摘要：采用全计算法对铁路高性能混凝土进行了配合比设计, 并在此基础上研究了粉煤灰掺量对混凝土力学性能及耐久性能的影响，试验结果表明，全计算法是一种更科学、更合理、更准确的配合比设计方法, 为提高混凝土的耐久性，应该在保证混凝土早期强度的前提下尽可能多掺加矿物掺合料。
关键词：高性能混凝土配合比设计耐久性能
中图分类号：T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号：1672-3791(2007)05(b)-0092-01
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的。它的高性能主要体现在良好的耐久性上,是以耐久性为主要设计指标的。使用优质的原材料如水泥和集料,再掺加足够数量的矿物活性细掺料和高性能外加剂, 从而获得混凝土的高性能。在铁路工程上使用高性能混凝土,能够大幅度减少后期维护费用,符合当前世界可持续发展的战略方针。
1 全计算法设计原理
全计算法配合比设计的思路是首先建立普遍适用的混凝土体积模型，经科学推导得出H P C 的单方用水量和砂率的计算公式，再结合传统的水灰(胶)比定则，即可全面定量地确定混凝土中各原材料的用量。建立普遍适用的混凝土体积模型是基于以下观点：
(1)混凝土各组成材料(包括固、液、气三相) 具有体积加和性；
(2)石子的空隙有干砂浆来填充；
(3)干砂浆的空隙有水来填充；
(4)干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。
模型的建立如图1 所示。
V=1000L
注：Ve 为水泥浆体积，Ves 为干砂浆体积，Vw 为用水量，Vc 、Vf、Va 和Vs 分别为水泥、掺合料、空气、砂子和石子的体积用量。
由上图可知:浆体体积:Ve=Vw+Vc+Vf+Va；集料体积:Vs+Vg=1000-Ve；干砂浆体积:Ves=Vc+Vf+Va+Vs。
若砂子和石子的表观密度分别为ρ s，ρg，则可得到砂率的计算公式：Sp=( (Ves-Ve+Vw)ρ s/[( Ves-Ve+Vw)ρ s+(1000-Ves-Vw)ρ g × 100%其中, V e 的确定是根据美国M e h t a 和
Aitcin 教授的观点,要使HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料体积比应为35:65,对HPC,可取Ve=350L。
Ves的确定可根据图1模型,石子的空隙由干砂浆来填充，则:
Ves=1000P=1000(1- ρ,c/ ρ c).
其中,ρ,c 和ρ c 分别为石子的堆积密度和表观密度。
根据以上推导公式,再结合强度- 水灰比规则,即可全面定量地计算出混凝土中各原材料用量。
2 计算实例
2.1 设计要求
C50 预制混凝土箱梁配合比,坍落度要求150mm-180mm，56d 电通量小于1000C。
2.2 原材料
水泥：某集团生产的P ·O42.5 普通硅酸盐水泥,水泥28d 抗压强度实测值fce= 45.4MPa,密度为3000kg/m3细骨料:某县河砂,其细度模数Mx=2.9;堆积密度为1540kg/m3,表观密度为2620kg/m 3 。
粗骨料:湖南衡山县砂泉产花岗岩碎石,由5mm — 0mm 和10mm — 0mm 按3B7 组成5mm— 0mm 连续级配,堆积密度为1520kg/m3,表观密度为2640kg/m3,压碎指标为8.4%,针片状含量为3.7%,含泥量为0.2%。
粉煤灰：某电力粉煤灰有限公司生产的级灰,粉煤灰细度为0.045mm 筛余为 2.1%,密度为2400kg/m3。
外加剂:采用某新材料有限公司生产的高效减水剂。掺量0.8%。
水：饮用水。
2.3 设计步骤
(1)试配强度的确定。
fcu,p=fcu,k+1.645 σ =50+1.645 ×6=59.9MPa。
(2)水胶比(W/C1)
根据水灰(胶)比定则，fcu,p=A·fce(C1/W-B)，对于碎石A=0.48,B=0.52,则有:59.9=0.48 × 45.4(C1/W -0.52), C1/W =3.27，即W/ C1=0.306。
(3)用水量。
Vw=（Ve-Vf）/{1+[(1-x)ρ c+x ρ f(fcu,p/Afce+B)]}.
其中,ρ c、ρ f 分别为粉煤灰密度，x 为粉煤灰在胶凝材料中的体积掺量,按照Mehta和Aitcin 教授的观点,在HPC 中水泥与掺合料的体积比为75:25,本次试验也取x=0.25,取Va=32L(即含气量为3.2%),根据上述公式可算得Vw= =148 kg/ m3。
（4）胶凝材料用量。
C 1= C 1/ W ·W = 3 . 2 7 × 1 4 8 = 4 8 4 k g /m3,粉煤灰的体积掺量为25%,则其在胶凝材料中的质量百分比为21%,粉煤灰用量F=484× 2 1 % = 1 0 2 k g / m 3 , 水泥用量C = 4 8 4 -102=382kg/m 3。
（5）砂率及集料用量。
Ves=1000P=1000(1- ρ1g/ ρ g) × 100%=1000 ×(1-1520/2640) × 100%=424L,
Sp(%)=(Ves-Ve+Vw) ρ s / [ ( V e s -Ve+Vw)ρ s +(1000-Ves-Vw)ρ g]× 100%=34%,
S=(Ves-Ve+Vw)ρ s=582kg/m3,
G=(1000-Ves-Vw)ρ g=1129kg/m3。
3 结果分析
3.1 计算法配合比设计
通过本次试验可知,采用全计算法配制的高性能混凝土除砂率偏低外,材料用量相对准确, 施工性能良好, 结构均匀性好, 致密程度高, 混凝土的强度和耐久性都有足够的保证。之所以会出现砂率偏低的情况,应该是因为假定的水泥浆体体积与骨料体积的定量关系与实际的情况有偏差,希望在实际的应用中加以注意。与普通的混凝土配合比设计方法相比,全计算法是一种更科学、更合理、更准确的配合比设计方法。
3.2 粉煤灰掺量的影响
随粉煤灰掺量的增加,混凝土早期的强度呈下降趋势,但随龄期的增长,其强度却增长很快,这是因为混凝土早期的力学性能的增长主要是靠水泥的水化作用,而粉煤灰的火山灰效应主要是在28d 龄期以后才开始。
随粉煤灰的增加，电通量呈下降趋势，这说明，粉煤灰的掺入除了火山灰效应促进水泥的进一步水化，其未水化的颗粒还能够填充结构中的空隙,双重作用优化了混凝土的孔结构,同时也提高了其后期强度, 提高了其耐久性。因此，在不影响早期强度的前提下应尽可能地多掺加矿物掺合料。
4 结语
全计算法是一种科学准确的配合比设计方法,采用这种方法配制的高性能混凝土除砂率偏低外,材料用量相对准确,施工性能混凝土良好,结构均匀性好,致密程度高,混凝土的强度和耐久性都有足够的保证。比普通混凝土更适合高性能混凝土的配合比设计。
粉煤灰的掺入能够提高混凝土的耐久性能和后期强度,在进行配合比设计时,应该在不影响早期强度的前提下尽可能地多掺加细掺料,以提高工程结构的耐久性。
