國內(nèi)常用混凝土配合比設計方法

國內(nèi)常用混凝土配合比設計方法導言雖然混凝土科學技術已有漫長的發(fā)展歷史，但仍然是一門基于實驗的科學，傳統(tǒng)的配合比設計方法在很大程度上依賴于設計者的經(jīng)驗。我們總希望可以搞出一個圖表或者一個萬能公式，能表達出或準確計算出混凝土的配合比，這樣就方便實踐和質(zhì)量控制了。但由于混凝土原材料品種、質(zhì)量、形態(tài)甚至產(chǎn)地的差異，對混凝土各項性能產(chǎn)生的影響各異?；炷凉こ汰h(huán)境的差異以及氣溫高低、空氣濕度，風速大小及養(yǎng)護的好壞都會對混凝土產(chǎn)生不容忽視的影響。再加上混凝土是非勻質(zhì)、不連續(xù)結構……，種種這些條件使得采用一張圖表或一個萬能公式的設想變得不可能實現(xiàn)或很難實現(xiàn)。二十世紀后半葉混凝土業(yè)界最偉大的成就之一，就是我們終于可以用科學的方法來描述、研究、預測、評估混凝土這個非常復雜的材料，讓混凝土技術成為材料科學新的研究對象。目前，國外混凝土配合比設計方法包括意大利的Collepardi提出的混凝土配合比設計方法，美國的P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin共同提出的以漿骨比為基礎的高性能混凝土配合比設計方法。此外，日本、法國對混凝土配合比技術同樣有成熟的研究。不同的混凝土配合比設計方法均有其優(yōu)缺點，其設計方法與適用范圍各有不同。目前，國內(nèi)外存在的混凝土配合比設計方法均是半經(jīng)驗半計算的方法，對工程經(jīng)驗要求較高，不利于初學者靈活掌握。簡易配合比設計方法該方法最早由吳中偉院士提出。該混凝土配合比設計方法具體步驟如下：1.確定混凝土配合比設計參數(shù)以混凝土常用性能指標為主，主要包括工作性指標、耐久性指標、水膠比。2.求骨料最小混合空隙率將砂石按不同的比例混合，測其砂石混合空隙率，空隙率值最小的一組對應的砂石堆積比例所計算的砂率為混凝土的砂率。3.確定漿量測得砂石混合空隙率確定膠凝材料漿量數(shù)值與水泥漿富余量相加，如坍落度為180～200mm時，漿量的富余量可取1m3的8%～12%，坍落度每變化10mm，富余漿體量變化1%，但最終結果通過試拌確定。4.計算各組分用量根據(jù)水膠比、砂率、膠凝材料用量及礦物摻合料摻量和密度，按絕對體積法計算各組分用量。簡易配合比設計方法使用簡便，充分考慮混凝土的工作性與骨料之間的關系，即在利用最小砂石空隙率的同時，根據(jù)工作性調(diào)整漿體體積；但是對于大體積及對耐久性有特殊要求的混凝土工程，在確定漿體時具有局限性。以飽和面干骨料的配合比設計方法隨著減水劑與礦物摻合料的廣泛使用，混凝土的配合比設計工作比以往更加復雜。在充分考慮混凝土現(xiàn)狀的情況下，清華大學廉慧珍教授在傳統(tǒng)混凝土配合比設計的基礎上，提出了現(xiàn)代六組分混凝土配合比設計的四要素：水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻合料用量。并給出了四要素之間的關系以及對混凝土性能指標的影響，如圖1所示。圖1混凝土各組成材料的關系和性質(zhì)及其作用和影響1.水膠比在標準規(guī)定范圍內(nèi)選擇最大水膠比作為初始水膠比，再依次減小0.01～0.02百分點，取3～5個水膠比為一組進行混凝土試配，根據(jù)強度結果選取28d抗壓強度最合適的一個水膠比為最終水膠比。2.漿骨比廉慧珍教授認為，混凝土新拌合物在滿足工作性的基礎上，選擇最小的漿骨比。漿骨比的選擇參考《混凝土結構耐久性規(guī)范》（GB/T50746-2018）。3.砂石比此處砂石比為在確定骨料體積之后的砂率。一般情況下，對于機制砂與含石量超標的天然砂來說，砂率應比同等級配合比增加3%左右。因此，砂的粒形、粒徑、顆粒級配應首先考慮。此外，石子的級配應充分重視。砂石比可隨著石子松堆空隙率降低而降低。4.礦物摻合料摻量礦物摻合料的摻量以實際工程使用環(huán)境為基準，具體摻量應以混凝土結構要求最大強度與養(yǎng)護條件為原則。在沒有立即凍融的環(huán)境下，礦物摻合料可以用規(guī)定的最大摻量，并且可以酌情增加摻量。具體混凝土配合比設計步驟如下：（1）確定混凝土設計目標、條件、各項指標、參數(shù)，根據(jù)以上要求選擇原材料；（2）確定混凝土配制強度，fcu，o≥fcu.k+1.645σ；（3）選擇混凝土配合比4要素具體參數(shù)值；（4）初步混凝土配合比計算；（5）試配、調(diào)整。據(jù)以飽和面干骨料的配合比設計方法整體充分考慮現(xiàn)代混凝土六組分特點，重新定義混凝土配合比中四要素，整體思路清晰全面；但是飽和面干骨料概念現(xiàn)在還不能夠被接受，且飽和面干骨料的含水狀態(tài)難以控制。全計算配合比設計方法中國礦業(yè)大學王棟民教授與武漢理工大學陳建奎教授提出高性能混凝土全計算配合比設計方法，其主要內(nèi)容為：在混凝土材料的基礎上，計算混凝土單方用水量公式和砂率公式，選擇漿骨比為35：65。該方法的基本特點有以下兩點：（1）混凝土各組成具有體積相加性。（2）各組分之間，粒徑大的材料空隙由小于其粒徑的材料填充，以此類推。全計算配合比設計方法計算步驟如下：（1）根據(jù)規(guī)范計算混凝土配制強度：fcu，o≥fcu，k+1.645σ；（2）計算水膠比：由保羅米公式計算；（3）計算用水量：將漿體體積與水膠比聯(lián)合組成方程式，最后計算用水量；（4）膠凝材料組成與用量；（5）骨料及砂率用量：該方法中提出“干砂架體積”的概念。在漿體體積與骨料體積之間建立關系，最后聯(lián)立方程式，從而確定砂率的計算方法。全計算混凝土配合比設計方法建立了較為普遍的混凝土體積各組分模型，經(jīng)過科學計算得出用水量與砂率，簡化了計算量；但是此方法與實際結果偏差較大，并且35：65的漿骨比對中低等級混凝土并不適用。高密實混凝土配合比設計方法臺灣科技大學黃兆龍教授提出的高密實混凝土的配合比設計，主要采用顆粒堆積及材料科學原理。他認為，現(xiàn)代普通混凝土中骨料體積占混凝土體積的60%～70%，通過確定混凝土中固體材料間最小空隙的方法，能夠得到骨料間最密實堆積比例，利用此方法設計的混凝土配合比可以得到優(yōu)良的工作性、強度、耐久性。另外，認為在水膠比相等的條件下，骨料最密實堆積可以降低水泥漿體的體積，提高混凝土耐久性。配合比設計步驟如下：（1）根據(jù)工程結構使用環(huán)境、當?shù)貤l件選擇材料；（2）確定混凝土配合比設計指標：坍落度、強度；（3）確定骨料最大單位重量；此處將粉煤灰視為骨料，具體確定方法如式：ɑ＝Wf÷（Wf＋Ws）β＝（Wf＋Ws）÷（Wf＋Ws＋Wg）式中W——粉煤灰質(zhì)量；Ws——砂質(zhì)量；Wg——石子質(zhì)量；α——粉煤灰填充系數(shù)，β——砂、粉煤灰混合填充系數(shù)。然后根據(jù)α、β計算骨料最小空隙率；（4）計算漿體量和骨料的體積；（5）確定水膠比；（6）試拌與調(diào)整。高密實配合比實際理念為將砂填充石子空隙，然后用粉煤灰填充骨料空隙，將粉煤灰當作骨料，利用緊密堆積骨料得到最小空隙率求得漿體。另外，減水劑的使用公式計算復雜，與實際不符?！镀胀ɑ炷僚浜媳仍O計規(guī)程》方法《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55-2011）中設計方法如下：（1）混凝土配制強度的確定，見式：fcu，o≥fcu，k+1.645σ（2）水膠比見式：W/B＝ɑa×fb÷（fcu，0＋ɑa·ɑb·fb）式中?b——膠凝材料28d膠砂抗壓強度（MPa）。（3）用水量通過骨料最大粒徑與坍落度要求進行選擇，或根據(jù)試驗確定。（4）膠凝材料用量根據(jù)水膠比與用水量計算。（5）粗、細骨料用量采用質(zhì)量法計算砂石用量時，假定每立方米混凝土拌合物的容重為2350～2450kg，根據(jù)假定容重減去膠凝材料、水的用量之后，再用選定的砂率計算砂石用量。采用體積法計算砂石用量時，按材料的體積與表觀密度計算。（6）混凝土配合比的試配、調(diào)整與確定根據(jù)混凝土新拌合物工作性、強度進行調(diào)整?！镀胀ɑ炷僚浜媳仍O計規(guī)程》規(guī)定的方法是先根據(jù)材料的性質(zhì)和混凝土的工作性查表確定用水量，根據(jù)減水劑減水率和設計目標用水量計算減水劑摻量。這樣的方法存在的問題是：減水劑減水率的測定使用的是基準水泥和固定配合比，對不同水灰比的混凝土配合比，按減水率計算的減水劑摻量沒有指導意義。規(guī)范未考慮原材料質(zhì)量不同對混凝土配合比帶來的影響，尤其是對混凝土流動性的影響。另外，規(guī)范中規(guī)定礦物摻合料的最大摻量，這樣很不合