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                         高强粉煤灰混凝土配合比设计指南                     
                                                  美国混凝土学会（ACI）211委员会
[摘要]  该指南提供了一种普遍适用的选择高强混凝土配合比和通过试配优化配合比的方法。该方法仅限于用常规材料和生产工艺制备的高强混凝上。
 指南中的建议和表格依据涉及高强混凝土工程的承包商、混凝土供应商和工程师所提供的经验和信息。
[关键词]  骨料；罩面；化学外加剂；细骨料；粉煤灰；高强混凝土；配合比；质量控制；试样尺寸；强度要求；超塑化剂。

第一章    概述
1.1  目的
 现行ACI 211.1配合比设计方法是选择18.8 ~ 41.4MPa普通强度混凝土配合比的方法。对高强混凝土来说，进行配合比设计要比普通混凝土更重要。通常要掺用经专门挑选的火山灰质材料与化学外加剂，而且认为获得低水胶比（w/c+p）是十分关键的。一般要试拌多次以获得必要的数据来确定最佳配合比。本指南在于提供一种普遍适用的高强混凝土配合比设计方法，以及通过试拌优化设计的方法。
 1.2 范围
 本指南所讨论的内容限于采用常规材料和生产工艺制备的高强混凝土。有关硅粉和磨细粒状高炉矿渣（GGBFS）不在此范围。目前有关掺硅粉混凝土的知识还有限，ACI 234委员会（硅粉在混凝土中的应用）正在收集有关硅粉应用的信息以撰写委员会报告。GGBFS混凝土的配制参见ACI 226-IR（现为ACI 233委员会）。在有更多的数据后，将会制订一份关于掺这些材料混凝土的指南。当前，硅粉和GGBFS的供应商以及有经验的混凝土供应商是使用这些材料的知识最佳的来源。
 高强混凝土定义为抗压强度 ≥41.4MPa的混凝土。本指南力图包含现场强度达到82.8MPa以下的混凝土为实际面向范围。指南中的建议均基于涉足过高强混凝土项目的承包商、混凝土供应商和工程师已有实践和知识，更全面的参考文献和出版物可参见ACI 363R。

第二章  性能要求
2.1  测试龄期
 配合比的选择受测试龄期影响。高强混凝土在通常规定的28d龄期后仍有相当幅度的增长，为利用这一特性，许多规范都将典型的28d修改为56d，91d或更长的龄期。胶凝材料组分的用量常需要调整，以便在选用的测试龄期获得预期的强度。
2.2  设计强度
 ACI 318允许混凝土配制以现场经验或试验室的试拌为基础。为达到规定的强度要求，混凝土的配制必须使现场测试得到的平均抗压强度足够大于设计强度 ，以降低不合格率。当混凝土生产商要根据现场经验选用高强混凝土配合比时，建议作为选择混凝土配合比基准的平均设计强度 采用下列方程计算结果中的较大值：
            （2-1）
        （2-2）
其中s为样本标准差，单位MPa。
 方程（2-1）即ACI 318建筑规范中的方程（5-1）。方程（2-2）是经过改动的ACI 318中的方程（5-2）（ ＝ ），因为至今有关高强混凝土的施工规程中，通常在100次测试中只有一次低于规定强度90％的规定。如果施工规程采用ACI 318验收标准，则应采用ACI 318方程（5-2）代替本指南中的方程（2-2）。
 当混凝土生产商以试验室试配作为配制高强混凝土的基准时，可以用下式决定平均设计强度 ：
          
式中单位为MPa。
 方程（2-3）给出的平均设计强度比ACI建筑规范（ACI 318）中表5.3.2.2要求更高。经验表明，在理想现场条件下测得的强度仅是在实验室条件下实验测得强度的90％。假设现场生产混凝土的平均强度等于实验室试拌的强度是不切实际的，因为许多因素要影响强度和现场测试强度的变异。初次在现场采用高强混凝土时，可能需要调整配合比中的含气量和产率并符合下面所列的要求。一旦施工中提供了足够的数据，应采用ACI 214重新计算混凝土配合比并作相应的调整。
2.3  其它要求
 抗压强度以外的考虑可能影响到材料和配合比的选择。它们包括：a) 弹性模量；b) 抗弯强度和抗拉强度；  c) 徐变和干燥收缩； e) 耐久性； f）渗透性；g）凝结时间；h) 浇筑方法；I) 工作度。
第三章  基本关系
3.1  材料选择
 高强混凝土的有效生产是通过仔细挑选、控制和组合所有的组分而实现的。为得到更高强度的混凝土，必须选择最佳的比例，考虑到水泥和粉煤灰特性、骨料质量、浆体比例、骨料一浆体相互作用、外加剂品种和掺量及搅拌。对不同来源的水泥、粉煤灰、化学外加剂和骨料，在不同配合中的评估将提示出材料的最佳组合。高强混凝土供应商应对在高强混凝土生产中用到的所有材料采用一套统一的，可接受的测试方法。
3.1.1  硅酸盐水泥  适当选择水泥品种和来源是高强混凝土生产中的重要的一步。在考虑水泥来源时，可以参考ASTM C 917。水泥化学成分和物理性能的变化对混凝土抗压强度的影响比其它任何一种材料的变化的影响都大。对于任意给定的一组材料，存在一个最佳水泥用量，大于该水泥用量时，再增加水泥用量时只会使强度增长很小，甚至不增长。
3.1.2  其它胶凝材料   除硅酸盐水泥以外的其它磨细胶凝材料，已因为生产高强混凝土时的高胶凝材料用量和低水胶比而得到考虑。这些其它胶凝材料，主要是粉煤灰、磨细高炉矿渣或硅粉。可以帮助控制混凝土的早期温升，并可能减少工作性一定条件下的需水量。但混凝土的早期强度可能受影响。
 ASTM C 618规定了对混凝土中使用F级和C级粉煤灰以及原状或煅烧的天然火山灰，即N级灰的要求。粉煤灰的性能可能随地区的不同和在同一地区内随来源的不同而波动较大。用于高强混凝土的优质粉煤灰具有＜3％的烧失量，高的细度，并且来源均匀，符合ASTM  C 618的要求。
3.1.3  拌和水   只需用饮用水。水的可接受性对高强混凝土不是一个重要因素。否则，应按照ASTM C 94测试水的适用性。
3.1.4  粗骨料  在高强混凝土的配合比设计中，需要特别考虑骨料，因为它们在混凝土的所有组分中占的体积最大，对混凝土的强度和其它性能的影响也最大。通常，高强混凝土用普通质量的骨料生产，但有报告采用轻骨料生产高强结构混凝土和采用重骨料生产高强高密度混凝土。
 粗骨料会显著影响混凝土的强度和结构性能。出于这个原因，应选用很坚硬、无裂缝或弱面的、清洁并无表面膜层的粗骨料。粗骨料的性能还影响骨料一砂浆的粘接特性和需水量。粒径较小的骨料有获得较高强度的趋势。
 对每一强度等级的混凝土，存在一个可得到最大抗压强度／每公斤水泥的最佳骨料粒径。最大标称粒径为25或19mm的骨料常用于生产62MPa以下的混凝土；13或10mm的则用于强度62MPa以上的混凝土。一般来说，在给定w／(c+f)时，骨料的粒径越小，所生产的混凝土的强度越高。当拌和物中掺有化学外加剂时，使用标称最大粒径为25mm的骨料几乎不能配出强度高于69MPa的混凝土。如果弹性模量、徐变和干燥收缩的优化显得重要时，则有必要考虑采用尽可能大的粗骨料。
3.1.5  细骨料  细骨料的级配和颗料形状是高强混凝土生产中的重要因素。颗粒形状和表面结构对需水量和混凝土抗压强度的影响很大。和粗骨料一样，级配相同但空隙率相差1％的细骨料就可能产生6L／m3需水量的差别。详细情况可参见ACI 211.1。
 单位体积混凝土拌和物的水泥浆需要量随粗骨料和细骨料相对体积比的增大而下降。因为高强度混凝土中的胶凝材料含量大时，细骨料的体积趋大。相应地，砂的体积应尽量小以获得工作性和可振实性。这样，就可能在给定胶凝材料用量时制备出高强混凝土。
 细度模数为2.5~3.2的细骨料适宜用于高强混凝土。用模数低于2.5的细骨料配制的混凝土拌和物可能较粘并会使工作性变差、需水量增加。有时可能掺用不同来源的砂子来改善它们的级配和产生更高强度的能力。如果使用人工砂，应考虑到需水量可能会因工作度要求而增大。相对于天然砂，人工砂不同的颗粒形状和较大的表面积会显著影响需水量。
3.1.6  化学外加剂  在混凝土生产中，通过降低需水量而不是通过增大总胶凝材料用量来减小w／c+f，通常会提高抗压强度。出于这个原因，在生产高强混凝土时应考虑化学外加的使用（见ACI 211.3R和ASTM C 494）。在该指南中，化学外加剂的掺加率是以每1kg胶凝材料中的液体重量（g/cwt，即克/每公斤水泥）来表示的。如果掺用粉状外加剂，掺用量则以干重计。化学外加剂的使用可改善和控制硬化速率和坍落度损失，并加速强度发展，提高耐久性，改善工作性。
 高效减水剂（HRWR），也称作超塑化剂，在富含水泥和其它胶凝材料的混凝土拌和物中最为有效。HRWR有利于分散水泥颗粒，并可减少拌和水需要量达30％，因此而提高混凝土抗压强度。
 一般说来，高强混凝土同时掺用传统的减水剂或减水剂与缓凝剂的混合物及一种HRWR。外加剂的掺量很可能不同于生产商推荐的掺量。尽管可以得到的信息不多，但认为高强混凝土可以通过掺加复合外加剂，如掺加不改变凝结时间的减水剂和促凝剂来配制。外加剂的效果受所用的胶凝材料影响。单一的外加剂或复合外加剂的最佳掺量应通过变化外加剂掺量进行试配来确定。一般来说，当水泥在配料和搅拌操作中已湿润后再添加HRWR，可以得到最好的效果。
 在施工时不用考虑冻融作用的情况下，高强混凝土施工应用中很少使用引气剂。如果由于恶劣的环境而必须使用引气剂，将会显著降低混凝土的抗压强度。
3.2 水胶比（w/c+f）
 许多研究者都得出结论：获得高强混凝土时最重要的参数是水灰比（w/c）。因为大多数高强混凝土拌和物都含有其它胶凝材料，必须以w/c+f来代替传统的w/c。w/c+f和w/c 一样，应以重量比计算。HRWR的含水量应包括在w/c+f当中。
 在普通强度混凝土中得到证实的w/c和抗压强度的关系，被发现对高强混凝土也一样有效。研究证明，化学外加剂和其它胶凝材料的使用，通常对生产低水灰比的可浇筑混凝土来说是必不可少的。高强混凝土典型的w/c+f在0.20~0.50之间。
3.3工作性
3.3.1简介   出于本指南的目的，工作性被定义为决定新拌混凝土搅拌、浇筑、固化、抹面而不离析的难易程度的性质。
3.3.2  坍落度一般说来，高强混凝土应在保证现场能恰当地操作和固化的最低坍落度下浇筑。5~10cm的坍落度在大多数情况下可满足所需的工作性，在配制混凝土之前，应考虑配筋间距和模板的详细情况。
 粗骨料和胶凝材料高用量和低水胶比使得混凝土难于浇筑。但是高强混凝土可以使用HRWR而获得很高的坍落度但不发生离析。掺用了HRWR的坍落度大于20cm的流态混凝土可非常有效地填充密集的配筋之间的空隙。在坍落度损失有可能成问题的运送过程中，可以通过再次掺加HRWR来恢复坍落度，使混凝土可以浇筑。二次添加HRWR几乎可使混凝土所有测试龄期的强度提高。这样的实践已显示出有利性，尤其是在热天浇筑混凝土使用HRWR时。
3.4  强度测定
3.4.1 测试方法――除了被提高强混凝土的特性表明有变化之处外，都采用标准的ASTM或AASHTO测试方法（ACI 363R）。只有当试件在标准条件下制作和测试时，给定一组材料的潜在强度才可能被确定。每个龄期和测试条件至少应有两个试件。
3.4.2  试件尺寸  －般的说，高强混凝土强度评定时期规定采用150×300mm的圆柱体试件。但一些强度测试中也使用100×200mm的圆柱体试件。混凝土生产商在确定配合比时使用的试件尺寸应与试验机的荷载能力相符合，并且应与设计者容许的圆柱体试件尺寸一致。采用150×300mm圆柱体试件测得的强度和采用100×200mm圆柱体的强度不能相互替换。
3.4.3  试模种类   所采用的试模种类对测得的抗压强度会产生明显的影响。一般来说，使用钢模浇筑组合试件比采用塑料模可得到更均匀的抗压强度。建议不要采用厚纸板材料制作的模型浇筑高强混凝土试件。单个的刚性塑料模具已经被成功地应用于高强混凝土工程中。
 不限定模具材料的种类，重要的是确定配合比和最终验收测试应使用相同类型的模子。
3.4.4  试件罩面   在圆柱体试件的测试时，通常将试件的两端罩面，以便试验机所加荷载均匀地传递到试件体上。硫磺砂浆是使用最多的罩面材料，制作得当时，既经济、方便，又可在短期内得到相对较高的强度。
 罩面的厚度应尽可能小，对高强混凝土，在1.6~3.2mm的范围内。一种市场上可以购到的高强硫磺罩面材料已经被用于确定强度超过69MPa的混凝土的强度，其罩面厚度保持在大约3.2mm。当将硫碘罩面与圆柱体端部表面之间的空隙会反过来影响所测得的抗压强度。一些混凝土技术人员倾向于在混凝土强度大于69.0Mpa时，按照ASTM C39成型和磨平试件端部。
3.4.5试验机――试验机的特性，主要是荷载能力和刚度，对测试的强度结果有较大的影响。当试验机的最小侧向刚度为105b／in2，最小纵向刚度为107b／in2时，对高强混凝土圆柱体试件的试验结果较好、离差较小。侧向较弱的试验机将降低所测试试件的抗压强度。