緊密堆積混凝土配合比設(shè)計方法研究

1、摘 要 水泥混凝土廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)各個領(lǐng)域，隨著經(jīng)濟發(fā)展、科技進步，人們對其使用品質(zhì)要求越來越高?，F(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計的混凝土以懸浮密實型結(jié)構(gòu)為主，易在集料與水泥石粘結(jié)處發(fā)生破壞，且尚未充分發(fā)揮粗集料的作用。為此，本研究在體積法的基礎(chǔ)上，提出了粗集料緊密堆積結(jié)構(gòu)與緊密堆積型水泥混凝土概念，并對其工作性、強度特性及其設(shè)計方法開展了系統(tǒng)研究，以期節(jié)約成本，提高混凝土性能，具有重要工程實用價值。粗集料緊密堆積結(jié)構(gòu)是指骨架顆粒與填充顆粒之間充分嵌鎖、緊密排列、不干涉或少干涉，使其達到合理密實狀態(tài)時形成一個多級空間骨架結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，利用砂填充粗集料振實剩余空隙，粉煤灰作為填充砂振實剩余空隙

2、，再用水泥凈漿潤滑和填充混合料的剩余空隙，形成緊密堆積型水泥混凝土。綜合研究成果，提出了緊密堆積型混凝土配合比設(shè)計方法，并與現(xiàn)行設(shè)計方法對比表明，同等強度、工作性要求下，緊密堆積型水泥混凝土比現(xiàn)行設(shè)計方法確定的混凝土的經(jīng)濟性更好，且設(shè)計方法可操作性強，簡便實用，可以直接應(yīng)用于工程實際。關(guān)鍵詞：水泥混凝土，工作性，強度特性，配合比設(shè)計方法ABSTRACT Concrete widely used in infrastructure construction in various fields, along with economic development, scientific and tec

3、hnological progress, people use their increasingly high-quality. The existing design of concrete mix designed to suspension-compacting concrete structure-oriented and easy to damage in bonding of aggregate and cement, and has yet to give full play to the role of coarse aggregate. For this reason, ba

4、sing on the Volume and Interference theory, the study put forward a coarse aggregate embedded lock skeleton structure and embedded lock dense concrete concept, and research systematically on its working, strength and design, with a view save costs and improve the properties of concrete,important wor

5、ks have practical value.The coarse aggregate embedded lock skeleton structure is that skeleton particles embed fully, work closely, non-interference or less with peanuts, and to reach a state of reasonable density to form a multi-level space frame structure; on this basis, use sand to fill coarse ag

6、gregate remaining gap, use cement paste to lubricate and fill the remaining gap of coarse aggregate and sand mixture, forming dense embedded lock-cement concrete. Comprehensive research results, put forward the embedded lock-dense concrete mix design method, and compared the existing design methods

7、show that the same intensity, working, embedded lock density cement concrete cement concrete mix design are better than the existing concrete on economy better, can be highly workable, simple and practical, can be directly applied to engineering practice.Key words: cement concrete, working, strength

8、, mix design methods目錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1引言11.2研究背景11.3 國內(nèi)外混凝土配合比設(shè)計方法研究概況31.4 主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線7 1.4.1 主要研究內(nèi)容7 1.4.2 技術(shù)路線7第二章 普通混凝土、緊密堆積混凝土92.1普通混凝土配合比設(shè)計9 2.1.1普通水泥混凝土(ordinary cement concrete)9 2.1.2普通水泥混凝土的組成設(shè)計92.2緊密堆積混凝土配合比設(shè)計14第三章 試驗研究173.1試驗設(shè)計思想173.2試驗方法173.3試驗儀器及設(shè)備183.4試驗原材料選擇18 水泥18 粗集料19 細集料19

9、 3.4.4水20 原材料試驗203.5初步緊密堆積混凝土試驗25 初步試驗設(shè)計25 初步試驗結(jié)果及分析263.6對比試驗27 對比試驗設(shè)計27 對比試驗結(jié)果及分析283.7 綜合對比分析28第四章 經(jīng)濟技術(shù)分析294.1經(jīng)濟效益分析294.2環(huán)境效益分析30第五章 結(jié)論與建議315.1結(jié)論315.2建議32參考文獻33致謝：34 第一章 緒論1.1引言建筑工程的質(zhì)量問題是關(guān)系到國家人民生命財產(chǎn)安危的千年大計?；炷潦堑缆放c橋梁以及房屋工程建設(shè)中,應(yīng)用最廣泛 、用量最大的建筑材料之一?；炷临|(zhì)量的控制也就成為確保工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。水泥混凝土屬于多相復(fù)合材料，是以水泥為凝膠材料，碎石為骨料，經(jīng)

10、加水?dāng)嚢?、澆筑成型、凝結(jié)固化成具有一定強度的人工石料。水泥混凝土以其原材料豐富，適應(yīng)性強，耐久性好，能源消耗與成本較低，同時又能消化大量的工業(yè)廢渣等特點，己經(jīng)成為人類社會生活的基礎(chǔ)。水泥混凝土廣泛應(yīng)用于社會基礎(chǔ)建設(shè)各個領(lǐng)域中，且用量不斷增加，使用品質(zhì)要求不斷提高，對工程質(zhì)量和成本的影響也越來越大。而在水泥混凝土影響工程質(zhì)量和成本的諸多因素中，水泥混凝土配合比設(shè)計乃是成敗的關(guān)鍵；水泥混凝土配合比設(shè)計就是根據(jù)工程要求、結(jié)構(gòu)形式、施工條件等，確定滿足工作性、強度及耐久性和其它要求的同時，考慮經(jīng)濟合理的水泥、集料、水及外加劑等各組分的配合比例。1.2研究背景混凝土配合比設(shè)計是混凝土材料科學(xué)中最基本且最

11、重要的一個問題。在過去一個多世紀(jì)里，混凝土配合比設(shè)計方法幾經(jīng)發(fā)展，形成了多種以宏觀組成設(shè)計參數(shù)和力學(xué)強度為指標(biāo)的設(shè)計體系。傳統(tǒng)的配合比設(shè)計方法是計算試配法，其計算依據(jù)是在普通混凝土組成與性能一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，計算得到粗略配合比，再經(jīng)試配調(diào)整得到以強度為主要指標(biāo)的配合比，我國幾十年來一直沿用這種方法1。推薦圖表法，其由地區(qū)主管部門積累大量數(shù)據(jù)，經(jīng)試驗、整理，將配合比的主要參數(shù)（用水量、水灰比、砂率及混凝土表觀密度等）匯總列表，供技術(shù)人員選擇使用，有時也列成配合比直接供人取用，一般使用前還需要再經(jīng)適當(dāng)試拌和調(diào)整。數(shù)據(jù)積累法，即設(shè)計的混凝土配合比在施工后得到平均強度和施工標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)，經(jīng)過記錄、統(tǒng)計

12、，然后將實際結(jié)果（強度、標(biāo)準(zhǔn)差）與設(shè)計值（配制強度、預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)差）比較分析，總結(jié)經(jīng)驗，以便下次設(shè)計修正、提高，這樣經(jīng)過不斷實踐，使配合比更加切合實際。普通混凝土配合比設(shè)計方法通常通過合理確定水灰比、單位用水量和砂率三個基本參數(shù)，進而得出水泥、水、細集料和粗集料這四種主要組成材料的實際用量。上述三個基本參數(shù)與混凝土的各項性能之間有著密切的關(guān)系。水灰比對混凝土的強度和耐久性起著關(guān)鍵作用，在水灰比一定的條件下，單位用水量則反映了水泥漿與骨料之間的比例關(guān)系，單位用水量是控制拌合物流動性的主要因素；而砂率對混凝土拌合物的和易性，特別是其中的黏聚性和保水性有很大影響。配合比設(shè)計時，不同規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和工程要求，

13、對粗集料的最大公稱粒徑、巖性、針片狀含量等原材料性質(zhì)提出了明確要求，但是，對粗集料的級配及其結(jié)構(gòu)組成的要求相對較弱。在常見的三種級配結(jié)構(gòu)中，水泥混凝土設(shè)計主要利用最大密度曲線理論計算確定連續(xù)密實級配。最大密度曲線理論主要描述了連續(xù)級配的顆粒分布，即級配中某一礦質(zhì)混合料在標(biāo)準(zhǔn)篩孔配成的套篩中進行篩析時，所得的級配曲線平順圓滑，具有連續(xù)的（不間斷的）性質(zhì)，相鄰粒徑的粒料之間有一定的比例關(guān)系（按質(zhì)量計），這種級配由大到小，逐級粒徑均勻，并按比例互相搭配組成礦質(zhì)混合料，特點是各級骨料均被次級的粒料撐開，充分密實2。連續(xù)密實級配混凝土在極限荷載作用下，最易產(chǎn)生三種混凝土強度理論的其中一種破壞，即認為水泥

14、石與骨料間的粘結(jié)因沿斜截面的剪應(yīng)力而被破壞。另外兩種破壞理論為：（1）正應(yīng)力分布與水泥石和骨料模量之間的比例相對應(yīng)，即認為應(yīng)力集中在彈性模量較高的材料上，而在較弱的材料上卸荷，引起水泥石被拉斷；（2）受壓時的橫向膨脹導(dǎo)致骨料本身被拉斷引起混凝土的破壞3。一般認為，水泥石的強度、水泥石與骨料間的粘結(jié)力、骨料的強度構(gòu)成了水泥混凝土的強度，現(xiàn)有水泥混凝土配合比設(shè)計方法中對前兩者重視程度相對較高。 Kaplan4于1961年把斷裂力學(xué)用于混凝土破壞分析時指出，除了水灰比、水泥標(biāo)號外，粗骨料強度和級配結(jié)構(gòu)對混凝土強度也有重要影響，良好的級配結(jié)構(gòu)能夠阻斷裂縫的開展。良好的粗集料結(jié)構(gòu)不僅可以提高混凝土的強度

15、，在荷載作用時，還可以充分發(fā)揮粗集料自身的強度；同時，在配制強度一定時，可以節(jié)約水泥的用量，減低工程成本。綜上所述，水泥混凝土配合比設(shè)計時，若忽視粗骨料的級配所形成的結(jié)構(gòu)對混凝土性能的影響，將影響著工程建設(shè)成本和工程質(zhì)量。雖然水泥混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55-2000）5對原材料與混合料提出了嚴(yán)格技術(shù)要求，但對粗集料級配的要求相對較寬。為此，本研究重點從水泥混凝土的強度構(gòu)成原理出發(fā)，借鑒體積法設(shè)計思想，提出粗集料緊密堆積結(jié)構(gòu)組成，充分發(fā)揮集料的作用。試驗研究粗集料的結(jié)構(gòu)組成、砂作為填充石的顆粒的比例、粉煤灰作為填充砂的顆粒比例，水泥凈漿作為填充固結(jié)料等對水泥混凝土工作性與強度的影響，以技術(shù)

16、合理、經(jīng)濟有效、可操作性強為原則，提出緊密堆積型水泥混凝土配合比設(shè)計方法。研究成果可直接指導(dǎo)水泥混凝土設(shè)計與施工，保證工程質(zhì)量，節(jié)約工程成本，有效利用有限資源，具有重要的工程現(xiàn)實意義。1.3 國內(nèi)外混凝土配合比設(shè)計方法研究概況 1.3.1國外混凝土配合比設(shè)計方法研究現(xiàn)狀國外混凝土配合比設(shè)計方法有ACI法（American Concrete Institute，美國混凝土協(xié)會法）、PCA法（Portland Cement Association，波特蘭水泥協(xié)會）、BRE法（BRITISH Enviroment英國環(huán)境部的方法）以及法國的Dreux、Baron和Lesage方法等。美國混凝土協(xié)會（

17、ACI 211）配合比設(shè)計方法，可能是目前世界上最流行的方法之一，其主要步驟：（1）選擇坍落度和集料最大粒徑（MSA）根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、尺寸、強度要求和混凝土使用環(huán)境按給定的經(jīng)驗表格進行選擇。（2）估計用水量和含氣量ACI方法認為用水量主要由MSA和要求的坍落度控制，而含氣量取決于MSA。因此，該方法對不同的坍落度和集料最大公稱粒徑所需拌和用水量及含氣量的近似值以表格的形式給出，以供使用者選擇。（3）選擇水灰比根據(jù)耐久性規(guī)定的最大水灰比、抗壓強度要求進行選擇，見表1.1表1.1最大水灰比28天抗壓強度/MPaW/C非引氣混凝土引氣混凝土450.38400.42350.470.39300.540.4

18、5 注：摘自ACI211.1； 抗壓強度按照ASTM C31，以濕養(yǎng)護的150mm×300mm的圓柱體試驗為準(zhǔn)。 （4）計算水泥用量 由水灰比和用水量可以計算得出。（5）估計粗骨料用量首先以標(biāo)準(zhǔn)方法（干搗法）測得粗骨料容積隨后，該值乘以表中系數(shù)，此系數(shù)取決于骨料最大粒徑和砂的細度模數(shù)。（6）計算細骨料用量 此值為拌和物單位體積與前幾步驟中算得的各組分體積總和的差。（7）調(diào)整根據(jù)實際進行適當(dāng)調(diào)整。 DMMCC是Design Mix manual for Concrete Construction提供的設(shè)計方法的簡稱，是美國幾位教授于1982年編寫的的混凝土配合比手冊。此手冊為了提供一種

19、便捷獲得要求混凝土的方法，主要編寫了270個表格，表格中的數(shù)據(jù)由Lesslie D.Long等教授經(jīng)35年、幾千次的試驗總結(jié)的配合比關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換而來的，有很高的可靠性和很廣的應(yīng)用性。DMMCC法在水灰比、用水量等選擇確定方面與ACI方法大同小異。與其他的配合比設(shè)計方法不同的是，DMMCC配合比設(shè)計法在進行粗、細集料確定時，對混凝土進行分層次考慮，將砂漿對混凝土的影響考慮進來。其基本的思路是將混凝土的組成分為粗集料和砂漿兩個部分，由于粗集料的比表面積遠遠小于砂，且不同粒形和細度模數(shù)的砂比表面積差異很大，DMMCC法通過砂的空隙來反映砂的粒形和細度模數(shù)，并對不同空隙率的砂所需的水泥凈漿體進行校正。

20、 1.3.2 國內(nèi)混凝土配合比設(shè)計方法研究現(xiàn)狀 在我國，根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55-2000）（后面簡稱為設(shè)計規(guī)程）6可知，進行配合比設(shè)計時，首先要正確選定原材料品種，檢驗原材料質(zhì)量；然后按照混凝土技術(shù)要求進行初步計算，得到“計算配合比”；經(jīng)試驗室試拌調(diào)整，“基準(zhǔn)配合比”；再經(jīng)強度復(fù)核確定“試驗室配合比”；最后以現(xiàn)場原材料的實際情砂、石含水等)修正“實驗室配合比”，從而得到“施工配合比”7。 其中，計算配合比的具體步驟如下，實驗室配合比的確定如圖 1.1 （1）計算混凝土的配制強度； （2）根據(jù)混凝土的配制強度及耐久性要求，按水灰比定則公式計算水灰比； （3）根據(jù)施工要求的和易性

21、指標(biāo)（坍落度等）、粗骨料種類、最大粒徑，選取單位用水量； （4）根據(jù)計算的水灰比和選取的單位用水量，計算水泥用量，并考慮耐久性要求，按規(guī)定要求復(fù)核最小水泥用量； （5）根據(jù)水灰比、粗骨料種類、最大粒徑，選取合理砂率；按配比進行試配，檢查拌合物工作性是否符合要求。工作性符合要求，提出混凝土強度試驗用的配合比。拌合物性能不符合要求，保證水灰比不變的條件下，調(diào)整。確定混泥土配合比。當(dāng)實測值與計算值之差超過2%時，進行校正。根據(jù)普通混泥土配合比設(shè)計規(guī)程，確定試配用的配合比。按配合比稱料、攪拌、成型、養(yǎng)護、測定混凝土的強度等級強度等級符合要求后。確定每方混泥土各材料用量。按調(diào)整后的配合比試配，直到拌合物

22、工作性符合要求。強度等級不符合要求，重新進行設(shè)計，試配。根據(jù)技術(shù)指示和使用要求，確定原材料種類、規(guī)格。 （6）利用重量法或體積法，計算砂子用量和石子用量。圖1.1 普通混凝土實驗室配合比確定流程 普通混凝土配合比設(shè)計方法是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計方法，水灰比、單位用水量和砂率三個參數(shù)中，只有水灰比按計算確定，而計算公式中有的參數(shù)也是由回歸分析所得，其它兩參數(shù)均需查表選擇。這些表格是人們長期以來生產(chǎn)普通混凝土的實踐經(jīng)驗的總結(jié)，在一定程度上反映了普通混凝土配合比的一般規(guī)律。 在設(shè)計規(guī)程中，用來確定單位用水量和砂率值的表格的控制因素是碎卵石的最大粒徑、坍落度和水灰比，其中的坍落度和水灰比的范圍難以滿

23、足大流動性和低水灰比混凝土的要求，也沒有充分考慮高效減水劑和礦物摻合料對混凝土工作性的調(diào)節(jié)作用。我國現(xiàn)行公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范8中，道路混凝土配合比設(shè)計是以抗折強度為主要設(shè)計指標(biāo)；再根據(jù)鮑羅米（Bolomy）公式 R=Af(C/W-B) (C/W為水灰比)的修正公式計算所需的水灰比；然后選擇砂率，計算單位用水量；最后根據(jù)表觀密度或絕對體積法確定相應(yīng)的配合比9。 綜上所述，我國配合比設(shè)計參數(shù)主要考慮了水灰比、砂率、用水量；而對粗集料最大公稱粒徑、粒徑、砂的粗細等其他因素則給定一個取值范圍，粗細集料級配的范圍認為符合要求即可。而以ACI為代表的設(shè)計方法考慮的參數(shù)有水灰比、用水量、骨料最大粒

24、徑、單位體積混凝土中粗骨料在干燥搗實的狀態(tài)下所占的體積、砂的細度模數(shù)、粗骨料搗實容重等。這兩種國內(nèi)外具有代表性的設(shè)計方法均未對粗集料的結(jié)構(gòu)組成提出明確相關(guān)要求，在選定粗集料組成時，技術(shù)人員通常根據(jù)規(guī)范推薦的粗集料范圍，按最大理論密度曲線確定粗集料級配，級配結(jié)構(gòu)多為懸浮密實型，這種級配結(jié)構(gòu)的混凝土在荷載作用下，容易在水泥石與集料粘結(jié)處產(chǎn)生破壞，而這種破壞是不可避免的，只能減少。要減少粘結(jié)處的破壞最直接的辦法是提高水泥石與集料的粘結(jié)力，而粘結(jié)力的大小與水泥標(biāo)號、水泥用量、集料性質(zhì)、水灰比等相關(guān)，提高水泥標(biāo)號、增加水泥用量會增加工程成本，集料性質(zhì)是相對不變的，改變水灰比會影響工作性等，所以要從間接方

25、法減少水泥石與集料粘結(jié)處的破壞10。根據(jù)Kaplan用斷裂力學(xué)分析混凝土破壞原因可知，級配結(jié)構(gòu)對混凝土強度有重要影響，良好的級配結(jié)構(gòu)能夠阻斷裂縫的開展，提高混凝土的強度。要減少或阻斷裂縫發(fā)展的級配結(jié)構(gòu)，只有讓粗集料之間緊密排列、相互嵌鎖，形成不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)形式，增大集料之間咬合力，消減應(yīng)力在水泥石與集料粘結(jié)處的作用。由此得知，開展粗集料級配結(jié)構(gòu)研究，將是充分發(fā)揮粗集料自身的強度，提高混凝土強度重要的途徑之一，也是節(jié)約水泥用量和降低工程成本的一個重要方面。1.4 主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線 1.4.1 主要研究內(nèi)容本文從水泥混凝土的強度構(gòu)成原理出發(fā)，借鑒體積法設(shè)計思想，提出粗集料緊密堆積結(jié)構(gòu)組成和緊密堆

26、積型混凝土理念，用振動填充試驗方法，分析不同因素對粗集料緊密堆積結(jié)構(gòu)組成的影響，以便于操作、實用可行為原則，提出級配組成設(shè)計方法。通過坍落度試驗，分析水灰比、砂率、填充比等對緊密堆積型混凝土工作性的影響。對緊密堆積型混凝土的強度特性進行系統(tǒng)試驗，分析不同參數(shù)與抗壓強度的關(guān)系，得出關(guān)系表達式11。綜合工作性與強度特性研究成果，提出同時滿足工作性與強度要求的緊密堆積型混凝土配合比設(shè)計方法。具體研究內(nèi)容包括： （1）粗集料緊密堆積級配組成研究； （2）緊密堆積型混凝土工作性研究； （3）緊密堆積型混凝土強度特性研究； （4）緊密堆積型水泥混凝土配合比設(shè)計方法研究； 1.4.2 技術(shù)路線混凝土可看成由

27、固液兩相組成的四層體系?？梢?混凝土需要的組成材料顆粒從小到大依次為：膠凝材料、砂、石。水膠凝材料膠凝漿體砂砂漿石子混凝土 本課題實驗分八大塊，具體實驗流程圖如圖1.2 1.集料的緊密密度試驗 粉煤灰摻入砂的緊密密度實驗； 520mm石子摻入2031.5mm石子的緊密密度實驗； 粉煤灰與砂的最佳摻配混合物摻入粗集料的最佳摻配混合物的緊密密度實驗； 2.采用緊密堆積型混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計混凝土配合比；3.配制緊密堆積型混凝土實驗； 4.緊密堆積型混凝土工作性和強度實驗； 5.采用普通混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計混凝土配合比； 6.配制普通混凝土實驗； 7.普通混凝土工作性能和強度實驗； 8.將普

28、通混凝土和緊密堆積混凝土進行綜合比較，并得出結(jié)論；低水泥用量的混凝土配合比混凝土配合比設(shè)計實驗 緊密堆積混凝土配合比計算 粉煤灰與砂的最佳摻配混合物摻入石子的最佳摻配混合物的緊密密度實驗 粉煤灰摻入砂的緊密密度實驗 選擇摻量較好的一組5 20mm石子摻入20 31.5mm石子的緊密密度實驗選擇摻量較好的一組圖1.2本實驗的具體流程第二章 普通混凝土、緊密堆積混凝土2.1普通混凝土配合比設(shè)計 2.1.1普通水泥混凝土(ordinary cement concrete)普通水泥混凝土是以通用水泥為膠結(jié)材料，用普通砂石為集料，并以水為原材料，按專門設(shè)計的配合比，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護而得到的復(fù)合材料?，F(xiàn)

29、代水泥混凝土中，為了調(diào)節(jié)和改善其工藝性能和力學(xué)性能，還加入各種化學(xué)外加劑(AimiXture)和磨細礦質(zhì)摻合料(Additive)。普通水泥混凝土具有原料豐富，便于施工和澆筑成各種形狀的構(gòu)件，硬化后性能優(yōu)越、耐久性好，節(jié)約能源，成本低廉等優(yōu)點。所以普通混凝土廣泛應(yīng)用于工民建、道路與橋梁、礦山井巷等建筑工程中。 2.1.2普通水泥混凝土的組成設(shè)計1.初步配合比的計算(1)確定混凝土的配制強cu.o混凝土配制強度(cu.o)應(yīng)根據(jù):設(shè)計要求的混凝土強度等級;施工單位質(zhì)量管理水平，按一下式確定。cu.o=cu.k+1.645式中 : cu.o 混凝土的施工配制強（MPa）cu.k混凝土立方體抗壓強度

30、標(biāo)準(zhǔn)值（即設(shè)計要求的混凝土強度等級）（MPa） 由施工單位質(zhì)量管理水平確定的混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差宜根據(jù)同類混凝土統(tǒng)計資料計算確定，并符合下列規(guī)定:(1)計算時，強度試件組數(shù)不少于25組;(2)當(dāng)混凝土強度等級為C20和C25級，其強度標(biāo)準(zhǔn)差計算值小于2.5MPa時，計算配制強度用的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)取不小于2.5MPa;當(dāng)混凝土強度等級等于或大于C30級，其強度標(biāo)準(zhǔn)差計算值小于3.0MPa時，計算配制強度用的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)取不小于3.0MPa。(3)當(dāng)無統(tǒng)計資料計算混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差時，其值按下表2.1的規(guī)定選用。表2.1混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差值表 強度等級（Mpa）低于C20C20C35高于C

31、35標(biāo)準(zhǔn)值（Mpa）4.05.06.0(2)計算水灰比(W/C)1)按混凝土要求強度等級計算水灰比和水泥實際強度根據(jù)己確定的混凝土配制強度cu.o，由下式計算水灰比:cu.o=Ace(C/W-B)式中 : cu.o 混凝土的配制強（MPa）A，B混凝土強度回歸系數(shù)，根據(jù)根據(jù)使用的水泥和粗、細集料經(jīng)過試驗得出灰水比與混凝土強度關(guān)系式確定，若無上述試驗統(tǒng)計資料時，可采用下表2.2數(shù)值;表2.2混凝土強度回歸系數(shù) 系數(shù)品種碎石卵石A0.460.48B0.070.33C/W混凝土所要求的水灰比ce 水泥28d抗壓強度實測值(MP)ace =Y。. ce.k其中: ce.k水泥強度等級值(MP)a;Y。

32、水泥強度等級值的富余系數(shù)。該值可按各地區(qū)實際統(tǒng)計資料確定。通常取1.00一1.13。 2)按耐久性校核水灰比，如下表2.3 表2.3普通混凝土的最大水灰比和最小水泥用量(JGJ55一2000)環(huán)境條件結(jié)構(gòu)物最大水灰比最小水泥用量（/m³）素混凝土鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土素混凝土鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土1.干燥 條件正常的居住或辦公房屋內(nèi)部件不作規(guī)定0.650.602002603002.潮濕環(huán)境無凍害高濕度的室內(nèi)部件室外部件在非侵蝕性土壤和（或）水中的部件0.700.600.60225280300有凍害經(jīng)受凍害的室外部件在非侵蝕性土和（或）水中且經(jīng)受凍害的部件0.550.550.55250

33、2803003.有凍害和除冰劑的潮濕環(huán)境經(jīng)受凍害和除冰劑作用的室內(nèi)和室外部件0.50.50.5300300300注:1、當(dāng)用活性摻合料取代部分水泥時，表中的最大水灰比及最小水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。2、 配制C15級及其以下等級的混凝土，可不受本表限制。(3) 選定單位用水量(mw。)根據(jù)粗集料的品種、粒徑及施工要求的混凝土拌和物稠度值(坍落度或維勃稠度)，選擇每立方米混凝土拌和物的用水量。如下表2.4表2.4混凝土的用水量選用表(kg/m3)項目指標(biāo)卵石最大粒徑（mm）碎石最大粒徑（mm）102031.540162031.540坍落度（mm）1030355055707590190

34、200210215170180190195160170180185150160170175200210220230185195205215175185195205165175185195維 勃稠度（s）16201115510175180185160165170145150155180185190170175180155160165(4)計算單位水泥用量(mc0)1)按強度要求計算單位用灰量 或 2)耐久性要求校核單位用灰量 根據(jù)耐久性要求，普通水泥混凝土的最小水泥用量，依結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境條件分別規(guī)定如前表。按強度要求由公式計算得的單位水泥用量，應(yīng)不低于前表規(guī)定的最小水泥用量。(5)選定（）混凝土

35、的砂率確定應(yīng)符合下列規(guī)定:1) 坍落度為1060mm的混凝土砂率，可根據(jù)粗骨料品種、粒徑和混凝土拌和物的水灰比按下表2.5確定砂率。2)坍落度大于60mm的混凝土砂率，可經(jīng)試驗確定，也可在下表的基礎(chǔ)上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以調(diào)整。3)坍落度小于10mm的混凝土，其砂率應(yīng)經(jīng)試驗確定?；炷辽奥蔬x用表如下表2.5表2.5混凝土砂率s選用值表水灰比（W/C）卵石最大粒徑（mm）碎石最大粒徑（mm）1020401620400.400.500.600.70263230353338364125312934323735402430283331363439303533383641394

36、429343237354038432732303533383641(6)計算粗、細集料單位用量(mG0、ms。) 粗、細集料的單位用量，可用質(zhì)量法或體積法求得。 1）質(zhì)量法質(zhì)量法又稱假定表觀密度法。該法是假定混凝土拌和物的表觀密度為一固定值，混凝土拌和物各組成材料的單位用量之和即為其表觀密度。如下式：（2-1） （2-1） 式中: mc。每立方米混凝土的水泥用量(kg） mg。每立方米混凝土的粗骨料用量(kg) ms0每立方米混凝土的細骨料用量(kg) mw0每立方米混凝土的用水量(kg) 砂率(%) mcp一每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg)其值可取23502450kg。 2)體積法體積

37、法又稱絕對體積法(Absolute volume method)。該法是假定混凝土拌和物的體積等于各組成材料絕對體積和混凝土拌和物中所含空氣體積之總和。如下式：（2-2） （2-2）式中:c水泥密度(g/cm3)，可取2.9003.100(g/cm3); G粗骨料的表觀密度(g/cm3); s細骨料的表觀密謀(g/cm3); w水的密度(g/cm3)，可取1.000(g/cm3); a混凝土的含氣量百分數(shù)，在不使用引氣型外加劑時，可取為1。2、 試拌調(diào)整，提出基準(zhǔn)配合比按計算出的初步配合比進行試拌，以校核混凝土拌和物的工作性。如試拌得出的拌和物的坍落度(或維勃稠度)不能滿足要求，或粘聚性和保水

38、性能不好時，則應(yīng)在保證水灰比不變的條件下，相應(yīng)調(diào)整用水量或砂率，直到符合要求為止。然后提出供混凝土強度校核用的“基準(zhǔn)配合比”12，即mca:mwa:msa:mGa3、 檢驗強度、確定試驗室配合比為校核混凝土的強度，至少擬定三個不同的配合比，其中一個為按上述得出的基準(zhǔn)配合比，另外兩個配合比的水灰比值，應(yīng)較基準(zhǔn)配合比分別增加及減少0.05(或者0.10)，其用水量應(yīng)該與基準(zhǔn)配合比相同，但砂率值可增加及減少1%。為檢驗混凝土強度，每種配合比至少制作一組(三塊)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d條件下進行抗壓強度測試。根據(jù)強度檢驗結(jié)果進一步修正配合比，即可得到“試驗室配合比設(shè)定值”。2.2緊密堆積混凝土配合比設(shè)計

39、 20世紀(jì)90年代，臺灣科技大學(xué)的黃兆龍博士根據(jù)多年的經(jīng)驗總結(jié)，將混凝土的“耐久性、安全性、工作性、經(jīng)濟性和生態(tài)性”溶于配合比設(shè)計中，采用顆粒堆積等材料科學(xué)原理，推出“逆填配比設(shè)計法”13。這種方法不同于前兩種傳統(tǒng)的配合比設(shè)計法，其關(guān)鍵是尋求混凝土中固態(tài)材料在最佳級配時的最大混合單位重，進而有效地獲知最小空隙體積，水泥漿以一定的富裕系數(shù)(n)填充此空隙，既滿足流動性的要求，又充分考慮了經(jīng)濟性。其主要步驟如下:(1) 通過利用四分法取樣測單位重的逐次逼近，求得粉煤灰填充砂、粒徑小的粗集料填入粒徑大的粗集料中，以及前者的最佳混合物填入后者的最佳級配混合物最佳填塞率，進而由固態(tài)材料的最密實堆積體積求

40、得相應(yīng)的最小空隙(Vv) ; （2）由Vp=nVv確定水泥漿體積，即用漿量;(3)通過1一Vp即固態(tài)實體總實際體積和粉煤灰、砂、石等原材料之間的比例關(guān)系，可分別求出粉煤灰、砂、石的用量;(4)再由水膠比確定水泥實際用量和不使用減水劑時水的總用量;(5)根據(jù)膠凝材料用量求出減水劑的用量，并進一步得出加入減水劑后水的實際用量。這種方法由于使混凝土中固態(tài)材料處于最密實堆積狀態(tài) 14，因此骨料和粉煤灰用量較多相應(yīng)可以節(jié)省水泥，成型后的混凝土更密實，有利于強度和耐久性，由于粉煤灰和高效減水劑雙摻增大了拌合物的流動性。 根據(jù)以上原理，緊密堆積混凝土中各材料用量的計算方法如下：1)結(jié)合不同粉煤灰、砂、石骨料

41、特性，通過致密系數(shù)、的確定，會得到粉煤灰與砂石致密堆積的最大堆積密度0。由最大堆積密度可求得骨料在致密堆積狀態(tài)下的空隙Vv 。 （2-3） 式中，、分別代表混合骨料在最大堆積密度狀態(tài)下粉煤灰的重量(kgm³)及粉煤灰比重(kgm³)；、 分別代表混合骨料在最大堆積密度狀態(tài)下石子的重量(kgm³)及石子比重(kgm³ )； 、分別代表混合骨料在最大堆積密度狀態(tài)下砂子的重量(kgm³)及砂子比重(kgm³)。 2)由致密系數(shù)、的定義知 （2-4） （2-5） 設(shè)水泥漿體富裕系數(shù)為n，n值可以根據(jù)不同施工需要變化，一般情況下，n值介于115

42、之間。則水泥漿體VP可用下式計算 (2-6) 則混凝土中骨料的體積為 (2-7)將式(2-2)和式(2-3)帶人式(2-5)中可求出各骨料的用量 (2-8) (2-9) (2-10)2) 水泥、礦渣和用水量的計算 (2-11) (2-12) 式中，、分別代表水和水泥的比重(kgm3)。第三章 試驗研究3.1試驗設(shè)計思想 本課題研究的混凝土配合比設(shè)計方法不同于普通混凝土配合比設(shè)計方法。本方法研究重點是從混凝土的強度構(gòu)成原理出發(fā)，借鑒體積法設(shè)計思想，提出緊密堆積結(jié)構(gòu)組成，充分發(fā)揮集料的作用 15。 本實驗主要從不同粒徑粗集料的緊密堆積、砂作為填充粗骨料空隙顆粒的比例、粉煤灰作為填充砂空隙的顆粒比例

43、、水泥凈漿作為填充固結(jié)料等對水泥混凝土工作性與強度的影響，以技術(shù)合理、經(jīng)濟有效、提出緊密堆積型水泥混凝土配合比設(shè)計方法。3.2試驗方法粗集料的密實程度通常利用振動試驗或搗實試驗進行分析。搗實試驗是通過人工搗實確定粗集料的密實度；振動試驗是模擬施工中機械外力振動，分為上振式和下振式，二者區(qū)別在于振動受力方式不同，上振式是從頂面施加激振力，而下振式是從底面施加激振力 16。目前，水泥混凝土室內(nèi)試驗成型試件時主要采用下振式17。因此，本研究采用下振式進行粗集料的振動填充試驗，振實筒容積為10L。每組試驗時，將集料分三次裝料，每次裝料后，振實筒底部放一直徑為25mm的鋼筋，將筒按住左右交替顛擊地面各2

44、5下，以保證集料達到充分密實穩(wěn)定狀態(tài)，待三層試樣填完畢后，加料直至超出筒口，然后用鋼筋刮下超出筒口的顆粒，用合適顆粒填平凹處，使表面稍突起和凹陷部分大致相等，最后稱試樣和筒總重。每組試驗平行試驗3次，剔除異常值后，取算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。粉煤灰與砂振動填充試驗與粗集料振動填充試驗基本相同，不同之處在于本填充試驗采用振動筒容量為1升，首先要按設(shè)計比例將粉煤灰與砂進行攪拌均勻，以達到充分混合，充分填充 18。已級配好的粉煤灰與砂的混合物填入已級配好的粗集料的混合物振動填充試驗與上述的粗集料振動填充試驗相同。3.3試驗儀器及設(shè)備（1）試模：尺寸為100×100×100mm；（3

45、）標(biāo)準(zhǔn)砂石篩：孔徑0.165.0mm，浙江上虞市公路儀器廠；（4）WAY300型電液式壓力試驗機：精度等級I級，生產(chǎn)廠家無錫市錫儀建材廠；（5）101A-2型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海恒三儀器有限公司；（6）分析天平：分度值0.1mg，最大稱量200g，上海精密科學(xué)儀器有限公司；（7）電子天平：分度值0.1g，最大稱量3Kg，上海友聲衡器有限公司；（10）燒杯、量筒、鐵鍬、抹刀、攪拌機。3.4試驗原材料選擇水泥混凝土屬于多相復(fù)合材料，是以水泥為凝膠材料，碎石為骨料，經(jīng)加水?dāng)嚢?、澆筑成型、凝結(jié)固化成具有一定強度的人工石料，主要由粗集料、細集料、水泥和水組成。隨著科技的發(fā)展，有時還摻加一些外加劑或礦

46、料摻合料。ACI對混凝土的定義為：混凝土是一種復(fù)合材料，其本質(zhì)為內(nèi)部含有骨料顆粒及粘結(jié)基材的復(fù)合材料。水泥混凝土中任何一種的材料性質(zhì)和組成比例的變化都對混凝土各種物理力學(xué)性能有著很大影響。因此，原材料的性質(zhì)及其控制是水泥混凝土配合比設(shè)計的基本內(nèi)容 19。 3.4.1水泥水泥屬于水硬性無機膠凝材料10，是混凝土中最重要的材料，其強度、單位用量、性質(zhì)等都對水泥混凝土的強度和耐久性有著重要影響。水泥強度等級的選擇原則為：混凝土設(shè)計強度等級越高，水泥強度等級也應(yīng)越高。例如：C40以下混凝土，一般選用強度等級32.5級；C45C60混凝土一般選用42.5級，在采用高效減水劑等條件下也可選用32.5級；大

47、于C60的高強混凝土，一般宜選用42.5級或更高強度等級的水泥；對于C15以下的混凝土，則宜選擇強度等級為32.5級的水泥，并外摻粉煤灰等混合材料。為了滿足強度要求，要保證混凝土中有足夠的水泥，但不宜過多。因為水泥用量過多（低強水泥配制高強度混凝土），一方面成本增加；另一方面，混凝土收縮增大，對耐久性不利。水泥用量過少（高強水泥配制低強度混凝土），混凝土的黏聚性變差，不易獲得均勻密實的混凝土，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。 3.4.2粗集料混凝土中用的粗集料主要指粒徑大于5mm的人工軋制碎石或卵石。在水泥混凝土中，粗集料所占的體積達到40%以上，所以在混凝土設(shè)計中占有很重要的位置19?；炷林械拇旨?/p>

48、料，可以顯著減少混凝土成分中的水泥用量，改善混凝土的性能。高強度粗集料構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)，可提高混凝土的強度及其抗變形能力，減少在荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形及混凝土的徐變。粗集料還會減少混凝土的收縮，從而增強混凝土耐久性。水泥石在硬化時的收縮可達到12mm/m，由于不均勻的收縮變形，水泥石會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至出現(xiàn)微裂縫，而粗集料能承受收縮應(yīng)力，使混凝土的收縮比水泥石減少數(shù)倍。粗集料的粒徑大小、表觀特性、級配組成對混凝土的工作性和強度影響很大。表面空隙多、粗糙、棱角明顯的粗集料，需要較多的水泥砂漿去填充集料表面空隙，降低集料之間的摩阻力以滿足工作性要求；而卵石只需要較少水泥砂漿就可以達到相同的工作性。粗集料

49、的級配組成不同混凝土的工作性也不同，其根本原因是每種級配結(jié)構(gòu)類型的空隙率和集料的總表面積有所不同。一般來說，良好的級配應(yīng)當(dāng)是：（1）粗集料空隙率要小，以節(jié)約水泥量；（2）集料總表面積要小，以節(jié)約潤濕集料的需水量；（3）要有適當(dāng)?shù)募氼w粒，以滿足混凝土拌合物的工作性。集料粒徑越大，單位重量集料表面積越小，用水量就越少，在達到規(guī)定的和易性的條件下，可以降低水灰比；但是粒徑過大，會減少集料與基體的粘結(jié)面積，還可能在集料內(nèi)部留有大的缺陷，也會造成混凝土強度下降。隨著粗集料最大粒徑的增大，骨料對混凝土強度的影響也增大，但是配制富漿混凝土（水泥用量最大的混凝土）時，增大粗集料的最大粒徑會導(dǎo)致混凝土強度降低。

50、 3.4.3細集料混凝土中細集料主要是天然砂，一般分為河砂、山砂及海砂。其中以河砂居多，質(zhì)量相對較好；山砂往往含泥量或泥塊含量過高，必須經(jīng)沖洗后使用；而海砂則含有其他有害成分，故不可將未經(jīng)處理的海砂直接用于混凝土。細集料的粒徑大小以細度模數(shù)表示，其級配對混凝土性能影響較大，粗砂因細顆粒少，使混凝土較為干澀，黏聚性下降，工作性不好；細砂和特細砂不但使混凝土極易離析，而且需水量大，從而增加了水泥用量；級配較好的中砂適用于各種混凝土和有特殊需求的混凝土，細度模數(shù)以2.53.0為宜。 3.4.4水凡能飲用的自來水和任何PH值不少于4的非酸性，都可以拌制混凝土拌合物?；炷恋陌韬陀盟?，僅有一部分水量（

51、約水泥用量的25%）參與水泥進行水化反應(yīng)，其余部分則用于保證拌和物工作性?；炷羻挝惑w積用水量影響混凝土工作性同時，也影響著抗?jié)B性、泌水性等，因此拌和用水量應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，不宜過大。綜上：本實驗原材料最終采用P·O42.5巢湖水泥、碎石、河沙、江蘇鎮(zhèn)江低效減水劑。 3.4.5原材料試驗 多數(shù)材料為多孔物質(zhì)，具有與外部相通的開口孔和不通的閉孔，將含有閉孔材料的密度稱為“表觀密度”。表觀密度=材料的質(zhì)量/（實質(zhì)部分的容積+閉孔容積）。 （1）李氏瓶法測定粉體表觀密度是基于“阿基米德原理”。將待測粉末放進對其潤濕而不溶解的液體中，靜置半個小時待其氣泡完全排除，求出粉末試樣從已知容量的

52、李氏瓶中排出已知密度的液體體積，就可以計算出所測粉末的表觀密度。本次粉煤灰表觀密度測定實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果處理表3.1； 表3.1 粉煤灰表觀密度測定實驗：組數(shù)第一次讀數(shù)(cm)第二次讀數(shù)(cm)表觀密度（kg/m³）10.719.1218620.418.6 通過試驗得出本次試驗所采用的粉煤灰的表觀密度為2186kg/m³ （2）對于砂的表觀密度測試，這里用的也是“阿基米德原理”。將待測砂浸入冷開水中，靜置24小時待氣泡完全排出后，求出砂從已知容量的容器中排出已知密度的水，就可以得出所測砂的表觀密度。實驗數(shù)據(jù)如下表3.2 表3.2 砂表觀密度測定實驗組數(shù)m0(g)m2(g)m1(g)表觀密度(kg/m³)13009351115250023009551