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摘要：我国建筑行业将绿色施工作为发展趋势，绿色施工的各项指标要求，在施工中尽量用高性能混凝土，优先使用工业废渣。活性掺和料引入高性能混凝土，一定程度提高了混凝土的耐久性，突出了绿色高性能混凝土特征。与传统混凝土比较，其改变了生产要素，优化了配合比。本文通过分析绿色高性能混凝土配比要素，探讨了配合比的优化设计，进一步促进绿色高性能混凝土的推广应用。
关键词：建筑混凝土结构；绿色高性能混凝土；配合比设计
引言
目前，与水泥混凝土有关的资源、能源与环境问题异常突出。传统生产混凝土的工艺，特别是生产原材料水泥，造成严重的能源消耗与环境污染问题。这些问题也引起混凝土行业的反思，而加快研究绿色高性能混凝土。与传统混凝土不同，绿色高性能混凝土主要的技术指标为结构的耐久性，改善材料硬化前后的性能，提升结构可靠性。由于绿色高性能混凝土对环境合理协调，是混凝土行业未来发展方向。
1.绿色高性能混凝土配比原料
1.1水泥
混凝土配制选择的凝胶水泥应达到国家标准。绿色高性能混凝土配制选择水泥时不再强调强度，而要兼顾力学、工作和耐久性，这就要求在配制时科学搭配颗粒级配，减少使用过细的、仅在早期发挥强度作用的颗粒数量；控制水泥的比表面积，减轻初期水化热、需水量与体积收缩的敏感性。
1.2矿物掺合料
水泥掺入矿物的掺合料可节省水泥用量，优化混凝土的工作性，降低水化热，增加后期强度，改进混凝土内部结构，增强抗渗性与抗腐蚀性。矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣粉与硅灰。
粉煤灰收集了燃烧煤粉烟气的细小粉末，多为球形颗粒，表面光滑。一般用细度评估粉煤灰的品质，粉煤灰颗粒越细、表面越光滑、需水量越小、活性也越高；当粉煤灰颗粒掺入大量未充分燃烧且不规则的粗大颗粒时，增加需水量，降低粉煤灰活性。粉煤灰用等量取代法、超量取代法与外加法掺入混凝土。并且粉煤灰可就地选择，我国应重视利用这个优势。
矿渣粉用磨细工艺处理工业废渣得到一定细度的矿物掺合料。矿渣粉在水泥颗粒表面包裹，抑制水化产物搭接，对混凝土工作性有效改善；碱、硫酸盐激发矿渣粉产生反应活性，与水泥水化产物发生二次水化反应，形成水化硅酸钙凝胶，提升混凝土的强度。
硅灰是回收烟气净化装置的烟尘，适用高强度、高耐久性的混凝土施工，由于具有粒径偏小、比表面积大、活性高等特点，与减水剂搭配使用保证混凝土的和易性。
1.3骨料
混凝土材料中唯一不与水发生化学反应的物质是骨料，在混凝土体积中约占60%-80%，配制混凝土时要注意骨料这些特性：空隙率、颗粒级配、吸水性等。在混凝土配合比设计中通常选择颗粒圆润、较为洁净、易就地选材的河沙和湖砂作为细骨料。同时搭配细骨料级配，密实填充大小颗粒，尽量减少砾砂的空隙，不仅节省了胶凝材料的用量，还增加了混凝土的密实度。
1.4外加剂
混凝土将减水剂作为主要外加剂，合理应用减水剂最保证了混凝土的性能，混凝土具有较低水胶比时，相应发挥了分散与增强的作用，逐步提升混凝土的工作性。
2.混凝土性能与配合比要素
2.1水胶比与强度
水胶比和振捣体现了混凝土密实度。目前大多采取机械振捣方式，因此水胶比是对混凝土强度造成影响的主要因素。绿色高性能混凝土的强度与水胶比公式：
从上式可知，混凝土电通量与水胶比呈正比关系，随着水胶比的增大，未参与水化反应的剩余水分借助蒸发，在混凝土中产生毛细孔道与气孔，干扰混凝土的密实性，进而容易损坏氯盐环境中的混凝土，混凝土内部不断聚集氯离子，以指数级增加电通量。因此，在达到新拌合混凝土工作要求的前提下，降低水胶比，可增强混凝土的抗腐蚀能力。
2.3矿掺比影响混凝土性能
矿物掺合料可增强混凝土强度，保证矿物掺合料与水泥水化产物的填充效果，使混凝土结构更密实。
研究表明，保持既定的水胶比，掺入定量的矿物掺合料可增强混凝土的强度，过量掺入则降低混凝土的强度。矿掺比影响混凝土的强度明显比水胶比的影响小，所以配合比设计要低水胶比。
添加矿物掺合料可优化混凝土的耐久性，研究表明：在混凝土中掺入粉煤灰与矿渣粉可降低混凝土的电通量，按科学的比例掺入粉煤灰与矿渣粉，相应提高了混凝土的抗渗透能力。
2.4胶凝材料总量影响混凝土性能
在混凝土配合比设计中胶凝材料至关重要，是对混凝土性能造成影响的主要因素，研究说明：当水胶比与矿掺比一定时，混凝土强度和胶凝材料的用量成正比关系，当达到一定数值时，反而会降低混凝土的强度。当减小胶凝材料的用量时，难以较好填充混凝土结构，随着增加胶凝材料的用量而提高强度；当呈现饱和的填充效果时，胶凝材料过量必定消耗一定水，增加了用水量，降低了混凝土强度。
2.5砂率影响混凝土工作性
混凝土的砂浆发挥了润滑与滚珠作用，减轻粗骨料间的摩擦。混凝土中粗细骨料比例与砂浆含量取决于砂率。由此，极大影响了混凝土的填充性与均质性。在规定范围内，增加砂率相应提高了混凝土的流动性，过大或过小都会增加混凝土的塑性，降低流动性，因此有必要选择适合的砂率。
3.C30混凝土配合比优化设计
某工程选择42.5普通硅酸盐水泥，品质达到规定的要求，初步优化设计C30混凝土配合比。作为结构物主要组成部分的混凝土，首先应达到功能性的要求，即混凝土强度达到设计要求，在特定环境中耐久性达到设计结构物的年限要求；其次淘汰工作性能无法达到施工要求的配合比；最后考虑经济价值。根据有关规定，高性能混凝土配制的原材料与其他参数应符合以下条件。
表1 原材料及配合比参数的约束条件
其中x1，x2...，x7分别代表水泥、粉煤灰、矿粉、细骨料、粗骨料、水、减水剂的用量。
打开优化工具箱，选择模式搜索工具，依次填写目标函数、起始点、约束条件。当实行125迭代后，可以获得配合比的优化值x。
X（246 70 0 680 901 120 3.16）
约束检验优化结果是否达到C30高性能混凝土配比设计标准。经检验，优化后的混凝土配合比和原材料均满足要求。
注：A24组为优化后混凝土配合比
由上表可知，优化后的混凝土配合比每立方节约成本在（25，50）元之间，如投入应用，可节省费用。
4.结束语
当混凝土配合比的各种性能指标无法同时满足，以及原材料使用不科学时，可采取直接搜索算法解决这部分问题，其原理简单且操作容易，对C30混凝土配合比实行优化，结果说明个组配合比的原材料达到规范标准，节省了成本。
参考文献
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论文作者:张峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年10期
论文发表时间:2019/9/16
标签：混凝土论文; 强度论文; 骨料论文; 水化论文; 高性能混凝土论文; 粉煤灰论文; 矿物论文; 《建筑学研究前沿》2019年10期论文;