凝土在建筑施工中的应用[J].居舍，2024（23）：51-53.

[2] 林燕生.谈高性能混凝土的配比设计[J].工程技术研究，2019，4（7）：100-101.

[3] 宁雪莲.高性能混凝土配比设计研究[J].房地产世界，2021（16）：6-8.