摘要：浅析高强混凝土的原材料选择和利用正交法选择C60高强混凝土最优配合比的过程。
关键词：高强混凝土 配合比 正交试验 因素
前言
随着高层建筑及大跨度的结构不断发展，对混凝土强度的要求也越来越高，采用高强混凝土可以减少结构截面尺寸、降低结构自重和减轻地基基础的负荷。但是由于高强混凝土对原材料要求高实际施工中质量不易控制，因此我国对高强混凝土应用并不广泛。根据合肥市建委相关专家调查统计，合肥目前绝大多数使用的仍是普通强度等级混凝土，C55以上等级的高强混凝土应用还不到1%。而全国高强混凝土平均应用比例也仅为6%左右。因此在我国高强混凝土技术的应用的推广势在必行，下面本人浅析利用正交法配制高强混凝土过程。
1.原材料的选择
1.1水泥
水泥品种通常选用强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和早强型硅酸盐水泥。本试验选用铜陵海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，该品牌水泥质量稳定、富余强度高。水泥的安定性、标准稠度凝结时间和细度等指标均符合GB175-2007规定。
1.2骨料
1.2.1细骨料
砂宜选用质地坚硬级配良好的河砂，为避免因砂过细导致拌和物的坍落度减少，细度模数要大于2.6。泵送混凝土还要求0.315mm筛孔的通过量不应少于15%，0.16mm筛孔的通过量不应少于5%。砂中不容许有泥块存在，必要时要冲洗后使用。本试验采用的细度模数为2.8的天然河砂级配良好，表观密度为2.65×103 kg / m3，堆积密度1.45 ×103kg / m3，含泥量、泥块含量等满足JGJ52-2006规定。
1.2.1粗骨料
配制高强混凝土在原材料选择上与普通混凝土最大的区别是必须选用压碎指标小于10%以下的碎石或卵石，粒径要小，且级配良好，有利于改善拌和物性能和提高混凝土质量。本试验采用天然石灰岩碎石，压碎指标6%，粒径为5~20连续级配，针片状含量3%，含泥量、泥块含量等均满足JGJ52-2006规定。
1.3外加剂
配制高强混凝土选用外加剂原则是：有较大的减水率、较高的增强率，无引气性或引气性极低。本试验采用YS-2高效减水剂各项指标均满足GB/T8076-1997的规定，并在使用前与水泥做低水灰比下的相容检测。经反复试验调整YS-2高效减水剂的最佳掺量为2%，减水率为16%。
1.4掺合料
粉煤灰在高强混凝土中作用是利用其内含物质润滑作用降低水灰比，以及细粉末填充效应和火山灰活性效应，提高混凝土强度和改善综合性能，掺量一般控制在15%~30%。本试验选用淮南坪圩电厂Ⅰ级粉煤灰，其细度、烧失量、需水比均满足GB1596-2005规定。
2.配合比设计
原材料选择是得到高强混凝土的前提和基础，而合理的确定高强度混凝土的配合比是保证高强混凝土达到设计要求的另一个方面。混凝土配合比设计实际上就是对各种原材料在单位体积内的用量进行计算和掺配。
2.1基准水灰比的确定
高强混凝土水灰比的计算不能简单的采用普通混凝土的强度公式，应根据试验资料进行统计，在没有统计资料情况下一般C50~C60不低于1.15倍的强度等级，C70~C80不低于1.12倍的强度等级，水胶比控制在0.25~0.42。通过初步试验数据分析确定C60基准水胶比为0.37。2.2砂率的确定
高强混凝土砂率一般非泵送砼砂率控制在：28%〜34%，泵送：34%〜44%。本试验用36%、38%、40%三种进行正交试配。
2.3正交试验确定配合比
本试验目标是配制C60高强混凝土，要求指标不单是强度，还要突出工作性能和耐久性。配制方法是使用海螺牌P.O42.5级水泥、YS-2高效减水剂和淮南坪圩电厂Ⅰ级粉煤灰，通过正交优化处理找出最优配合比。
2.3.1初步确定三因素
三因素水平表 表1
|
因素 |
水胶比 |
粉煤灰（%） |
砂率（%） |
|
1 |
0.39 |
15 |
36 |
|
2 |
0.37 |
20 |
38 |
|
3 |
0.35 |
25 |
40 |
2.3.2采用相应的正交表安排试验
由于是三因素水平，故选择L934正交表安排试验，试验结果一并列入表2
正交试验设计分析表 表2
因素
试
验号 |
水胶比 |
粉煤灰 |
砂率 |
空列 |
28天抗压强度（MPa） |
坍落度T(mm) |
扩展度K(mm) |
综合指标 |
|
A |
B |
C |
D |
|
1 |
1（0.39） |
1（15%） |
1（36%） |
1 |
58.5 |
205 |
450 |
304 |
|
2 |
1（0.39） |
2（20%） |
2（38%） |
2 |
65.0 |
215 |
480 |
321 |
|
3 |
1（0.39） |
3（25%） |
3（40%） |
3 |
65.3 |
210 |
500 |
324 |
|
4 |
2（0.34） |
1（15%） |
2（38%） |
3 |
78.3 |
210 |
470 |
314 |
|
5 |
2（0.37） |
2（20%） |
3（40%） |
1 |
80.3 |
215 |
500 |
328 |
|
6 |
2（0.37） |
3（25%） |
1（36%） |
2 |
80.9 |
210 |
500 |
324 |
|
7 |
3（0.37） |
1（15%） |
3（40%） |
2 |
79.8 |
210 |
500 |
324 |
|
8 |
3（0.35） |
2（20%） |
1（36%） |
3 |
78.2 |
210 |
500 |
324 |
|
9 |
3（0.35） |
3（25%） |
2（38%） |
1 |
81.3 |
200 |
500 |
316 |
|
KR1 |
188.8 |
239.5 |
239.3 |
|
|
|
|
|
|
KR2 |
216.6 |
223.5 |
227.5 |
|
|
|
|
|
|
KR3 |
217.6 |
224.6 |
225.4 |
|
|
|
|
|
|
RR |
28.8 |
16.0 |
13.9 |
|
|
|
|
|
|
KW1 |
949 |
966 |
964 |
|
|
|
|
|
|
KW2 |
942 |
973 |
964 |
|
|
|
|
|
|
KW3 |
952 |
951 |
976 |
|
|
|
|
|
|
RW |
10 |
22 |
12 |
|
|
|
|
|
由上表可知对于抗压强度，从极差RR分析来看，影响顺序依次为：水胶比、粉煤灰掺量、砂率，最佳组合为A3B3C2;对于工作性，从极差RW分析来看，影响顺序依次为：粉煤灰掺量、砂率、水胶比，最佳组合为A1B2C1。下面图1和图2分别是因素的强度和工作性趋势图，两图也证实了极差分析的正确性。
由于该配合比设计首先要求的是强度达到C60，因此综合得到的配合比为A3B3C1。因此确定水灰比为0.35、粉煤灰掺量为25%、砂率为36%。
2.4配合比验证
由于高强混凝土设计配合比确定后还应用该配合比进行不少于6次的重复度验进行验证，要求其平均值不应低于配制强度，因此我们对该配合比进行了8次重复试验验证，其结果见表3。
重复验证强度试验结果 表3
项目
序号 |
7天强度（MPa） |
28天强度（MPa） |
60天强度（MPa） |
坍落度（mm） |
|
1 |
40.1 |
73.5 |
89.2 |
210 |
|
2 |
42.2 |
75.2 |
90.1 |
205 |
|
3 |
40.5 |
70.5 |
88.6 |
215 |
|
4 |
41.8 |
72.3 |
92.3 |
210 |
|
5 |
43.0 |
74.8 |
85.1 |
210 |
|
6 |
46.2 |
74.1 |
88.6 |
200 |
|
7 |
42.8 |
70.5 |
87.9 |
215 |
|
8 |
40.9 |
70.0 |
86.1 |
215 |
|
平均值 |
42.2 |
72.6 |
88.5 |
210 |
通过以上8组重复验证试验结果表明：其最小值及平均值均高于设计强度，在试验中发现工作性能良好，因此，该配合比符合高强混凝土配制要求，可以用于实际工程中。
3.结束语
高强混凝土的配制技术要求较严格，对各种原材料质量和用量均有较严格要求，要想获得优质的高强混凝土，首先必须对原材料进行优选。除了强度要求外，还必须要求有良好的工作性能和质量的稳定性，即在施工期内主要控制项目的性能不能产生较大的波动。其次，一些在普通情况下不太敏感的因素，在低水灰比的情况下会变的相当敏感，这就要求在配合比设计时必须对各种原材料、外加剂、掺合料及砂率应通过优化组合选最优配合比。由于普通组合试验次数太多，耗费时间和精力，因此正交法优选配合比时显得相当省时、省力、省材料，且得出的结果能合理反映客观情况。个人认为正交法在高强混凝土配合比试验中值得推广。
(1)《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.
(2)《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2003)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
(3) 张应立.《现代混凝土配合比设计手册》[M]. 北京：人民交通出版社，2002.
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