高性能混凝土配合比设计优化与质量控制措施探讨.pdf

-17-第7 期高性能混凝土配合比设计优化与质量控制措施探讨张惠敏（国投工程检验检测有限公司，云南 昆明 650200）【摘要】以预制高性能混凝土为目标，进行其配合比的优化设计与质量控制，提高混凝土预制阶段的和易性、流动性，增强硬化混凝土结构的密实度、强度，以及混凝土工程投入使用后的耐久性、抗冲击性、耐腐蚀性与抗冻性，从而获取最佳的混凝土工程施工效益。论文针对高性能混凝土配合比设计，进行了水泥、粗细骨料、粉煤灰与矿粉等原材料选用标准和质量控制措施分析，同时就用水量、外加剂掺入量、矿物掺和料掺入量等进行了分析，最终达到提升高性能混凝土预制质量的目的。【关键词】高性能混凝土；混凝土配合比；配合比设计；质量控制【中图分类号】TU528【文献标志码】A【文章编号】16713702（2023）070017050引言混凝土配合比设计及质量控制措施影响着混凝土工程施工的质量与效率，而高性能混凝土配合比设计优化，涉及到混凝土预制的原材料，如水泥、粗细骨料、外加剂、粉煤灰等。在设计优化中准确选用原材料的类型，严格控制原材料的质量、技术参数，并根据混凝土工程的类型及对混凝土质量的标准要求，进行高性能混凝土配合比设计优化，对于混凝土预制质量的提升有着积极影响。1高性能混凝土配合比设计前期准备混凝土拌合站作为高性能混凝土预制场所，其管理模式、机组技术水平、场地条件等，影响着混凝土预制的质量，也是高性能混凝土配合比设计优化的前提条件。因此，为了确保混凝土生产过程可控，应做好以下三个方面的准备。采用工序管理模式，从原材料阶段作者简介：张惠敏，女，工程师，研究方向为土木工程。Design Optimization and Quality Control Measures of High Performance Coagulant Mix ZHANG Huimin（SDlC Engineering Inspection and Testing Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650200，China）Abstract：Aiming at precast high performance concrete，the optimal design and quality control of its mix ratio are carried out to improve the workability and fluidity of precast concrete，enhance the compactness and strength of hardened concrete structure，and the durability，impact resistance，corrosion resistance and frost resistance of concrete engineering after it is put into use.so as to obtain the best construction benefits of concrete engineering.Aiming at the mix design of high performance concrete，this paper analyzes the selection standards and quality control measures of raw materials such as cement，coarse and fine aggregate，fly ash and mineral powder.At the same time，it analyzes and discusses the water consumption the amount of admixtures and the amount of mineral admixtures，and finally achieves the purpose of improving the precast quality of high perform and concrete.Keywords：high performance concrete；concrete mix ratio；mix ratio design；quality controluality Management2023年第41卷第7期质量管理Q-18-工程质量第41卷uality Management质量管理Q开始进行质量管控，预制混凝土的各种原材料、外加剂等之间相互作用影响，需根据混凝土工程施工的要求，严控材料质量及用量，以及计量阶段、搅拌阶段、出场阶段等，针对混凝土预制不同阶段，明确管理的要点，以为对高性能混凝土配合比设计优化提供基础支撑；机组技术标准要求，混凝土拌合站应具备精确计量能力，按照一站双机的标准进行配置，具有自动化称量与偏差调整设备，砂石料秤、水秤、粉料秤、粉料罐、骨料料斗等按需配置齐全；拌合站场地条件，原材料分类堆放场地需充足，满足粉料罐设置需要，空间布局应科学合理，建立拌合站良好的运行秩序。此外，良好的施工管理是实现高性能混凝土配合比设计保证率的关键，在高性能混凝土生产、运输、工程施工与养护等过程中，采取标准化、制度化、规范化的管理机制，以保证配合比设计优化的顺利落地，实现配合比设计优化的价值。2原材料设计及质量控制措施2.1水泥设计及质量控制高性能混凝土选择使用的是烧失量较小、胶砂强度富余系数较高的低碱水泥，如果胶砂系数不够，可适量添加胶材。水泥化学组分主要有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等，其中硅酸三钙是混凝土早期强度的来源，水化较快，早期强度高；硅酸二钙影响着混凝土后期强度，水化反应与硅酸三钙相比较慢，凝结硬化速度慢，早期强度低，后期强度增长较快；铝酸三钙水化速度快，如果在配合比设计阶段没有添加缓凝剂，会使混凝土出现急凝现象，早期强度生成速度快，一般情况下 3 d 就可达到最大强度，后续强度几乎处于稳定状态，有可能出现倒缩问题1；铁铝酸四钙，水化速度低于硅酸三钙，但高于硅酸二钙，早期强度发展速度较快，后期还会增长，抗冲击性良好。基于水泥化学组分的以上特性，相同类型的水泥，如果以上化学物质的含量不同，其水化速度、早期强度、后期强度、干缩程度、水化发热量等均存在一定的差异，决定着混凝土的抗裂性、抗冲击能力、耐腐蚀性等。在水泥设计配合比优化阶段，减少铁铝酸四钙、铝酸三钙、三氧化硫的含量，将碱含量控制在 0.6%以下，铝酸三钙配合比控制在 5%5.5%，三氧化硫不可超过 2.0%。如果混凝土等级在 C40 以上，且存在碱-硅反应，碱含量不可 0.5%。2.2粉煤灰设计及质量控制2.2.1粉煤灰参数粉煤灰水化放热量小，具有减水作用，替代黏土用于生产水泥熟料，不但可改善混凝土混合料的和易性、流动性与保水性，还可减少水泥的水化热反应，提高混凝土的密实度与抗渗性。但也存在应用的负面作用，如早期强度低、强度发展缓慢，掺入量越多，混凝土的早期强度就越低。在混凝土配合比设计优化过程中，需根据混凝土工程的不同进行粉煤灰各项参数的控制。如普通的钢筋混凝土结构，在一般环境下，选择使用 级低钙粉煤灰，烧失量4.0%，需水量比100%，最好控制在 95%以下；在冻融施工条件下，粉煤灰的细度14.0%，烧失量3.0%，7 d 活性指数75%，28 d 超过 85%。如果是预应力钢筋混凝土结构，在一般环境下，选择使用 级低钙粉煤灰，烧失量2.0%3.0%，需水量比90%；在冻融施工条件下，粉煤灰的细度8.0%，烧失量3.0%，7 d 活性指数 80%，28 d 在 90%2以上。2.2.2关注烧失量与需水量烧失量和需水量是粉煤灰在高性能混凝土配合比设计优化中较为关键的两项参数，在两项参数符合配合比设计要求的情况下，细度参数可以适当放宽要求。粉煤灰的烧失量与含碳量、需水量成正比，烧失量越大减水效应就越好。所以在选择使用粉煤灰时应重点关注这两个参数。混凝土预制使用的粉煤灰主要来源于火电厂，其制粉技术、燃烧技术水平，影响着粉煤灰的细度与含碳量，在选择粉煤灰时应将其生产源头纳入配合比设计优化的考虑范围。2.2.3进场质量控制为了保证粉煤灰的质量，在粉煤灰进场阶段，针对每一批进场的粉煤灰，进行烧失量、需水量、细度检测，从源头杜绝不合格粉煤灰进入混凝土拌合站。按照 3 d、7 d、28 d、35 d、60 d 的频次，检测粉煤灰的活性指数，摸清强度增长规律，当 28 d 检测活性指数60%，且随着粉煤灰龄期的增长，活性指数逐渐下降，当烧失量0，密度3.0 g/cm3 时，判定粉煤灰质量不合格3。-19-第7 期2.3矿粉设计及质量控制在高性能混凝土配合比设计中通常选择使用的是 S95 等级以上、低钙、低需水量的优质矿粉。矿粉的细度与活性指数成正比，在掺入量适宜的情况下，混凝土可达到最佳强度，如果掺入量过高，则易引发混凝土收缩裂缝。为了保证矿粉的质量及混凝土的高性能，矿粉需是大型立磨生产，烧失量1.0%，氯离子含量0.02%，流动度比96%，矿粉表面积 410430 m2/kg，活性指数 7 d80%，28 d 96%。在矿粉进场阶段，与粉煤灰采取相同的质量控制措施，针对每批进场的矿粉，进行矿粉以上关键参数的检测，从源头严把矿粉质量关。2.4外加剂设计及质量控制2.4.1减水剂减水剂选用聚羧酸系高性能减水剂，在配合比设计优化中，根据现行的 GB/T 80772012混凝土外加剂匀质性试验方法 的标准要求，进行减水剂与混凝土混合料的相容性试验，测定减水率、砂浆流动度，以精确计算出掺入量。其中减水率需35%，流动度损失值控制在 15 mm 以下，如果流动度超出该值，评估相容性后进行掺入量的调整，然后再次进行试验，直至达到相容性要求为止，最后确定减水剂的设计掺入量。2.4.2引气剂如果混凝土配合比设计是用于建筑主体结构施工，还需在混凝土中添加引气剂，按照引气剂水为 1 99 的比例进行稀释，掺入量需根据现场施工条件进行确定，通常是胶材总量的 0.01%0.02%4。2.4.3质量控制在减水剂各项参数符合配合比设计要求的基础上，还需在减水剂进场之前，进行减水剂与施工胶材、细骨料的相容性检测，并严格控制混凝土的含气量，以存在均匀微观气泡为质量合格标准，检测含气量值需在 3.0%以下。混凝土坍落度及含气量在 0.5 h 以内，坍落度变化量8 mm，含气量变化0.3%，1 h 则是20 mm 和0.6%。在实际的施工中，根据施工现场与环境的实际状况进行外加剂的质量管理，如专门在现场设置搅拌设备，使混凝土原材料与减水剂充分均匀混合，在存储过程中冬季保暖、夏季防晒，防止减水剂理化性能发生改变。2.5细骨料设计及质量控制2.5.1细骨料选用标准细骨料可选择使用的有天然河砂、机制砂、混合砂等，质地与粒径大小均匀、洁净、有害杂质少，含泥量3.0%，云母含量2.0%，轻物质含量1.0%，硫化物含量1.0%。粗砂细度模数 3.73.1，中砂 3.02.3，细砂 2.21.6。砂的颗粒级配与粗细程度是配合比设计优化中需要重点关注的内容，如果粗粒径砂含量过高，为了减少空隙率，可适量添加中粒径砂与细粒径砂。如果自然河砂的级配较差，可人为调整粗砂与细砂比例，或是过筛去除自然砂中过粗或过细的砂，以确保细骨料级配达标。2.5.2河砂河砂的细度模数需根据混凝土的等级进行选用，混凝土等级小于 C25，细度模数为 2.52.6；C30C45为 2.72.8；大于 C50 为 2.93.0。当河砂不符合以上标准时，人工进行调整。累计筛余控制也是保证配合比设计质量的关键，筛孔尺寸 10 mm 时，累计筛余 0%，5 mm 是 10%0%，0.6 mm 为 68%70%，0.3 mm 为85%90%，0.15 mm95%。采用以上累计筛余标准，砂的总表面积较小，在减少水泥用量的同时，提高混凝土的密实度与强度。2.5.3机制砂机制砂由工厂标准化生产，粒径一致性良好，但在选用机制砂时，同样是根据混凝土的等级进行机制砂细度模数的控制，具体标准如下，C45 以下等级，细度模数 2.82.9，石粉含量为 5%7%，C 50 至 C 55 等级，分别是 3.03.1 和 3%5%。累计筛余控制 4.75 mm6%，0.6 mm 为 65%70%，0.3 mm 为 85%93%，0.15 mm 是 95%96%。在实际施工中，施工与设计的机制砂细度模数偏差需控制在0.15。在高性能混凝土配合比设计优化中，应最大限度地减少粉细料的含量，必要情况下进行水洗，机制砂最好使用中粗砂，并且其不适用于预应力混凝土施工。2.5.4混合砂将河砂与机制砂按照一定的比例混合后形成混合砂，两种砂的掺入比例应根据“S”形级配曲线进行确定，确保混合砂具备最大紧密容重，质量控制标准参照机制砂。如果累计筛余不合格，同样进行人工调整。混张惠敏：高性能混凝土配合比设计优化与质量控制措施探讨-20-工程质量第41卷uality Management质量管理Q合砂中的有害物质，如石粉、泥土、泥块等，会吸附一定量的减水剂，影响到混凝土预制的质量，应在原有水胶比的基础上，增加混凝土预制时的（水+水泥用量）与（砂子+石子用量）的比例。2.6粗骨料设计及质量控制粗骨料选用洁净碎石，吸水率1.0%且膨胀系数要小，级配为连续粒级，技术要求为 类或 类，注意不可选用砂岩碎石。如果混凝土工程处于腐蚀条件下，不可选用花岗岩。粗骨料掺配比例根据筛分试验结果，结合最大紧密容重与“S”形级配曲线进行计算。粗骨料质量控制标准如下，C50 等级以下的混凝土针片状含量5%，以上则要3%。基于粗骨料最大粒径越小混凝土抗渗性越好的特点，在保证耐久性的基础上，选择使用锥式破碎机加工的粗骨料，C50 等级以下选用525 mm 合成级配，反之是 520 mm 合成级配的粗骨料最佳。粗骨料质量控制措施与混合砂 相同。2.7拌合用水量设计及质量控制拌合用水量决定着混凝土的浆体比，即（水+水泥用量）：（砂子+石子用量）。需要通过用水量优化设计，降低该比值，增加砂子、石子的用量，可提升混凝土的密实度、强度、耐久性及耐腐蚀性。并且用水量的减少，可充分发挥减水剂的作用，提高混凝土预制的和易性与流动性。一般情况下混凝土的用水量不可高于 150 kg，最好是低于 140 kg，采用机制砂的不同强度等级的混凝土，用水量不可高于 160 kg。3矿物掺和料设计及质量控制措施3.1选用及掺量设计矿物掺和料采用双掺方案，一方面掺入粉煤灰，其在混凝土中具有活性、填充作用与形态效应，提高混凝土结构密度及抗腐蚀、抗碳化、抗冻等性能；另一方面添加矿粉，具有保水作用，改善拌合混凝土的泌水性、和易性，提高硬化混凝土的力学性能，且替代水泥减少水泥的用量。矿粉设计掺入量应通过试验确定，掺入标准如下，普通混凝土工程部位的水胶比0.40 时，掺入量不可超过 55%，0.40 时不可超过 45%。预应力混凝土工程部位的水胶比0.40 时，掺入量不可超过 40%，0.40 时不可超过 35%。3.2掺量优化措施如果混凝土工程因为其他原因无法使用双掺方案，单掺矿物掺和料时，需根据工程类型的不同进行掺入量的调整。比如，铁路混凝土工程单掺粉煤灰或是矿粉，应遵循现行的 TB/T 32752018 铁路混凝土 标准要求，混凝土水胶比0.40，粉煤灰掺入量40%，40 掺入量30%；普通混凝土掺入量分别是35%与30%。矿粉在混凝土水胶比0.40 时，掺入量50%，40 掺入量40%；普通混凝土掺入量分别是55%与 45%6。矿物掺和料活性指数越小，混凝土中的掺入量就越少，反之则是取掺量的最大值。3.3质量评价标准矿物掺和料粉煤灰与矿粉需水量评价采用的是对比分析法，如混凝土中水泥和胶材标稠、水泥和胶材胶砂流动度之间的对比分析，其中粉煤灰或矿粉掺量使用的是设计掺量。3.4掺配比例设计在混凝土中双掺粉煤灰和矿粉，可降低混凝土的需水量，但早期水化放热量较少，早期强度不够。所以在掺配比例设计时，需重点考虑混凝土工程对于早期强度的要求，无特殊要求的情况下，粉煤灰矿粉为 6040。对早期强度要求较高时，粉煤灰矿粉为4060。如果粉煤灰的活性指数良好，可适当增加其掺配比例，矿粉也是如此。施工掺配比例应根据混凝土工程施工时的气候条件进行调整，如天气温度较低时减少掺入量，天气温度较高时采用最大掺入量。4高性能混凝土配合比设计优化注意要点在配合比设计优化的混凝土试配阶段，适当提高各项参数，如坍落度的上限值、最大含气量等。在混凝土拌合出机后，最好有轻微的离析和泌水，在大约 30 min 后，混凝土达到最佳的预制质量，以获取混凝土施工最优的时间效益；高性能混凝土配合比设计建议使用体积法，按照最小浆骨体积比计算粗细骨料、水泥、水等的用量；设计优化中需要考虑到冻融破坏环境，规避混凝土工程投入使用后的质量风险；骨料在配合比设计中，细骨料的含水率0.5%，粗骨料0.2%，且必须是自然风干骨料；配合比设计拌合阶段，使用混凝土工程施工采用的原材料，并且是同一-21-第7 期批次原材料，尽量降低试验数据误差的出现。5结语高性能混凝土配合比设计优化，首先要从原材料选用及质量控制入手，结合混凝土工程施工的标准要求，并综合考量原材料本身、施工现场温度、掺入量等对混凝土性能的影响，进行配合比设计原材料选用、质量控制措施、技术参数等的优化调整，提高配合比设计与施工实际条件的适配性，全面提高混凝土工程的强度、密实度与耐久性。Q参考文献 1 赵志强，刘军，刘康，等.广西防城港核电站高强度混凝土配合比设计J.施工技术（中英文），2022，51（14）：1012，45.2王宇，王睿，李冬云，等.西村港跨海大桥工程用高性能海工混凝土配合比优化设计J.施工技术（中英文），2022，51（6）：1418.3韩小华.基于工作性的混凝土配合比设计方法及应用 J.混凝土，2022，44（2）：6066，70.4杨利香，宋兴福，陆美荣，等.基于再生粗骨料裹浆厚度的含砂透水混凝土配合比设计方法 J.材料导报，2022，36（4）：115121.5潘本金，王蒙蒙.高性能混凝土配合比优化设计及施工J.山西建筑，2021，47（22）：8183.6米永刚，刘云贺.高寒地区高性能混凝土配合比设计与耐久性研究 J.混凝土，2020，42（7）：9295.进行检查，不购买质量不达标材料。建议监理单位参与全生命周期质量管理，对原材料采购进行严格把关。另外严格杜绝在材料采购过程中的“吃拿卡要”现象，防止材料采购中的贪污行为，从源头上制止供应商以次充好的行为。3.3设计层面质量控制设计问题关系到质量控制的目标，如果设计本身不合理，质量控制将无从谈起。针对 X3 构件分割设计不合理、X13 未合理配置钢筋、X21 构件存放、运输等设计存在缺陷等成分，本文建议构件生产单位应联合设计单位与施工单位应用 BIM 等信息化技术共同制定生产设计运输方案，协同处理设计难点。由于装配式建筑构件拆分设计难度大，对设计人员要求高，建议设计单位与装配式建筑发展较为优先地区进行交流学习提高业务水平，以减少设计不合理之处。4结语之前学者对装配式建筑质量管理的研究主要集中在施工阶段。然而，构件的质量对装配式建筑的整体质量也有着很重要的影响，为了对影响装配式建筑构件生产质量的因素进行识别，本文在之前学者与国家规范的基础上对影响因素进行主成分分析，将众多因素归纳为重要的三个层面即混凝土作业层面、原材料质量层面与设计层面。并针对具体主成分因子提出了相应建议，对装配式建筑构件生产阶段的质量管理具有一定参考意义。Q参考文献1陈伟，孙翔君，王朝晖，等.装配式建筑预制构件质量链管控 SD 模型 J.土木工程与管理学报，2020，37（6）：1420.2屈勇.装配式混凝土建筑建造质量管理研究D.西安：西安建筑科技大学，2020.3庄雪丽.装配式混凝土住宅建造质量管理研究D.北京：北京交通大学，2018.4张嫚.装配式混凝土住宅项目全生命期质量管理研究D.西安：西安建筑科技大学，2019.5 曹江红，纪凡荣，解本政，等.基于 BIM 的装配式建筑质量管理J.土木工程与管理学报，2017，34（3）：108113.6钟春玲，武金宝.基于 C-OWA 算子与向量夹角余弦的装配式建筑预制构件施工质量评价研究J.吉林建筑大学学报，2021，38（4）：7378.7齐宝库，李长福.装配式建筑施工质量评估指标体系的建立与评估方法研究 J.施工技术，2014，43（15）：2024.8苏杨月，赵锦锴，徐友全，等.装配式建筑生产施工质量问题与改进研究 J.建筑经济，2016，37（11）：4348.（上接第 16 页）张惠敏：高性能混凝土配合比设计优化与质量控制措施探讨