高性能混凝土配合比设计的全计算方法相关参数优化.pdf

2 0 1 1 年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 1 N0 8 Au g u s t 高性能混凝土配合比设计的全计算方法 相关参数优化 刘 静 ， 王元纲 ， 黄 凯健 ， 张高勤 ( 南京林业 大 学 ， 2 1 0 0 3 7 ) 摘 要 ：针对应用全计算方法进行 C 4 0高性能混凝土配合 比设计时存在胶凝材料总量及砂率等相关参数偏大 的问题 ， 引入修正系数 ， 并通过试验确定 了该 系数合理的取值 范围。结果表明 ： 采用相关参数优化后确定 的配合 比， 不仅 可以配制 出强度满足要求 、 抗 C l 一 渗透性能 良好的高性 能混凝土 ， 而且降低 了胶凝材料用量 。 关键词 ： 高性能混凝土 ； 配合 比设计 ； 全计算方法 ； 参数优化 A b s t r a c t ： Wh e n t h e o v e r a l l c a l c u l a t i o n m e t h o d i s u s e d f o r m i x d e s i g n o f h i g h p e rf o r m a n c e c o n c r e t e ( H P C ) ， t h e p a — r a me t e r s o f t o t a l c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s a n d s a n d r a t i o a r e c o mp a r a t i v e l y b i g g e r ． I n O 1 "~ e l " t o s o l v e t h e p r o b l e ms ． t h e C o I T e e - t i o n f a e t o r ~a r e i n t r o d u c e d ．a n d t h e r e a s o n a h l e v a l u e o f t h e t o e 伍c i e n t i s o h t a i n e d t h r o u g h t h e t e s t s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t he s t r e n g t h o f t h e c o nc r e t e whi c h a r e ma d e b y t he o pt i mi z e d mi x p r o p o r t i o n s c a n me e t t h e r e qu i r e me nt s ，t he p e rfo r ma n c e o f t h e a n t i — c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n o f t h i s HP C i s b e t t e r ， a n d t h e c e me n t i t i o u s ma t e r i a l c o n s u mp t i o n i s r e d u c e d ． Ke y wo r ds： Hi g h p e rfo r ma nc e c o nc r e t e ；Mi x p r o po r t i o n；Ov e r a l l c a l c ul a t i o n me t h o d；Op t i mi z i n g p a r a me t e r s 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) O 8 — 1 2 — 0 4 0前 言 高性能} 昆凝土具有优 良的性能 ， 已广泛应用于 工 程项 目中 。 目前 ， 国 内外 的混凝 土 技术 研 究 人员 对单掺和双掺矿物掺合料的高性能混凝 土的原材 料 、 性 能 、 配合 比设 计 开展 了许 多 研究 删， 但 对 高性 能 混 凝 土 配合 比设 计 方 法 的 研 究仍 处 于 探 索 发 展 阶段。从 已有的研究成果来看 ， 配合 比设计方法主 要分为以经验 为基础的半定量设计方法和全定量 设计方法两大类 。其 中以全计算方法 为代表 的全 定 量设 计 方 法 可 全 面 定 量 的 确定 各 组 成 材 料 的用 量 ， 计算 方 便 ， 可大 幅减 少试 验 量 ， 已在 工 程 实践 中 得 到应 用 ， 或 被 混 凝 土设 计 人 员 优 化 后 应用 。 同 时 ， 以全计算方法为基础的“ 现代混凝土配合 比全 计算法软件” 的开发 ， 使混凝土配合 比设计走向了 数 字化道 路 的发展 方 向陶 。 本 文 以磨 细钢 渣 粉 、 粉煤 灰 、 硅灰 、 矿 渣微 粉作 为掺 合 料 ，分 别 采 用其 中三 种 配 制 成 复合 型掺 合 料 ， 并 应用 全 计算 方 法进 行混 凝 土配 合 比设 计 。针 对 应 用 全计 算 方法 进 行 配 合 比设 计 时存 在胶 凝 材 料 总量 及 砂率 等相 关 参数 偏大 的问题 ，通 过试 验 ， 基 金 项 目 ： 江 苏 省“ 六 大 人 才 高 峰 ” 行 动 计 划 资 助 项 目 ( 2 0 0 7 1 6 8 ) 。 一 1 2一 确定修正系数 ， 以实现配合 比的优化。 1 原 材料及 试验 方法 1 ． 1 原 材料 水泥 ： P Ⅱ4 2 ． 5级水 泥 ， 比表 面 积 3 1 0 m 2 ／ k g ， 表 观密度 3 l O O k g ／ m 。 粉 煤灰 ：南 京 产 的 Ⅱ级 粉煤 灰 ，比表面 积 3 2 0 m V k g ， 表 观密度 2 0 5 0 k g ／ m ， 活性 指数 7 0 ％。 矿 渣 微 粉 ： 上 海 产 的 $ 9 5型 矿 渣 微 粉 ， 比表 面 积 4 0 2 m Z ／ k g ， 表 观密度 2 9 0 0 k g ／ m ， 活性 指数 1 2 3 ％。 磨 细 钢渣 粉 ： 马 鞍 山某公 司分 选后 陈 化一 年 的 钢渣 ，粉磨 2 h后 表观 密度 为 2 9 9 0 k g ／ m 。 ，比表 面积 4 0 7 m Z ／ k g ， 活性 指数 6 6 ． 8 ％。 硅 灰 ： 表 观密 度 1 2 0 0 k g ／ m 。 ， 比表 面 积 2 1 5 0 0 m V ，活 性指数 1 2 0 ． 6 ％。 减水剂 ：江苏某公司生产 的 S B T J M一 Ⅱ混凝土 高效 减水 剂 。 集 料 ： 粗 集料 为 石灰 岩 碎 石 ， 表 观密 度 2 7 4 0 k g ／ m ， 级配 良好 ； 细 集 料 为江砂 ， 表 观 密度 2 6 3 0 k g ／ m 。 ， 细度 模数 2 ． 8 6 ， 属 中砂 。 水泥及 掺合 料 的化学组 成如 表 1所示 。 1 ． 2试 验方 法 分别采用 A型复合掺合料( 磨细钢渣粉 ： 粉煤 灰 ： 硅 灰 = 3： 5： 2 ) 和 B型 复合 掺 合 料 ( 磨 细 钢 渣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘静 ， 王元纲 ， 黄凯健 ， 等 高性能混凝土配合 比设计 的全计算方法相关参数优化 注 ： 原材料代号 C 一水泥 ， S S 一磨 细钢渣粉 ， G S 一矿渣微粉 ， F A 一 粉煤灰 ， S F 一 硅灰 。 粉 ： 矿渣微粉 ： 粉煤灰= 1： 2： 1 ) 配制混凝土 。高 效减水剂用量根据坍落度要求进行调整 ， 坍落度为 9 0～1 1 0 ram 。 根据 G B ／ T 5 0 0 8 1 — 2 0 0 2《 普通混凝土力学性能 试验方法标准 》进行 立方体抗压强度试验 ，使用 N Y L 一 2 0 0 0型压 力试 验 机 进 行抗 压 强 度 测定 ；根 据 G B ／ T 5 0 0 8 2 — 2 0 0 9 ( 普 通混 凝 土长 期性 能 和耐久 性 能 试验方法标 准》 进行抗氯离子渗透试验 ， 使用 N E L — P E R系列混凝土渗透性 电测仪测定其 6 h直流电通 量 。 2配合 比设计 及 结果 分析 按 全 计 算 方 法 设 计 计 算 C 4 0复 合 型 掺 合 料 高 性能混凝土的配合 比， 计算结果如表 2所示。 高性 能 混 凝 土 的胶 凝 材 料 总 用 量一 般 在 3 0 0 ～ 5 5 0 k g ／ m ，并 且 在 满 足强 度 的 条件 下应 尽 量 减少 胶 凝材料 的用量 ；而高性能混凝土的砂率一般小于 4 0 ％同 。 因此 ， 从表 2的数据可 以直观地看出， 配合比 中胶凝材料用量及砂率偏大。 采用表 2中复合型掺合料取代 量为 2 0 ％的配 合 比拌制混凝土 ，并进行抗压强度及 电通量试验 ， 结果 如 表 3所示 。 由表 3的试 验 结 果 可 知 ， 2 8 d抗 压 强 度 已达 到 5 5 MP a以上 ， 强 度 较 高 ， 一 定 程 度 上 也 反 映 了胶 凝 材 料用 量偏 大 。 表 2 全计算 方法计算的 C 4 0混凝土配合 比( 单方混凝土组成材料用量 k g ／ m ) 注 ：表中 ‘ p 表示复合型掺合料取代水泥 总量 ， B f 表示胶凝材料 总用 量 ， W／ B表示水胶 比 ， W 表示用水量 ， S表示 砂子用量 ， G表示石子用量 ， S 表示砂 率。 表 3 全计 算方法配制 的 C 4 0混凝土 强度及 电通量试验结果 3配合 比设计 参数 的优 化 3 ． 1 优 化思 路 按照全计算方法 的设计 步骤进行配合 比设计 计算时 ， 先根据公式 ( 1 ) 计算 出水胶 比， 再根据用水 量 公 式 ( 2 ) 计 算 出用 水 量 ， 然 后 根 据 水 胶 比 的 关 系 式( 3 ) 计算胶凝材料用量。 ： L ( 1 ) 叶D + B 一 v： 二 ： + 悬 (2 ) m( c + O ( 3 ) 根据公式 ( 3 ) 可知 ， 在保证水胶 比( m( w ) ／ m( c + O ) 不 变 的条 件 下 ， 要 降低 胶 凝 材 料 用 量 ， 必 须 降低 用 水量[ m( w ) 】 。因此 ， 胶凝材料用量偏大的根本原因是 用 水 量偏 大造 成 的 ， 可 以通 过 降 低用 水 量 的方式 来 一 l 3一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 8期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 8 4期 间接 降低胶 凝 材料 用 量 。故 通 过在 用 水量 公 式 ( 2 ) 中乘以修正系数 ^ y ( - < 1 ) 来 降低用水量 ， 从而达到 降低 胶凝 材料 用量 的 目的 。用 水量公 式 即变为 ： V w 。 g~ t oga h 薏 】 (4 ) 砂率相对偏高 ， 可直接在砂率公式中乘 以系数 ( < 1 ) ， 以达到 降 低砂 率 的 目的 。砂率 调 整后 ， 砂 石用量均要调整， 故砂率及砂石的计算公式变为 ： s 一 ， ． ( 二 ： 一 ( V g s — V g + V w ) P s + 0o o o — V 一 V ) P x l O 0 ％ ( 5 ) S + G = ( V — V + V w ) p ~ + ( 1 O O 0 - V 一 V 。 P ( 6 ) S = S ( S + G ) ( 7 ) G ~ ( 1 - S p ) ( S + G ) ( 8 ) 3 ． 2 修正 系数 的确定 ( 1 ) 系数 的确定 参 考赵 苏政 和程 宇科 的试验 研究成 果 ] ， 将 表 2 中胶凝材料总量调整为 4 4 0 k ~m 。 。调整后 的混凝土 2 8 d抗 压强 度如表 4所示 。 表 4 胶凝材料总量为 4 4 0 k g ／ m 时混凝土 2 8 d 抗压强度 注 ： 1 、 0为基准混凝 土 ， T A 1 ～ T A 4为掺不同掺量 A型复合掺 合 料的混凝 土 ， T B I ~ T B 4为掺不 同掺量 B型复合掺合料的 混 凝 土 。 从表 4可以看 出 ， 对于 B型复合掺合料 ， 取代 总 量 为 2 O ％- 5 0 ％时 ，混凝 土 2 8 d抗 压强 度 均 大 于 4 0 M P a ，故 将调 整后 的胶凝 材料 总量 4 4 0 k #m 与原 全 计算 方法 计 算所 得 胶凝 材料 总 量进 行 比较 ， 得 到 -,／ ( B ) 的取值 范 围为 0 ． 9 0 - 0 ． 9 2 。而 对于 A型掺 合料 ， 取 代总量 为 2 0 ％- 5 0 ％时 ， 混 凝土 2 8 d抗 压强 度均 大 于 5 0 MP a ， 从 经 济 角 度 考 虑 ， 降低 胶 凝 材 料 总量 至 4 0 O k #i n 。 。为 了验 证其 可行性 ， 选取 了两 组不 同取代 总 量 的混凝 土进 行 试 验 ， 其 2 8 d抗 压 强度 试 验 结果 如 表 5所示 。 1 4— — 由表 5可 以看 出 ，掺 A 型 复合 掺 合 料 的混 凝 土 ， 当胶凝材料总量为 4 0 0 k ~ m 时 ， 也可配制出满 足强度要求的 C 4 0混凝土。同样 ， 用 4 0 0 k #m 与原 全 计算 方 法计 算所 得胶 凝 材料 总 量进 行 比较 ， 得 到 ㈣的取值 范 围为 0 ． 8 3 - 0 ． 8 7 。 表 5 胶凝材料总量为 4 0 0 k g ／ m 时混凝土 2 8 d抗压强度 注 ： L 0为 基 准 混 凝 土 ， L 1、 I | 2为 掺 不 同 掺 量 A 型 复 合 掺 合 料 的混 凝 土 。 ( 2 ) 系数 的确定 拌制砂率 为 3 8 ％的 C 4 0混凝土进行抗压强度 试验 ， 并将试验结果与赵苏政配制的砂率为 4 0 ％的 C 4 0混凝土[7 1 进行比较。 结果表明 ， 当砂率为 3 8 ％时， 混 凝 土 的强度 高 于砂 率 为 4 0 ％时 混凝 土 的强度 ， 因 此 ， 可以将砂率定为 3 8 ％。由于全计算方法在计算 时 将 矿物 掺合 料体 积 掺量 固定为 2 5 ％， 折合 为质量 掺 量( 即取 代水 泥 量) 约 为 2 0 ％- 3 0 ％ ， 故 通过 与 全计 算 方法 计 算 出 的掺 合料 取 代 量 为 2 0 ％～ 3 0 ％时 的砂 率 ( 见表 2 ) 进行 比较 ， 可得 修正 系数 的范 围为 0 ． 9 0 - 0 ． 9 2 。因砂 率一般 与掺合料的种类 和掺量有 关 ， 故计算 出的修正系数 ： 也可能有不同的取值范 围 ， 但通过 比较 ， 掺 A型复合掺合 料时的砂率变化 范 围与掺 B型 复合掺 合 料 时 的相差 不 大 ， 故可 以采 用相 同 的修 正 系数取值 范 围 。 3 ． 3试验 结果 分析 对采用优化前配合 比和优化后配合比( 其中取 代水泥量为 2 0 ％) 所配制的混凝土进行抗压强度和 抗 C l 一 渗透性能的比较 ， 结果如图 1 、 图 2所示。 岂 鼎 龄期 图 1 不 同 配 合 比配 制 C 4 0混 凝 土 强度 对 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘 静 ， 王元纲 ， 黄凯健 ， 等 高性能混凝土配合比设计的全计算方法相关参数优化 3 0 0 0 2 5 0 0 r ．j 2 0 0 0 Ⅲ 】】 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 S S ： FA：S F =3 ： 5 ：2 S S： GS ：F A=1 ： 2：1 掺 合 料 种 类 图 2不 同配 比 C 4 0混凝土 ( 养护 2 8 d ) 电通量对 比 由图 1可以看出，用优化后的配合比配制 C 4 0 混凝土 ， 抗压强度能够满足要求 ， 并且 ， 掺 A型复合 掺合料的混凝土 ， 胶凝材料总量 降低 了 1 6 ． 3 ％； 掺 B 型 复合 掺合 料 的} 昆凝 土 ，胶凝 材 料 总量 降低 了 8 ． 6 ％， 这对 于减少水泥用量 、 降低成本具有 明显 的 作用 。 由图 2可 以看出 ， 用优化后 的配合 比配制的混 凝土电通量有所下降 ，虽然下降幅度不到 I O O C， 但 表明胶凝材料总量和砂率降低后 ， 混凝 土的抗 C l 一 渗 透性 能有 所 提高 。 4 结论 ( 1 ) 全计算方法进行配合 比设计时存在胶凝材 料总量及砂率等相关参数偏大的问题 ， 可以用 修正 系数 、 ^ y 分别修正用水量和砂率 ，达到降低胶凝 材料总量及砂率 的 目的。通过试验 ， 确定 了修正系 数的取值范围。 随掺合料种类不同而变化 ， 当掺 A 型 复合 掺合 料 时 ， 其 取 值 范 围 为 0 ． 8 3 ~ 0 ． 8 7 ； 当 掺 B 型复合掺合料时，其取值范围为 0 ． 9 0 ~ 0 ． 9 2 ； z 的取 值 范 围为 0 ． 9 0 - 0 ． 9 2 。 ( 2 ) 采 用 优 化 后 配合 比配制 的 C 4 0混 凝 土 ， 其 强 度满 足设 计 要求 ， 并且 早 期抗 C 1 一 渗透 性 能有 所提 高 。 参 考 文 献 ： 【 1 】陈建奎， 王栋民． 高性能混凝土( H P C ) 配合 比设计新 法一 全 计算法[ J ] ． 硅 酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 4 — 1 9 8 ． [ 2 ] M． I ． A． K h o k h a r ， e t a 1 ． Mi x d e s i g n o f c o n c r e t e w i t h h i g h c o n — t e n t o f mi n e r a l a d d i t i o n s ： O p t i mi s a t i o n t o i mp r o v e e a rl y a g e s t r e n g t h [ J 1 ． C e me n t a n d C e me n t C o m p o s i t e s ， 2 0 1 0 ( 3 2 ) ： 3 7 7 — 3 85． [ 3 ] 黄振兴 ． C 3 5高性 能混 凝土配合 比设计及施 re[J ] ． 混凝 土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 9 7 - 9 9 ． [ 4 ] 万 超， 曾志兴． 基于耐久 性的高性 能混凝土 配合 比设计 方 法[ J ] ． 建 筑科 学， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 5 ) ：7 7 - 8 0 ． [ 5 ] 王栋民，张守祺． 数 字混凝土一 混 凝土技术 发展 的新 方向 【 J J ． 混凝 土， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 3 — 1 8 ． 【 6 】 吴 中伟，廉慧珍． 高性能混凝土 【 M ] ． 北京： 中国铁道出版 社 ，1 9 9 9 ． [ 7 ] 赵 苏政 ． 掺复合型掺合料 混凝土的耐久性研 究 【 D 】 ． 南京： 南 京 林 业 大 学 ， 2 0 0 8 ． 【 8 】程 宇 科 ， 王 元 纲 ， 等 ．复合 型 掺 合 料 高性 能 混 凝 土 强 度 与抗 氯离子渗透性 的研究[ J J ． 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 2 2 — 2 4 ． 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 — 06 —1 3 通 讯 作 者 ： 王 元 纲 ( 1 9 5 9 - ) ， 男 ， 教 授 。 通 讯地 址 ： 南京林业大学研究生 院 联 系 电 话 ： 1 3 9 5 2 0 9 8 5 0 2 E - ma i l ： w y g @n j f u ．e o m ． c n 》 - 出窖 r 妇妇夸 r 妇啦毒 - 辛轻r 窖 鸯 一 妇亭妇r 夸妇 夸 一 嘻妇 妇夸 一 坐夸 专 r 妇窜 r 专妊一 {kr 毫k一 专妊 啻 宣 拿 r 宣妊 ， 窜 夸 拿宣 夸 妇 简讯 “ 2 0 1 1中国与亚洲 混凝土可持续发展 论坛 暨第八届全 国商品混凝土技术 与管理交流大会 ’ ’ 将 于广 西南宁召开 “ 中国商品混凝土可持续发展论坛暨全国商品混凝土技术与管理交流大会 ” 已连续举办 7年。为让从事 混凝土及其上下游产业 的科研 、 生产 、 应用单位及时了解 国内外有关的最新技术 和应用情况 ， 进一步加快新 技术 和新 产 品在行 业 内的推 广 和应 用 ，建 筑 材料 工 业技 术 情 报研 究所 联 合 亚洲 混 凝土 协会 将 于 2 0 1 1午 1 1 月 4 ～ 6日， 在广 西南 宁 召开 “ 2 0 1 1中 国与 亚洲 混 凝 土 可持 续 发 展论 坛 暨第 八 届 全 国商 品混 凝 土技 术 与管 理 交流 大会 ( 2 0 1 1年 中 国商 品混凝 土 年会 ) ” 。 会议将特邀亚洲与国内行业知名专家 、 学者 、 行业主管部门领导及参与重大工程建设 的相关专家做主题 发言 ， 并 与参 会代 表共 同探 讨 我 国商 品混凝 土 发展 的美 好 蓝 图 。大会 同期 还将 举 办 “ 亚洲 与 中 国混凝 土影 响 力品牌企业及突出贡献人物” 颁奖晚会和“ 亚洲混凝土新技术 、 新产品展示会” 。 一 1 5— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m