【实用技术】C40“设计型混凝土”的试验研究

来源《混凝土》2014年第十期

摘要：结合成都双流国际机场T2航站楼对混凝土的技术性能要求，配制C40“设计型混凝土”，研究膨胀剂(HCSA)和陶砂对混凝土收缩变形性能和力学性能的影响，确定生产指导配合比，其28d收缩率为43×10-6，180d收缩率为215×10-6，静弹性模量为3.02×104MPa，抗裂性能达到L-V级，各项性能均满足工程设计要求。

0 引言

传统的结构设计方法是处方式设计或者称指令式设计，与之对应的混凝土是“处方式混凝土”或称“规定组成混凝土”。处方式混凝土的定义为：混凝土用户根据工程特点和相关标准规范的规定，直接向生产者提出混凝土的种类、产品规格、原材料，甚至其组成配合比等方面的要求，混凝土的生产商则按照要求生产质量达标的混凝土[1-3]。

国际上自20世纪80年代起就已经形成共识，结构设计方法应向以性能为目标的方向过渡，即由“处方式设计”方法向“目标化设计方法”转变。结构设计理念的转变必然会带来混凝土设计理念的转变，与结构目标化设计相对应的混凝土称之为“设计型混凝土”（亦称目标混凝土、性能化混凝土），即用户给定混凝土的性能及附加特征，混凝土生产厂家灵活地根据给定的性能和特征进行设计，生产出符合要求的混凝土[2-4]。

使用设计型混凝土，工程设计者和混凝土用户无需指定混凝土种类、产品规格等要求，而仅需提出具体的性能指标要求，由混凝土供应商根据用户需求提供适宜的混凝土产品，或对已有混凝土产品进行改良，或设计开发兼具多种混凝土特性的特殊混凝土等，灵活供应，犹如量体裁衣。在加拿大及欧盟标准中“设计型混凝土”已有明确定义，而且得以广泛应用[2-5]，但在国内的报道较少。

1 工程概况及技术要求

成都双流国际机场T2航站楼（效果图见图1）位于成都市中心西南16.8公里双流县境内，采用“竹”作为造型母题，其最大的未设置伸缩缝的长度：指廊为176m，大厅达到496m，为国内少见。工程设计所使用的C40混凝土要求具备预应力混凝土、补偿收缩混凝土的特性，要求混凝土28d收缩率≤240×10-6，180d收缩率≤400×10-6，静弹性模量为（2.90~3.25）×104MPa，抗裂等级达到相应耐久性等级L-Ⅳ及以上，契合“设计型混凝土”的定义。

2 原材料性能

（1）水泥：选用P.O42.5R，技术性能指标见表1。

表1 水泥技术性能指标

（2）粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，细度7.8%，烧失量1.6%，需水量比91%。

（3）陶砂：重庆产页岩陶粒，经破碎、筛选加工而成，粒径范围0.15~4.75mm。各项指标为：堆积密度630kg/m3，表观密度920kg/m3，饱和吸水率4.3%。

（4）机制砂：细度模数2.8，石粉含量7.5%，MB值0.6。

（5）碎石：5～31.5mm连续级配碎石。

（6）减水剂：自配聚羧酸类高性能减水剂，固含量11.05%，减水率18.5%。

（7）聚丙烯纤维：四川某大型纤维厂家生产的XD-F聚丙烯纤维，规格19mm，抗拉强度＞500MPa，弹性模量＞3.5GPa。

（8）膨胀剂：硫铝酸钙类混凝土膨胀剂（以下简称HCSA），推荐掺量为5%~10%，各项性能满足《混凝土膨胀剂》（JC 476-2001）的要求。

3 配合比设计

针对T2航站楼特殊技术要求，设计思路主要基于以下几方面：

(1)采用大掺量优质粉煤灰，掺量控制在80~120kg/m3，以提高混凝土的工作性能、降低水化反应热；

(2)使用聚丙烯纤维，设计用量为1.2kg/m3，以增强混凝土的韧性，提高抗裂性能；

(3)选用高性能减水剂，以改善新拌混凝土和易性，同时降低单方用水量，提高强度；

(4)使用HCSA膨胀剂，采取内掺，等量取代部分水泥与粉煤灰，以实现补偿收缩效果；

(5)掺入陶砂等体积取代部分机制砂，以控制混凝土弹性模量。

同时参照JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》、CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、CECS220：2007《混凝土结构耐久性评定标准》和GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》。

C40设计型混凝土试验配合比见表2，主要研究膨胀剂HSCA和陶砂对混凝土的收缩变形性能和力学性能的影响。

结论：

(1) HCSA具有膨胀能大且释放快的特点，3d龄期内混凝土产生一定的膨胀，能显著降低28d龄期混凝土的收缩，28d后的收缩发展与基准（不掺HCSA）基本相当；在混凝土中掺入陶砂，会起到一定的自养护效果，能降低混凝土28d龄期内的收缩，但会增大混凝土的后期收缩；而当HCSA和陶砂共掺时，二者对混凝土的收缩控制效应叠加，能够较好地补偿混凝土180d龄期内的收缩。

(2) HCSA和陶砂都会降低混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，尤其陶砂，对抗压强度的降低显著，尽管如此，掺入陶砂却能够增加混凝土的“劈裂抗拉强度与抗压强度”比值；陶砂的掺入可调整混凝土的弹性模量在设计要求范围以内，较为合适的掺量为6%。

(3) 根据成都双流国际机场T2航站楼工程技术要求，配制C40“设计型混凝土”，研究HCSA和陶砂对混凝土的收缩变形性能和力学性能的影响，确定C40-4为生产指导配合比，其28d收缩率为43×10-6，180d收缩率为215×10-6，静弹性模量3.02×104MPa，抗裂性能达到L-V级，完全满足工程设计要求。