現(xiàn)代混凝土配合比(全計算法)

1、現(xiàn)代混凝土配合比設計全計算法北京工業(yè)大學 陳建奎摘要：傳統(tǒng)混凝土配合比設計方法(如絕對體積法和假定容重法)是以強度為基礎的半定量計算方法，不能全面滿足現(xiàn)代混凝土的性能要求?，F(xiàn)代混凝土配合比全計算設計方法是以工作性、強度和耐久性為基礎建立數(shù)學模型, 通過嚴格的數(shù)學推導得到混凝土的用水量和砂率的計算公式，并且將此二式與水灰(膠)比定則相結合能計算出混凝土各組份(包括：水泥、細摻料、砂、石、含氣量，用水量和超塑化劑摻量等)之間的定量關系和用量。這項研究成果是混凝土配合比上一次大的改進。由于模型的普遍適用性，全計算法不僅用于高性能混凝土的配比設計, 而目還能用于流態(tài)混凝土、高強混凝土、泵送混凝土、自密

2、實混凝土、商品混凝土以及防滲抗裂混凝土等現(xiàn)代混凝土的配合比設計。 關鍵詞：配合比、全計算法、高性能混凝土、流態(tài)混凝土。 一、高性能混凝上配合比全計算法設計 高性能混凝土(hpc)與高強混凝土(hsc)和流態(tài)混凝土(flc)最顯著的差別是混凝土配合比綜合考慮工作性、強度和耐久性。其配合比設計的基本原則是： (1) 滿足工作性的情況下，用水量要??； (2) 滿足強度的情況下水泥用量少，細摻料多摻； (3) 材料組成及其用量合理，滿足耐久性及特殊性能要求； (4) 摻多功能復合超塑化劑(csp)，改善和提高混凝土的多種性能。 因此，hpc的配合比設計比hsc和flc更為嚴格合理。 圖-1表示各種類型

3、的混凝土配合比分區(qū)范圍，無論采取什么方法設計，hsc,flc和plc(塑性混凝上)的配合比在一個范圍之內(nèi)，而hpc在ab線附近。由此證明hpc的配合比設計必須嚴格，精確和合理。強度與水灰(膠) 比的關系混凝土配合比設計是混凝土材料科學中最基本而又最重要的一個問題。早在1919年duff abrams (d艾布拉姆斯)就發(fā)表了混凝土強度的水灰比定則：“對于一定材料，強度僅取決于一個因素，即水灰比”。這一定則可以用下列公式表示： 該式成為混凝土配合比設計中計算強度的基礎。近80年來混凝土配合比設計方法也幾經(jīng)發(fā)展，到目前為止，最為常用的兩種方法是絕對體積法和假定容重法。這兩種方法都是以強度為基礎的半

4、定量設計方法。二、混凝土的普適體積模型 混凝土是多相聚集，其組分包括：水泥、礦物細摻料、砂：石子、水、空氣和外加劑等。 我們的基本觀點如下： (1) 混凝土各組成材料(包括固、氣、液三相)具有體積加和性， (2) 石子間的空隙由 干砂漿來填充， (3) 干砂漿的空隙由水來填充， (4) 千砂漿由水泥、細摻料、砂和空氣所組成。根據(jù)以上觀點，混凝土普適體積模型建立如圖-2。 兩個基本公式的數(shù)學推導 1、砂率計算公式 根據(jù)混凝土的普適體積模型(圖-2)可知： 漿體體積 ve = w+vc+vf+va (1) 集料體積 vs + vg = 1000一ve (2) 干砂漿體積 ves = vc+vf+v

5、s+va (3) 式中：ve 漿體體積 (l/m3) ves 干砂漿體積(l/m3) w 水的體積 (l/m3 或用水量kg/m3) vc、vf、va、vs和vg 分別表示水泥、細摻料(如fa)、空氣、砂子和石子的體積(l/m3) 由式(3)得： vs = ves一(vc+vf + va) (4) 由式(1)得： vc + vf + va = ve一w (5) 將式(5)代人式(4) 得： vs = vesve + w (6) 則砂子重量： s =(ves一ve + w) (7) 式中，s一砂子用量(kg/m3 ), 一砂的視密度(kg/m3 ) 由式(2)得： vg = 1000一vs一ve

6、 (8) 將式(6)代入式(8)得： vg = 1000vesw (9) 則石子重量： g = (1000ves一w) (10) 式中，g一石子用量(kg/m3), 石子的視密度(kg/m3 ) 由此式(13)表明，混凝土的砂率隨用水量的增加而增加，隨膠凝材料的增加而減小。 根據(jù)美國pkmehta和pcaitcin教授的觀點，要使hpc同時達到最佳的施工和易性和強度性能，其水泥漿與骨料的體積比應為35：65，故對hpc，可取ve =350l/m3，集料體積vs+vg =650l/m3 。 2、干砂漿體積的確定 對于一定粒徑的碎石，視密度為o ，堆密度為b 與石子空隙率(p)的關系為：公式(21

7、)、(22)和(23)表明： (1) 混凝土的用水量取決于強度和水膠比，混凝土強度越高，水膠比越小，則用水量越少; (2) 礦物細摻料的品種(密度不同)和摻量影響混凝土的用水量; (3) 引氣量越大，混凝土用水量越少。四. hpc配合比設計步驟 現(xiàn)代混凝土由水泥、礦物細摻料、砂、石子、水和超塑化劑等多種成分按嚴格的比例關系組成，傳統(tǒng) 配合比設計方法不可能得到優(yōu)化的配合比，而全計算法在設定條件下能精確計算出每個組分的用量和相互比例。hpc配合比全計算法設計步驟如下：7. 試配和配合比調(diào)整 在以上混凝土配合比設計中，配制強度、水膠比、用水量、膠凝材料組成與用量、砂率及粗細集料用量、超塑化劑等均可以

8、通過公式計算而定量確定，最終確定混凝土配合比，故稱之為全計算配合比設計。當然，在計算中也涉及到個別參數(shù)的取值問題，如對某特定混凝土，水泥漿體體積ve和干砂漿體積ves的取值，但這些取值都有比較成熟的研究結果與傳統(tǒng)的配比設計中大量參數(shù)經(jīng)過查表取值的經(jīng)驗方法比較，其科學性與定量性大大提高 值得指出的是在用水量w公式中涉及到兩個參數(shù)，氣體體積。和膠凝材料中超細粉摻合料體積分數(shù)同時給出了超塑化劑摻量的計算公式超塑化劑csp和超細粉(摻量)在設計中均得以體現(xiàn)，這是以高耐久性為特征的hpc的必要組成材料另外va氣體體積分數(shù)為引氣混凝土特征項，成為引氣型高耐久性混凝土當然，混凝土耐久性是一個非常復雜的問題，

9、涉及很多方面，除上述各方面外，還有諸如堿集料反應，抗硫酸鹽侵蝕等，這只須在配合比設計時同時對組成材料化學成分加以關注即可將配制強度60130 mpa計算配合比例人表-4中 表-5是將作者提出的全計算方法得到的hpc配合比與美國資料中hpc的配合比進行對比由此看出，由水膠比計算用水量與美國資料中的統(tǒng)計用水量完全一致兩種方法得到的砂率相差不大，總的規(guī)律是相似的，即砂率隨用水量的減小而減小強度等級劃分和抗壓強度值有差別這是由于標準不同和抗壓強度測定方法不同，美國采用園柱形試體，中國采用立方體試體但是抗壓強度與水膠比關系是相同的 綜上所述可得出結論： (1)在國內(nèi)外首次建立了普遍適用的混凝土體積模型, 以此為基礎推導求得了兩個重要的基本關系式,用水量公式和砂率計算公式。這兩個公式揭示了混凝土組成材料內(nèi)在的客觀規(guī)律和必然聯(lián)系，成為hpc混凝土全計算配合比設計的基礎它使得hpc混凝土配合比設計從半定量走向定量、從經(jīng)驗走向科學，是混凝土配合比設計上一較大的改進 (2)由于模型的普遍適用性，這兩個基本關系式及全計算配合比設計方法不僅適用于高性