现代混凝土配合比(全计算法).doc

现代混凝土配合比设计——全计算法
[摘要]：传统混凝土配合比设计方法(如绝对体积法和假定容重法)是以强度为基础的半定量计算方法，不能全面满足现代混凝土的性能要求。现代混凝土配合比全计算设计方法是以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型, 通过严格的数学推导得到混凝土的用水量和砂率的计算公式，并且将此二式与水灰(胶)比定则相结合能计算出混凝土各组份(包括：水泥、细掺料、砂、石、含气量，用水量和超塑化剂掺量等)之间的定量关系和用量。这项研究成果是混凝土配合比上一次大的改进。由于模型的普遍适用性，全计算法不仅用于高性能混凝土的配比设计, 而目还能用于流态混凝土、高强混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、商品混凝土以及防渗抗裂混凝土等现代混凝土的配合比设计。

一、高性能混凝上配合比全计算法设计
高性能混凝土(HPC)与高强混凝土(HSC)和流态混凝土(FLC)最显著的差别是混凝土配合比综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的基本原则是： (1) 满足工作性的情况下，用水量要小； (2) 满足强度的情况下．水泥用量少，细掺料多掺； (3) 材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求； (4) 掺多功能复合超塑化剂(CSP)，改善和提高混凝土的多种性能。 因此，HPC的配合比设计比HSC和FLC更为严格合理。 图-1表示各种类型的混凝土配合比分区范围，无论采取什么方法设计，HSC,FLC和PLC(塑性混凝上)的配合比在一个范围之内，而HPC在AB线附近。由此证明HPC的配合比设计必须严格，精确和合理。
强度与水灰(胶) 比的关系混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最重要的一个问题。早在1919年Duff Abrams (D．艾布拉姆斯)就发表了混凝土强度的水灰比定则：“对于一定材料，强度仅取决于一个因素，即水灰比”。这一定则可以用下列公式表示：

该式成为混凝土配合比设计中计算强度的基础。近80年来混凝土配合比设计方法也几经发展，到目前为止，最为常用的两种方法是绝对体积法和假定容重法。这两种方法都是以强度为基础的半定量设计方法。
二、混凝土的普适体积模型
混凝土是多相聚集，其组分包括：水泥、矿物细掺料、砂：石子、水、空气和外加剂等。 我们的基本观点如下：
(1) 混凝土各组成材料(包括固、气、液三相)具有体积加和性，
(2) 石子间的空隙由 干砂浆来填充，
(3) 干砂浆的空隙由水来填充，
(4) 千砂浆由水泥、细掺料、砂和空气所组成。根据以上观点，混凝土普适体积模型建立如图-2。

两个基本公式的数学推导
1、砂率计算公式 根据混凝土的普适体积模型(图-2)可知：
浆体体积 Ve = W+Vc+Vf+Va (1)
集料体积 Vs + Vg = 1000一Ve (2)
干砂浆体积 Ves = Vc+Vf+Vs+Va (3)
式中：Ve— 浆体体积 (l/m3)
Ves— 干砂浆体积(l/m3)
W— 水的体积 (l/m3 或用水量kg/m3)
Vc、Vf、Va、Vs和Vg— 分别表示水泥、细掺料(如FA)、空气、砂子和石子的体积(l/m3)
由式(3)得：
Vs = Ves一(Vc+Vf + Va) (4)
由式(1)得：
Vc + Vf + Va = Ve一W (5)
将式(5)代人式(4) 得：
Vs = Ves—Ve + W (6)
则砂子重量：
S =(Ves一Ve + W)•ρ (7)
式中，S一砂子用量(kg/m3 ),
ρ 一砂的视密度(kg/m3 )
由式(2)得：
Vg = 1000一Vs一Ve (8)
将式(6)代入式(8)得：
Vg = 1000—Ves—W (9)
则石子重量： G = (1000—Ves一W)• ρ (10)
式中，G一石子用量(kg/m3),
ρ —石子的视密度(kg/m3 )

 由此式(13)表明，混凝土的砂率随用水量的增加而增加，随胶凝材料的增加而减小。
根据美国P．K．Mehta和P．C．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，其水泥浆与骨料的体积比应为35：65，故对HPC，可取Ve =350l/m3，集料体积Vs+Vg =650l/m3 。
2、干砂浆体积的确定
对于一定粒径的碎石，视密度为ρo ，堆密度为ρb 与石子空隙率(P)的关系为：

公式(21)、(22)和(23)表明：
(1) 混凝土的用水量取决于强度和水胶比，混凝土强度越高，水胶比越小，则用水量越少;
(2) 矿物细掺料的品种(密度不同)和掺量影响混凝土的用水量;
(3) 引气量越大，混凝土用水量越少。
四. HPC配合比设计步骤
现代混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石子、水和超塑化剂等多种成分按严格的比例关系组成，传统 配合比设计方法不可能得到优化的配合比，而"全计算法"在设定条件下能精确计算出每个组分的用量和相互比例。HPC配合比全计算法设计步骤如下：

7. 试配和配合比调整
在以上混凝土配合比设计中，配制强度、水胶比、用水量、胶凝材料组成与用量、砂率及粗细集料用量、超塑化剂等均可以通过公式计算而定量确定，最终确定混凝土配合比，故称之为全计算配合比设计。
当然，在计算中也涉及到个别参数的取值问题，如对某特定混凝土，水泥浆体体积Ve和干砂浆体积Ves的取值，但这些取值都有比较成熟的研究结果．与传统的配比设计中大量参数经过查表取值的经验方法比较，其科学性与定量性大大提高． 值得指出的是在用水量W公式中涉及到两个参数，气体体积。和胶凝材料中超细粉掺合料体积分数•同时给出了超塑化剂掺量的计算公式．超塑化剂CSP和超细粉(掺量)在设计中均得以体现，这是以高耐久性为特征的HPC的必要组成材料．
另外Va气体体积分数为引气混凝土特征项，成为引气型高耐久性混凝土．
当然，混凝土耐久性是一个非常复杂的问题，涉及很多方面，除上述各方面外，还有诸如碱集料反应，抗硫酸盐侵蚀等，这只须在配合比设计时同时对组成材料化学成分加以关注即可．将配制强度60—130 MPa计算配合比例人表-4中．

表-5是将作者提出的全计算方法得到的HPC配合比与美国资料中HPC的配合比进行对比．由此看出，由水胶比计算用水量与美国资料中的统计用水量完全一致．两种方法得到的砂率相差不大，总的规律是相似的，即砂率随用水量的减小而减小．强度等级划分和抗压强度值有差别．这是由于标准不同和抗压强度测定方法不同，美国采用园柱形试体，中国采用立方体试体．但是抗压强度与水胶比关系是相同的．
综上所述可得出结论：
(1)在国内外首次建立了普遍适用的混凝土体积模型, 以此为基础推导求得了两个重要的基本关系式,用水量公式和砂率计算公式。这两个公式揭示了混凝土组成材料内在的客观规律和必然联系，成为HPC混凝土全计算配合比设计的基础．它使得HPC混凝土配合比设计从半定量走向定量、从经验走向科学，是混凝土配合比设计上一较大的改进．
(2)由于模型的普遍适用性，这两个基本关系式及全计算配合比设计方法不仅适用于高性能混凝土，也适用于普通混凝土、高强混凝土、流态混凝土及其它混凝土．
(3)用本方法设计的HPC配合比与美国资料中的HPC统计配合比总体上完全一致．本技术在北京、广州、深圳、珠海、厦门、济南、浙江 等地试用，效果良好，大大降低了试验工作量，提高了工作效率及可靠性，受到质检站、混凝土公司工程技术人员的普遍欢迎．
混凝土配合比设计步骤
1、核对供应商提供的水泥熟料的化学成分和矿物组成、混合材种类和数量等资料，并根据设计要求，初步选定混凝土的水泥、矿物掺和料、骨料、外加剂、拌和水的品种以及水胶比、胶凝材料总用量、矿物掺和料和外加剂的掺量。当设计无明确要求时，可参考有关规定进行选定。
2、参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）的规定计算单方混凝土中各原材料组分用量，并核算单方混凝土的总碱含量和氯离子含量是否满足要求。否则应重新选择原材料或调整计算的配合比。
3、采用工程中实际使用的原材料和搅拌方法，通过适当调整混凝土外加剂用量或砂率，调配出坍落度、含气量、泌水率、表观密度符合要求的混凝土配合比。试拌时，每盘混凝土的最小搅拌量应在15 L以上。该配合比作为基准配合比。
4、改变基准配合比的水胶比、胶凝材料用量、矿物掺和料掺量、外加剂掺量或砂率等参数，调配出拌和物性能与要求值基本接近的配合比3～5个。
5、按要求对上述不同配合比混凝土制作力学性能和抗裂性能对比试件，养护至规定龄期时进行试验。其中，抗压强度试件每种配合比宜制作4组，标准养护至1d、3d、28d、56d时试压，试件的边长可选择150mm或100mm；抗裂性对比试验参照有关方法进行。
6、从上述配合比中优选出拌和物性能和抗裂性优良、抗压强度适宜的一个或多个配合比各成型一组或多组耐久性试件，养护至规定龄期时进行试验。
7、根据上述不同配合比对应混凝土拌和物的性能、抗压强度、抗裂性以及耐久性能试验结果，按照工作性能优良、强度和耐久性满足要求、经济合理的原则，从不同配合比中选择一个最适合的配合比作为理论配合比。
8、采用工程实际使用的原材料拌和混凝土，测定混凝土的表观密度。根据实测拌和物的表观密度，求出校正系数，对理论配合比进行校正。
9、当混凝土的力学性能或耐久性能试验结果不满足设计或施工的要求时，则应重新根据要求选择水胶比、凝材料用量或矿物掺和料用量，并按照上述步骤重新试拌和调整混凝土配合比，直至满足要求为止。
10、当混凝土原材料、施工环境温度发生较大变化时，应及时调整混凝土配合比。
混凝土的分类
 1、按表观密度分类 混凝土按表观密度大小不同可分为三类：
 ①重混凝土它是指干表观密度大于2600kg／m的混凝土，通常是采用高密度集料(如重晶石、铁矿石、钢屑等)或同时采用重水泥(如钡水泥、锶水泥等)制成的混凝土。因为它主要用作核能工程的辐射屏蔽结构材料，又称为防辐射混凝土。
②普通混凝土它是指干表观密度为2000～2600kg／m的混凝土，通常是以常用水泥为胶凝材料，且以天然砂、石为集料配制而成的混凝土。它是目前土木工程中最常用的水泥混凝土。
 ③轻混凝土 它是指干表观密度小于1950ks的混凝土，通常是采用陶粒等轻质多孔的集料，或者不用集料而掺人加气剂或泡沫剂等而形成多孔结构的混凝土。根据其性能与用途的不同又可分为结构用轻混凝土、保温用轻混凝土和结构保温轻混凝土等。
 2、按用途分类   按混凝土在工程中的用途不同可分为结构混凝土、水工混凝土、海洋混凝土、道路混凝上、防水混凝土、补偿收缩混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土等。
 3、按强度等级分类 按混凝土的抗压强度可分为低强混凝土、中强混凝土、高强混凝土及超高强混凝土等。
4、按生产和施工方法分类按棍凝土的生产和施工方法不同可分为预拌(商品)混凝土、泵送混凝土、喷射混凝土、压力灌浆混凝土 (预填骨料混凝土)、挤压混凝土、离心混凝土、真空吸水混凝土、碾压混凝土等。
此外，按每立方米混凝土中水泥用量(C)分为贫混凝土(C≤170kg／m)和富凝土(C≥230kg／m)。
另外，还有掺加其他辅助材料的特种混凝土，如粉煤灰混凝土、纤维棍凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土、硅酸盐混凝土等。

混凝土分类
混凝土的种类按胶凝材料分类
　　①无机胶凝材料混凝土，如水泥混凝土、石膏混凝土、硅酸盐混凝土、水玻璃混凝土等； 　　
②有机胶结料混凝土，如沥青混凝土、聚合物混凝土等。
混凝土按表观密度分类
　　混凝土按照表观密度的大小可分为：重混凝土、普通混凝土、轻质混凝土。这三种混凝土不同之处就是骨料的不同。 　　
重混凝土是表观密度大于2500Kg/m3，用特别密实和特别重的集料制成的。如重晶石混凝土、钢屑混凝土等，它们具有不透x射线和γ射线的性能。 　　
普通混凝土即是我们在建筑中常用的混凝土，表观密度为1950～2500Kg/ m3，集料为砂、石。 　　
轻质混凝土是表观密度小于1950Kg/m3的混凝土。
它由可以分为三类： 　　
1． 轻集料混凝土，其表观密度在800～1950Kg/ m3，轻集料包括浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、矿渣等。 　　
2． 多空混凝土（泡沫混凝土、加气混凝土），其表观密度是300～1000Kg/ m3。泡沫混凝土是由水泥浆或水泥砂浆与稳定的泡沫制成的。加气混凝土是由水泥、水与发气剂制成的。 　　
3． 大孔混凝土（普通大孔混凝土、轻骨料大孔混凝土），其组成中无细集料。普通大孔混凝土的表观密度范围为1500～1900Kg/ m3，是用碎石、软石、重矿渣作集料配制的。轻骨料大孔混凝土的表观密度为500～1500Kg/ m3，是用陶粒、浮石、碎砖、矿渣等作为集料配制的。
按使用功能分类主要有
　　结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防辐射混凝土等。
按施工工艺分类主要有
　　离心混凝土、真空混凝土、灌浆混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、泵送混凝土等。按配筋方式分有：素(即无筋)混凝土、钢筋混凝土、钢丝网水泥、纤维混凝土、预应力混凝土等。
按混凝土拌合物的和易性分类
　　干硬性混凝土、 半干硬性混凝土、 塑性混凝土、流动性混凝土、高流动性混凝土、流态混凝土等。
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