實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法引言目前高性能混凝土已廣泛應(yīng)用，技術(shù)條件逐步成熟，高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)是混凝土材料科學(xué)最基本而又最重要的一個(gè)問(wèn)題，已取得較大改進(jìn)。全計(jì)算法設(shè)計(jì)高性能混凝土配合比和現(xiàn)代混凝土配制方法及現(xiàn)代混凝土配合比使配合比理論實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)[1,2]，二者有共性的一面，都提出固相空隙由水填充，精確計(jì)算出用水量，在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下是可行性的，強(qiáng)度確實(shí)比較高，耐久性比較好，但工程實(shí)際不是這樣，特別是在氣候干燥、環(huán)境溫度30℃以上時(shí)施工，混凝土灌注的每層水分都有蒸發(fā)，這樣就使填充固相空隙的那部分液相物質(zhì)減少而產(chǎn)生空隙，梁體表觀質(zhì)量表現(xiàn)最為明顯，混凝土拆模后蜂窩麻面較多；不僅給施工帶來(lái)不便還有可能造成膠凝材料水化不完全而達(dá)不到混凝土齡期強(qiáng)度的效果。如果從這方面考慮二者的配合比設(shè)計(jì)有一定局限性，而且高效減水劑用量也不是經(jīng)濟(jì)性的，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)在工程實(shí)際當(dāng)中依靠高效減水劑用量控制混凝土工作性不可取。本創(chuàng)作的目的在于混凝土相對(duì)密實(shí)，避免給工程施工帶來(lái)不利影響而提出設(shè)計(jì)高性能混凝土配合比方法，設(shè)計(jì)使用的原材料是含有化學(xué)反應(yīng)的體積疊加，實(shí)現(xiàn)各原材料最佳摻配組合從中體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。1實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法特性概述1.1實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的觀點(diǎn)1）建立體積增量模型，由膠凝材料、砂、碎石和膠凝材料水化用水量組成密實(shí)結(jié)合體，再加入滿足工作性用水、混凝土內(nèi)含氣體積和減水劑，使之成為一立方米混凝土。2）劃定膠凝材料和減水劑同一經(jīng)濟(jì)水平線，通過(guò)調(diào)整二者用量和改變用水量使混凝土達(dá)到同一范圍內(nèi)的坍落度，所得試件三天強(qiáng)度與二者建立曲線關(guān)系，從而計(jì)算減水劑相對(duì)于膠凝材料的最佳摻量，實(shí)現(xiàn)混凝土工作性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一。3）水膠比決定混凝土強(qiáng)度和耐久性。增加膠凝材料用量滿足強(qiáng)度需要，改變用水量和砂率滿足混凝土工作性。1.2實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)1）將用水量分兩部分，一是膠凝材料水化用水量，即用水量最低值；二是除膠凝材料水化用水量以外的用水量即滿足混凝土工作性用水，這部分水包括蒸發(fā)到大氣中的水、混凝土內(nèi)部吸附水和自由水，不作密實(shí)體積計(jì)算量，是假定總體積當(dāng)中的一部分體積。所以說(shuō)用水總量不是限定值，也由地域環(huán)境決定，但不宜超過(guò)200㎏/m3以免混凝土離析[3]，這樣就保證了混凝土成型以后即使有一部分水蒸發(fā)也足夠密實(shí)，不至于因缺少固相填充物引起不密實(shí)結(jié)構(gòu)。2）實(shí)用型高性能混凝土不是耐久性和工作性最好的混凝土，但卻是在滿足混凝土各方面要求情況下實(shí)現(xiàn)成本最低的混凝土，它的根基來(lái)源于所有原材料摻配比例的設(shè)計(jì)優(yōu)化。將實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)分為直接灌注和泵送混凝土兩類，此方法設(shè)計(jì)線索：材料性能參數(shù)→體積計(jì)算→規(guī)律總結(jié)→再次體積→規(guī)律總結(jié)→確定一系列高性能混凝土配合比。筆者按實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)十個(gè)配合比，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的正確性，使混凝土由理論計(jì)算從試驗(yàn)室走向工程實(shí)際。2實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)初期2.1配制初始混凝土配合比1）以膠凝材料用量為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)混凝土齡期強(qiáng)度、耐久性要求和經(jīng)濟(jì)性確定摻合料比例用量[4][5]，計(jì)算出該膠凝材料密度，得到方程為：ρM=（mc＋mf）/（mc/ρc＋mf/ρf）（2-1）式中：ρM—膠凝材料密度mc—水泥質(zhì)量ρc—水泥密度mf—礦物細(xì)摻料質(zhì)量ρf—礦物細(xì)摻料密度2）計(jì)算膠凝材料實(shí)際體積和膠凝材料水化用水量體積（膠凝材料水化用水量取膠凝材料質(zhì)量的20%），這兩部分體積即為砂的空隙體積，得到方程為：M/ρM＋20%M/ρW=mS/ρ′S－mS/ρS（2-2）式中：M—膠凝材料質(zhì)量ρW—該溫度下水密度mS—砂質(zhì)量ρ′S—砂堆積密度ρS—砂表觀密度3）砂的堆積體積即為碎石空隙體積，得到方程為：mS/ρ′S=mG/ρ′G－mG/ρG（2-3）式中：mG—碎石質(zhì)量ρ′G—碎石堆積密度ρG—碎石表觀密度4）高效減水劑按廠家推薦的一個(gè)值確定；非引氣混凝土含氣為15L/m3，引氣混凝土含氣為30～50L/m3[1]；假定用水量為160L和總體積為1000L，得到方程為：M/ρM＋mS/ρS＋mG/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-4）式中：mW—水質(zhì)量mJ—高效減水劑質(zhì)量ρJ—高效減水劑密度va—混凝土中空氣體積5）由式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）組成一個(gè)方程組，解方程組得到膠凝材料密度、膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。2.2配制初始直接灌注混凝土配合比1）選取預(yù)配制直接灌注混凝土一個(gè)配合比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定膠凝材料質(zhì)量M1，但要大于上一部計(jì)算出膠凝材料質(zhì)量，否此配合比不能用于該方法計(jì)算。砂的堆積體積即為碎石空隙體積，，得到方程為：mS1/ρ′S=mG1/ρ′G－mG1/ρG（2-5）2）高效減水劑按廠家推薦的一個(gè)值確定；非引氣混凝土含氣為15L/m3，引氣混凝土含氣為30～50L/m3；假定用水量為160L和總體積為1000L，得到方程為：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-6）3）由式（2-5）、（2-6）組成一個(gè)方程組，解方程組得到砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。4）除用水量以外按上一步得出的原材料質(zhì)量進(jìn)行混凝土試拌，調(diào)整用水量來(lái)滿足混凝土工作性，當(dāng)滿足混凝土工作性時(shí)記錄用水量、混凝土含氣量。5）由上一步得到的用水量mW1、混凝土含氣量體積va1，得到方程為：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW1/ρw＋mJ/ρJ＋va1=1000（2-7）6）由式（2-5）、（2-7）組成一個(gè)方程組，解方程組得到砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。7）按上一步得出的原材料質(zhì)量進(jìn)行混凝土試拌，若滿足混凝土工作性時(shí)終止；若未滿足混凝土工作性時(shí)返回第四步驟，直至滿足混凝土工作性時(shí)終止。得到滿足工作性要求的配合比。2.3優(yōu)化高效減水劑相對(duì)于膠凝材料摻配比例配制價(jià)格相同的配合比并進(jìn)行配合比試拌。以上一步得到的配合比價(jià)格為基準(zhǔn)，在高效減水劑廠家推薦高效減水劑摻量范圍內(nèi)選取四個(gè)值，再相應(yīng)增加或減少膠凝材料質(zhì)量，使配合比價(jià)格持平，但膠凝材料質(zhì)量要大于計(jì)算出膠凝材料最低值。因改變砂和碎石用量不大，相對(duì)增減成本也低，可忽略不計(jì)。這樣再加上基準(zhǔn)價(jià)格的配合比形成五個(gè)價(jià)格相同的配合比。在Excel軟件中計(jì)算這五個(gè)配合比并對(duì)進(jìn)行試拌，調(diào)整用水量來(lái)滿足混凝土工作性，每個(gè)配合比做一組試件。1）測(cè)其每組試件三天強(qiáng)度，在Excel軟件中建立PCA用量與3天強(qiáng)度拋物線方程得：Y1=a1X12+b1X1+c1（2-8）式中：X1—高效減水劑質(zhì)量Y1—對(duì)應(yīng)的3天強(qiáng)度a1、b1、c1—常數(shù)當(dāng)X1=-2a1/b1時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最高值，高效減水劑質(zhì)量為（-2a1/b1）㎏同樣建立膠凝材料用量與3天強(qiáng)度拋物線方程得：Y1=a2X22+b2X2+c2（2-9）式中：X2—膠凝材料質(zhì)量A2、b2、c2—常數(shù)當(dāng)X2=-2a2/b2時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最高值，膠凝材料質(zhì)量為（-2a2/b2）㎏2）由式（2-8）、（2-9）得到的X1和X2即為優(yōu)化的高效減水劑相對(duì)于膠凝材料摻配比例μμ=X1/X2（2-10）3實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)3.1直接灌入混凝土配合比設(shè)計(jì)方法1）按上述配制直接灌注混凝土配合比的方法計(jì)算配合比。高效減水劑摻量為μ；膠凝材料質(zhì)量選取五個(gè)值并是按梯度增加，且膠凝材料質(zhì)量選取的最小值要大于M1，經(jīng)過(guò)配合比試拌能夠得到用水量的波動(dòng)范圍±1.5%，在Excel軟件中計(jì)算的砂率波動(dòng)范圍±0.05%，用水量和砂率接近于一個(gè)固定值，以這兩固定值和選取五個(gè)膠凝材料質(zhì)量在Excel軟件中計(jì)算這五個(gè)配合比并進(jìn)行試拌，做強(qiáng)度試件和耐久性試件。檢測(cè)試件齡期強(qiáng)度和耐久性。2）規(guī)律總結(jié)規(guī)律一：膠凝材料用量與56天強(qiáng)度有關(guān)，由膠凝材料質(zhì)量與對(duì)應(yīng)56天強(qiáng)度數(shù)據(jù)在Excel軟件中建立對(duì)數(shù)方程：Y2=㏑（X3）＋K（3-1）式中：X3—五個(gè)配合比中膠凝材料質(zhì)量Y2—對(duì)應(yīng)X3的56天強(qiáng)度值K—常數(shù)將預(yù)配制混凝土的配制強(qiáng)度代入式（3-1）得到膠凝材料質(zhì)量，用此膠凝材料質(zhì)量按配制直接灌注混凝土配合比的方法計(jì)算配合比，得到的56天強(qiáng)度與配制強(qiáng)度比在±2%范圍內(nèi)。規(guī)律二：由這五個(gè)配合比的3天強(qiáng)度與28天強(qiáng)度的關(guān)系，用3天強(qiáng)度與28天強(qiáng)度相比，將得到五個(gè)值平均，也就是3天強(qiáng)度能夠達(dá)到28天強(qiáng)度百分?jǐn)?shù)，用3天強(qiáng)度推測(cè)28天強(qiáng)度的偏差在±2%范圍內(nèi)。同樣用3天強(qiáng)度推測(cè)56天強(qiáng)度，使混凝土配合比設(shè)計(jì)具有時(shí)效性。3.2泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)方法1）當(dāng)配合比不滿足泵送要求需要調(diào)整砂率時(shí)，降低碎石用量不改變混凝土的致密結(jié)構(gòu)，增大砂率至滿足混凝土泵送要求（泵送混凝土砂率為35%～45%[6]），得到方程為：β=mS2/mG2（3-2）M2/ρM＋20%M2/ρW=mS2/ρ′S－mS2/ρS（3-3）M2/ρM＋mS2/ρS＋mG2/ρG＋mW/ρw＋μM2/ρJ＋va=1000（3-4）式中：β—混凝土泵送時(shí)砂率2）由式（3-2）、（3-3）、（3-4）組成一個(gè)方程組，解方程組得到膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。3）除用水量以外按上一步得出的原材料質(zhì)量進(jìn)行混凝土試拌，調(diào)整用水量來(lái)滿足混凝土工作性，當(dāng)滿足混凝土工作性時(shí)記錄用水量、混凝土含氣量。4）由上一步得到的用水量mW2、混凝土含氣量體積va2，得到方程為：M2/ρM＋mS2/ρS＋mG2/ρG＋mW2/ρw＋μM2/ρJ＋va2=1000（3-5）5）由式（3-2）、（3-3）、（3-5）組成一個(gè)方程組，解方程組得到膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。此時(shí)膠凝材料質(zhì)量即是混凝土泵送時(shí)膠凝材料最小用量，碎石質(zhì)量即是混凝土泵送時(shí)碎石最大用量。6）按上一步得出的原材料質(zhì)量進(jìn)行混凝土試拌，若滿足混凝土工作性時(shí)終止；若未滿足混凝土工作性時(shí)返回第三步驟，直至滿足混凝土工作性時(shí)終止。得到滿足工作性要求的配合比。7）按上述方法計(jì)算混凝土配合比。膠凝材料質(zhì)量選取五個(gè)值并是按梯度增加，且膠凝材料質(zhì)量選取的最小值要大于M2，經(jīng)過(guò)配合比試拌能夠得到用水量的波動(dòng)范圍±1.5%，在Excel軟件中計(jì)算的砂率波動(dòng)范圍±0.05%，用水量和砂率接近于一個(gè)固定值，以這兩固定值和選取五個(gè)膠凝材料質(zhì)量在Excel軟件中計(jì)算這五個(gè)配合比并進(jìn)行試拌，做強(qiáng)度試件和耐久性試件。檢測(cè)試件齡期強(qiáng)度和耐久性。8）規(guī)律總結(jié)同直接灌入混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。4實(shí)用型高性能混凝土配合比算例及驗(yàn)證筆者根據(jù)按照實(shí)用型高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法在Excel軟件中制作了計(jì)算模板。在該模板中的數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)輸入原材料參數(shù)即可自動(dòng)計(jì)算混凝土配合比，可用于高性能混凝土配合比試配和調(diào)整，得出十個(gè)配合比，其中單摻粉煤灰用量為膠凝材料質(zhì)量的35%，雙摻粉煤灰和礦粉時(shí)用量分別為膠凝材料質(zhì)量的15%、20%，并在試驗(yàn)室進(jìn)行試拌得到混凝土性能數(shù)據(jù)如表1，其中C：水泥質(zhì)量；F：粉煤灰質(zhì)量；K：礦粉質(zhì)量；W：水質(zhì)量；PCA：高效減水劑質(zhì)量；S：砂質(zhì)量；G：碎石質(zhì)量；M：膠材質(zhì)量；W/C：水灰比；編號(hào)A2、A21、A22、A23、A24配合比表示經(jīng)濟(jì)性相同的配合比；編號(hào)A1、A2、A3與B1、B2、B3配合比表示膠凝材料按梯度增長(zhǎng)。表1混凝土性能數(shù)據(jù)參數(shù)編號(hào)A1A2A3B1B2B3A21A22A23A24C(kg)233248272287304323257252243239F(kg)125133146667075138136131128K(kg)889499W(kg)149149149168168168165157143138PCA(kg))4.084.194.775.035.345.673.563.884.494.77S(kg)569562550679668657553557566677G(kg)1320130412781107109010721283129413141322M(kg)358381418441468497395388374367W/C0.420.390.360.380.360.340.420.400.380.38坍落度(mm))90120110180200210801059510530min后坍落度(mm))8010595170185190751008585含氣量(%)3.43.63.94.45.15.63.23.53.74.03d強(qiáng)度(MPa)26.427.130.630.030.732.122.926.526.024.77d強(qiáng)度(MPa)35.536.739.239.641.243.128d強(qiáng)度(MMPa)46.147.551.752.756.562.356d強(qiáng)度(MMPa)52.754.656.960.164.871.2電通量(C)1653.41248.71138.9873.5764.2854.3附注：水泥P﹒O42.5級(jí)；石灰?guī)r碎石級(jí)配5-31.5mm；粉煤灰Ⅰ級(jí)；礦粉S95；PCA減水率25.9%，內(nèi)含引氣成分；試拌時(shí)環(huán)境溫度32℃、相對(duì)濕度42%由表1中可以得到：1）A2、A21、A22、A23、A24的PCA用量與3天強(qiáng)度有關(guān)，在Excel軟件中建立PCA用量與3天強(qiáng)度拋物線方程得：Y1=-9.0349X12+76.353X1-139.19（4-1）式中：X1表示PCA用量，Y1表示3天強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度處于最高點(diǎn)時(shí)PCA質(zhì)量為4.23㎏2）同樣建立膠凝材料用量與3天強(qiáng)度拋物線方程得：Y1=-0.0168X22+12.73X2-2389.5（4-2）式中：X2表示