林政 李欢欢 林莺 冯圣清

上海地区自90年代开始因工程需要，商品混凝土等级逐步发展到C60及C80。但C25～C35混凝土强度等级的普通混凝土仍占整个商品混凝土供应总量的80％～90％，其中C30混凝土约占70％左右。如何使普通商品混凝土高性能化，这是一项非常具有战略意义的研究课题。本文着重对C30商品混凝土实现高性能化的途径作一探索。

一、 试验用材料

1. 水泥（C）：42.5级P.O，R28＝56.5 Mpa，标准稠度用水量26.8％，上海水泥厂生产。

2.矿物掺合料：S95矿渣微粉（SL）及优质粉煤灰（F）物理性能及化学成分见表1、表2。

表1 矿物掺合料物理性能

注：优质灰的活性指数即是按GB1596－91测定的抗压强度比。

表2 矿物掺合料化学成分（％）

3.集料：砂（S）及碎石（G）物理性能见表3。

4.混凝土外加剂：FLE-2（萘系复合型）、自制，其性能见表4。

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表3 集料物理性能

表4 FLE-2性能

二、 关于C30普通商品混凝土高性能化途径的思考

国内混凝土的水平与国外相比，主要差距表现在单方混凝土的需水量要比先进国家高30kg/m3以上[1]，上海地区普通混凝土用水量一般在195～220kg/m3，远大于配制高性能混凝土用水量的规定。因为多数搅拌站均采用普通型外加剂及粉煤灰的双掺技术来配制普通混凝土。若采用高效减水剂，混凝土成本必然上升。由于我国普通混凝土配合比设计规程中未限制最高混凝土用水量，各搅拌站从经济性角度考虑，一般均选用较大用水量来配制普通商品混凝土。显见上海地区混凝土用水量不能降低的原因是经济性问题。

我国已故科学家吴中伟院士对高性能混凝土做如下定义：高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是以耐久性作为设计主要指标的采用现代化混凝土技术制作的混凝土。针对不同的用途，对下列性能应有重点的予以保证，即耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性[2]。我们认为，过程和结果要加以区别，其间的逻辑关系见图1。

图1 配制高性能混凝土逻辑图

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高性能混凝土的制备首先是新拌混凝土在满足各种生产工艺的高施工性基础上，实现硬化混凝土的体积稳定性及耐久性，并在同时具有经济合理性的条件下才有实用性。因为新拌混凝土的高施工性与硬化混凝土体积稳定性及耐久性之间没有必然的联系，因此，吴中伟院士指出同时保证上述诸性能的混凝土才是高性能混凝土。关于HPC的强度，吴中伟院士认为，应将欧美对HPC强度的低限50MPa降低到C30左右，原则是不损及混凝土的内部结构、水化物结构与界面结构等，以保证耐久性与体积稳定性[3]。

上海地区普通商品混凝土均采用泵送工艺。新拌混凝土入泵坍落度一般为140～180mm（个别工程为200mm）。基于上述对高性能混凝土的理解，本文设想结合国情，就地取材。其实混泥土加气块 。通过精心设计，使新拌混凝土坍落度在符合泵送工艺的要求前提下（不追求大坍落度与扩展度）兼有适宜的均匀性。以混凝土耐久性为设计主要目标，在不增加混凝土成本前提下使C30混凝土实现高性能化。

三、复合矿物掺合料组成设计

为了改善水泥石孔结构、水化物结构及界面结构，采用矿物掺合料是配制高性能混凝土不可缺少的技术手段。上海地区普通商品混凝土中均采用粉煤灰作为基本掺合料，掺量一般为胶结料的15～22%之间。在新拌混凝土中它主要起着调整粘度的作用；在混凝土泵送过程中，它发挥着良好的微珠效应；而在硬化过程中，它的火山灰效应又能降低水泥用量。因而在配制高性能混凝土中，由于粉煤灰具有价廉物美的功效，无论从技术性还是经济性考虑，均不能排斥将粉煤灰作为矿物掺合料的基本组份之一。由于材料复合化是材料进化的主要途径之一，本文采用S95矿粉与优质灰配制复合矿物掺合料。

表5 试验因素水平表

注：B指胶结料总量，下同。

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为了达到水泥基材的高性能化，在水泥中掺入各种不同粒径和粒度分布的矿物掺合料，既能提高硬化后的性能又能提高浆体的流动性。其核心问题就是获得水泥基材料的密实填充结构[4]。为使S95矿粉与优质灰之间取得最佳匹配组合，采用L9（34）正交方案进行砂浆试验(ISO法)。水平因素见表5，试验结果见表6，极差分析结果见表7。

表6 L9（34）试验结果

注：φ为砂浆跳桌扩散度。

表7 L9（34）极差分析

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由正交试验结果可知：

1、 影响砂浆强度的主要因素是矿渣微粉与优质灰总和占胶凝材料的百分率，其次是矿渣微粉与优质灰的掺入比例。但两者无显著差异；

2、 影响砂浆扩散度的显著因素是矿渣微粉与优质灰的掺入比例；

据以上分析可知，当矿渣微粉与粉煤灰的比值为2时（简称SF复合矿物掺合料），水泥基材料获得较密实的填充结构，反映在砂浆强度最高。

四、C30高性能混凝土配方设计参数的确定

1、混凝土水胶比的确定

C30高性能混凝土水胶比的确定，除根据混凝土配制强度与水胶比间的回归方程式外，还需根据混凝土耐久性的要求来制定。用上述正交试验确定的SF复合矿物掺合料，通过有限的试验数据（见表8）建立混凝土强度与胶水比回归方程如下：

表8 混凝土胶水比与抗压强度关系试验结果

fcu,28d=16.68 +7.88 （1）

查相关系数检验表，给定检验水平α＝0.01，自由度υ＝4时的临界值γα＝0.9172

计算相关系数|γ|=0.933，相关性良好。

据公式（1）由C30混凝土配制强度即可算出适宜的水胶比。但对于C30高性能混凝土配制强度不能单纯按JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》计算，需要考虑下列三项因素：

1. 混凝土工程多按非统计方法评定。应以1.15fcu,k作为混凝土配制强度的基准

值；

2. 掺有复合矿物掺合料混凝土的生产强度较试验室强度约降低8%左右；

3. 掺有复合矿物掺合料的混凝土，由于二次水化反应的技术效果，对水泥品种、

矿物成分及温度的影响较敏感，σ波动值较普通混凝土大。

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为此，我公司采用下式作为混凝土配制强度的计算公式：

fcu,o≥1.24fcu,k+1.28σ （2）

式中：看看加气块砌筑方案 。 fcu,o——混凝土配制强度；

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；

σ—— 混凝土强度标准差（Mpa）

关于σ值，我公司根据2000年C30普通混凝土强度统计结果，σ值波动在2.9～3.3Mpa 区间，在普通混凝土中取值3.5 Mpa，当今对于掺有复合矿物掺合料的高性能混凝土，你知道90后创业。σ暂取值4.5 Mpa。按公式（2）可算出C30高性能混凝土配制强度为43 Mpa。按混凝土强度正态分布计算，可知低于C30混凝土设计强度等级的概率为1.3%，低于1.15fcu,k的概率为10%，能较好地满足工程验收要求。从满足C30高性能混凝土强度角度考虑，由混凝土配制强度为43 Mpa及公式（1）可算得混凝土适宜水胶比为0.47。

中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土定义为以耐久性和可持续发展为要求并适合工业化生产与施工的混凝土。与传统的混凝土相比，这种高性能混凝土在配合比上的特点是降低用水量（水与胶结料总量之比低于0.4，或至多不超过0.45），较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外的必需组分[5]。

根据Powers资料，水泥需要0.437倍水泥重量的水才能完全水化，当水灰比小于0.4时。水化不完全[6]，一般认为当水灰比小于0.38时，要掺入比表面积大于600m2/kg的超细掺合料（上海市场尚未有供应），才能使水泥基材获得良好的致密作用。但上海地区能适合工业化生产与施工所需而能供应的矿物掺合料，除优质粉煤灰外，仅是比表面积为450±30m2/kg的S95矿粉。为了解该矿粉的性能，我公司对已掺有适量粉煤灰掺量的普通混凝土作为基准配方，用S95矿粉等量取代30%水泥，发现水胶比小于0.45时，矿粉的技术效果下降（见试验结果表9）。据此，从混凝土耐久性角度及S95矿粉的技术效果考虑本试验最终确定C30高性能混凝土水胶比为0.45。

表9 S95矿粉在普通混凝土中的技术效果

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2、混凝土用水量的确定

美国学者梅塔等根据经验，设定HPC中水泥浆与集料的体积比为35：65，并对不同强度设定用水量，使选定开始试配的配合比大为简化[3]。一般在混凝土配合比设计中空气含量取1%计算，因此在混凝土中，水泥基材的浆体体积实为340L。据此可推得用水量(W)计算公式为：

W = （3）

式中： M——水胶比；

γB——胶凝材料密度（g/cm3）

采用SF掺合料，当掺量为40～50%时，蒸汽加气块 。胶凝材料密度为2.80～2.87 g/cm3区间，按水胶比为0.45计算，由公式（3）可算出混凝土用水量为190～192 kg/ m3.

参照日本有关规定，单方混凝土用水量为175~ 185kg/m3的混凝土属于耐久性混凝土 [7]，据知日本是以饱和面干状态集料为基准，而我公司用水量的确定是以气干状态集料为基准。对本试验选用的集料进行饱和面干含水率测定：砂为0.8 %，碎石为1.16 %；而气干状态的含水率经测定为：砂为0.2％，碎石为0.4％。据此结果可算得本试验所确定的用水量190～192 kg/m3相当于日本的180～182 kg/m3，属于耐久性混凝土。

3、砂率的确定

高性能混凝土砂率的确定有多种假设理论。有砂石最小混合空隙率理论[8]、干砂浆填充石子空隙理论的全计算法[9]及黄氏致密配比法[10]等。而我们认为选取高性能泵送混凝土砂率，不仅要考虑砂石级配的致密性，还要考虑新拌混凝土的流变特征。从配制饱和的泵送混凝土考虑，除砂石适宜比例外，还需满足砂浆体积为580～650L。因此高性能泵送混凝土砂率的选择只有通过试拌才能获得最佳结果。试验结果见表10。

试验结果表明砂率为0.41时，新拌混凝土工作性能最好。由试验结果可以发现新拌混凝土的工作性，创业 我们的故事。不取决于砂石混合空隙率的变化，而主要是当砂率为0.41时，砂浆的粘度处于最适宜状态，亦即粗集料在砂浆中有较佳的悬浮能力。此外进一步分析可发现，本试验所选用的碎石空隙率虽较大（47.5%），但在水泥基材料具有较密实填充结构及适宜调整砂率的共同作用下，新拌混凝土仍能获得良好的工作性。

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表10 砂率对新拌混凝土性能的影响

五、C30高性能混凝土的配制

一般认为，配制高性能混凝土因所用原材料价格与生产管理水平的提高，混凝土造价将提高50%左右[3]。本试验设想与C30普通混凝土相比，在不提高混凝土成本的基础上探索实现高性能化的可能性。参照对象——C30普通混凝土，设计坍落度为180±20mm。其设计参数及有关试验数据、单价见表11：

表11 C30普通混凝土试验结果

表12 C30高性能混凝土配制试验结果

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C30高性能混凝土是根据耐久性确定水胶比为0.45。由于掺有复合矿物掺合料配制的混凝土，其强度，除取决于水胶比外，还取决于复合矿物掺合料的掺量及矿渣粉与优质灰的比例。按照HPC设计原则及前述确定的设计参数，配制C30高性能混凝土试验结果见表12。

由表12可知：

1.随着SF复合矿物掺合料（SL/F=2）掺量的增加，混凝土单价下降。当SF掺量为50%时，新拌混凝土性能较普通混凝土为好，混凝土强度较高，满足大于43Mpa高性能混凝土配制强度要求，而且混凝土单价较普通混凝土降低2.1元/m3。

2.在复合矿物掺合料掺量固定为50%情况下，调整矿渣粉与优质灰的比例，发现用ISO砂浆通过胶结料组成优化设计确定的SF复合矿物掺合料掺入混凝土试验中，虽然掺量增大至50%，且有混凝土外加剂共同工作状况下仍不失为最佳组成比例。由表12试验结果进一步可发现，调整矿渣粉与优质灰的比例在1.35～1.7状况下，降低混凝土成本尚有一定潜力。

3.根据表12试验结果，本试验确定编号D 配方为C30高性能混凝土配方组成。

六、有关C30高性能混凝土耐久性问题的讨论

高性能混凝土的渗透性很低，耐久性比普通混凝土高很多。渗透性是控制混凝土耐久性的关键性能，对处于某些暴露条件工作的混凝土来说，靠近表面的渗透性对于其长期耐久性的好坏起决定作用。表13列出了按D配方配制的C30高性能混凝土基本力学性能及抗渗性测定结果。

表13 C30高性能混凝土的物理力学性能

表13结果说明由D配方配制的C30高性能混凝土物理力学性能良好，尤其混凝土抗渗性及劈拉强度较普通混凝土为高，从试件劈裂后的粗集料的界面观察，未发现有氢氧化钙富集现象。由于本研究的C30高性能混凝土，其使用环境是针对暴露

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于大气中的上部结构混凝土，因此混凝土的抗裂性与抗碳化性能的研究是一项需要重视的课题。

从国内外文献中一般认为低水胶比（≤0.4）的混凝土属耐久性混凝土，对于水胶比为0.45的混凝土能否属高性能混凝土？国内报道较少。从国外资料报导中看到，美国ACI211委员会颁布的《使用粉煤灰和硅酸盐水泥的高强混凝土配合比设计指南》，在第3.2条文水胶比（W/C+P）中提到，化学外加剂和其他胶凝材料的使用，通常对生产低水胶比可浇筑混凝土来说是必不可少的，高强混凝土典型的W/C+P在0.25～0.5之间。又如美国弗吉尼亚的HPC桥面板的文献中阐述：用于桥面板的低渗透性是混凝土通过采用低水胶比（0.45或更低）和掺用火山灰质材料（粉煤灰或硅粉）或矿渣而实现的[11]。可见美国无论对高强混凝土还是高性能混凝土中的水胶比不局限于小于0.4。

从混凝土抗裂性角度衡量，由D配方配制的C30高性能混凝土，是采用SF复合矿物掺合料。由于复合矿物掺合料较单种矿物掺合料可以明显降低水化放热量、水化放热速率，推迟达到最高温度的时间[14]，大大提高了因水化热而引起的抗裂性。此外D配方混凝土水胶比为0.45，能充分发挥水泥水化和矿物掺合料二次水化反应的技术效果，基本不存在混凝土因自收缩开裂或硬化过程中“自伤”的性能。因此对D配方混凝土，主要需要讨论的是混凝土抗碳化性能。

混凝土抗碳化性取决于混凝土水胶比及矿物掺合料的掺量。对采用复合矿物掺合料配制的混凝土还取决于矿粉与粉煤灰的比例。因为混凝土中存在着连续的贯通的毛细孔，在硬化过程中可以自行封闭起来，降低水胶比，可以将毛细孔封闭时间提前[15]。所以低水胶比有利于混凝土抗碳化性的提高。D配方混凝土水胶比为0.45，较普通混凝土低0.05，这有利于毛细孔封闭时间的提前，混凝土抗碳化能力的增强。

复合矿物掺合料的掺入，能降低混凝土孔隙率，并能使孔结构细化。一方面，它能降低混凝土渗透性，使碳化速度减慢；但另一方面，由于混凝土中水泥比例减少，会增加混凝土碳化速度，因此，复合矿物掺合料的掺量控制是技术关键。

粉煤灰是贫钙的硅铝酸盐矿物材料，S95矿粉是富钙的硅铝酸盐矿物材料，两者复配于混凝土中，则在水化过程中析出的钙离子应能相互调节。由于SF复合矿物掺合料中矿粉是粉煤灰的二倍，故其中钙离子含量远远大于单掺粉煤灰，因为提高碱储备可提高混凝土抗碳化性[12]，故其抗碳化性得到增强，上海同济大学在研究成果[15]

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中认为，使用粉煤灰与矿渣粉复掺技术可显著缓和单粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，这进一步说明D配方采用SF复合矿物掺合料的技术路线是正确的。

关于复合矿物掺合料掺量的控制，文献[15]认为。对设计寿命50年的混凝土从碳化角度考虑，若采用II级粉煤灰与矿渣粉复掺，则在掺合料总量分别为60％、70％及80％时相应可掺加40％、30％及15％的II级粉煤灰。由于SF掺合料总量控制50％，且其中的粉煤灰是选用较II级粉煤灰有利于抗碳化能力提高的优质灰，其掺量仅为16.7％。显见其抗碳化能力应是较好的。此外，吴中伟院士在提到细掺料复合化的几种方案中，其中之一亦是以矿渣为主，粉煤灰20％为宜[13]，基本与SF掺合料组成相吻合，因此我们认为采用D配方配制的C30高性能混凝土在抑制混凝土抗碳化速度方面是能满足高性能混凝土的要求的。

七、结 语

1、通过胶结料组成优化设计，确定复合矿物掺合料适宜组成，并按美国学者梅塔的HPC设计原则，合理确定C30混凝土设计参数，使C30普通混凝土实现高性能化的技术途径是可行的。

2、在水胶比为0.45，采用复合矿物掺合料掺量为50%的状况下，可以实现在不提高混凝土成本前提下使C30混凝土高性能化。

参考文献

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[2] 廉慧珍、路新瀛，我国混凝土工程发展中的几个问题，建筑技术，2001⑴，PP.10～14

[3] 吴中伟，高性能混凝土——绿色混凝土，混凝土与水泥制品，2000⑴，PP.3～6

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[11] Celik Ozyidirim 弗吉尼亚的HPC桥面板、高强与高性能混凝土译文集（第五册），清华大学土木工程建材教研室编，2000

[12] 钱觉时、孟志良、张兴元，大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究，重庆建筑大学学报，1999⑵，PP.5～9

[13] 吴中伟，高性能及其矿物细掺料，建筑技术，1999⑶，PP.160～163

[14] 胡曙光、张云升，高性能混凝土水化热的研究，全国混凝土行业论文集，1998～1999，PP89～93

[15] 王培铭、朱艳芳、计亦奇、沈中林，复掺粉煤灰和矿渣粉的大流动度混凝土的抗碳化性能，2001

1．林政，工程师，上海隧道股份混凝土搅拌总站，

2．李欢欢，助理工程师，上海隧道股份混凝土搅拌总站，

3．林莺，高级工程师，上海隧道股份混凝土搅拌总站，

4．冯圣清，高级工程师，上海隧道股份混凝土搅拌总站，