混凝土配合比设计新法-陈建奎

1、标准文案混凝土配合比设计新法全计算法北京工业大学陈建奎教授一. 现代混凝土概念或理念二 . 配合比全计算法设计的数学模型三. 砂率和用水量计算公式四. 混凝土配合比设计步骤五. 配合比设计工程应用实例六. 结论一. 现代混凝土概念或理念 现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组成的多相聚集体，并能满足“高工作性、高早强增强和高耐久性”的基本要求。现代混凝土应包括高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、 防渗抗裂混凝土、 水下浇筑混凝土和商品混凝土等。以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法不能满足现代混凝土配合比设计的要求。综合考虑工作性、 强度

2、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，多掺细掺料；(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。大全标准文案图 1混凝土配合比组成图二.配合比全计算法设计的数学模型混混凝土配合比设计是混凝土材料科学和工程应用中最基本的问题。以强度为基础的传统配合比设计方法( 即假定容重法和绝对体积法 ) 已不能满足现代混凝土配合比设计的要求。现代混凝土配合比“全计算法”设计是以“工作性、强度和耐久性”为基础建立的普适数学模型，并推导出混凝土用水量和砂率的

3、计算公式。进而将此二式与水胶( 灰) 比定则相结合就能实现混凝土配合比和组成的全计算，故称谓全计算法。 全计算法的创建和推广应用几近十年，受到广泛的关注，取得良好的技术经济效益。近期在总结混凝土工程应用实践的基础上编制了“现代混凝土配合比全计算法设计软件”( 国家版权局计算机软件著作权登记号2005SR00529)。这样使“全计算法”更加实用化、科学化和智能化。全计算法不仅适用于所有现代混凝土的配合比设计和计算，而且能检验和验证其它配合比的正确性。大全标准文案1. 现代混凝土的数学模型现代混凝土组成复杂，其中包括水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等7 个组分。最简单处理方法是用多项式表

4、示：F(x)=a+bx 1+cx2+fx 3+gx4+hx5+ix 6+jx 7(1)A. 传统混凝土体积加合模型( 图 2) 混凝土由水泥、砂、石、空气和水组成，在单位体积中：(1) 石子的空隙由砂子填充；(2) 砂子的空隙由水泥浆填充；(3) 水灰比决定混凝土的强度。由此表明： Ve+Vs+Vg=1000式中：Ve=Vw+Vc+VaVe、Vw、Vc、Va、Vs 和 Vg 分别为水泥浆、水、水泥、空气、砂和石子的体积 (l/m 3) 。这种体积加合模型与水灰比定则组成联立方程不能求解。必须参照有关规范中的统计数据才能计算混凝土配合比。其坍落度大全标准文案是通过用水量调整的。 以强度为基础的传

5、统混凝土配合比设计方法已不适用于现代混凝土的要求。B. 现代混凝土体积相关模型( 图 3) 混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组分构成，在单位积体中，(1) 石子间的空隙由干砂浆填充；(2) 干砂浆中的空隙由水填充；(3) 水胶比决定混凝土强度。根据此模型：Vw+Ves+Vg=1000(3)其中、干砂浆由水泥、矿物细掺料、空气和砂子组成，即：Ves=Vc+Vf+Va+Vs(4)在一定体系中，干砂浆体积是常数。Ves 大小取决于石子的最大粒径，石子粒径越大、比表面积越小，因此Ves 越小。 Ves干砂浆体积(l/ m3 )2. 干砂浆体积 Ves 的确定 干 干砂浆体积由两部分

6、组成， 即石子空隙率和拔开系数：Ves=(1+h)p×1000(4 2)式中： p石子空隙率，取决于石子堆积方式、颗粒形状和级配。h 拨开系数， 取决于石子的比表面积和包裹层厚度。粒子呈六方最密堆积时，空隙率为 0.3954 。当采用最大粒径19mm的碎石配制60MpaHPC时， Ve=350、Vs+Vg=650、Vs：Vg=2： 3， W=160kg/m3。其干砂浆体积为：大全标准文案Ves=1000VwVg=1000160 390=450(l/ m 3)p=0.3954，h= (0.450.3954)/0.3854 =0.138由于 h 取决于石子的比表面积， 随着石子最大粒径增

7、加比表面积减小，因此 Ves 减小 (h 减小 ) 。表 1 中列举了 Ves 与石子最大粒径的关系。表 1Ves与石子最大粒径的关系碎石最大粒192531.540径 (mm)23616359921600a=2/36111.732.734.431/a=361/ 210.580.360.226h=0.138 ×0.1380.080.050.031/aVes(l/m 3)450427415407Ves(l/m 3)( 取450430420405值)中砂 (Mx=2.60 2.80)将表 1 中 h=0.138 ×1/a=0.138 ×361/ 2=50/ 2 代入式

8、(4-2)得到：大全标准文案Ves=(1+50/ 2)p × 1000(l/m3)(43) 。此式表明，干砂浆体积与石子最大粒径的平方成反比。 石子空隙率石子最密堆积时的空隙率 (0.3954);" 石子间空隙率 " 是(1+h)p 。3. 浆体体积和集料体积 另外、浆体体积由水、水泥、矿物细掺料和空气体积组成，即：Ve=Vw+Vc+Vf+Va(5)对于不同类型的混凝土Ve 取值：HPC、HSC： Ve=350l/m3;FLC或其它混凝土： Ve=305 335l/m 3。集料体积： Vs+Vg=1000 Ve(6)将此模型能得到关系式(3) (6) 与水胶比定则

9、组成联立方程，可求解混凝土各组分的用量，实现配合比全计算。三. 砂率和用水量计算公式1.砂率计算公式大全标准文案根据混凝土的普适体积相关模型( 图-2) 和有关参数可以得到砂率计算公式：(VesVeW )s100%SP(VesVe W) s(1000 Ves W )g这是砂率计算的通式。当 s g 时 ( 即 s=2.65, g=2.70) ，上式简化为：砂率计算公式的物理意义此式(7) 表明，混凝土的砂率：(1) 随着用水量增加而增大 ;(2) 随着石子最大粒径的增大 ( 或 Ves 减小 ) 而减小 ;(3) 随着浆体体积 (Ve) 增加而减小。砂率计算公式适用于中砂 (Mx=2.60 2

10、.80) 和连续级配的碎石，其它情况可按有关规范适当调整砂率。采用粗砂或特细砂时：SP=(Ves Ve W)/(1000 Ve) 0.075 × (Mx 2.80) × 100%2. 用水量计算公式根据水胶比定则 ：将式 (8) 与式 (5) 解联立方程，可求出用水量与配制强度的关系：此式 (9) 为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。大全标准文案式中 c =3.15 、 f =2.51分别为水泥、 矿物细掺料如 (FA) 的密度。当当 x=0、即不掺细掺料时：式中： W/B水胶比。当 x=25%、即水泥与细掺料的体积比为75：25 时：式(9) 中系数1/(1 x)

11、 c+xf 的大小与细掺料的体积掺量 x 有关。计算表明，x 变化对该系数的影响不大( 见表 2) 。因此在用式 (11) 计算用水量时，该系数通常采用0.335 。表 -2x对系数的影响用水量计算公式的物理意义 公式(9) 、(10) 和 (11) 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) 浆体体积越小，用水量越少 ;(4) 引气量越大，混凝土用水量越少。四. 混凝土配合比设计步骤1. 配制强度：fcu.pfcu.o +1-645 或 fcu.p=fcu.o+

12、10大全标准文案2. 水胶比： W1B fcu. pBAfce式中： f cu.p 混凝土配制强度 (Mpa);fce 水泥实测强度 (Mpa); fce=1.13× fce.ofce.o水泥强度等级 (Mpa);W/B水胶比 ;A 、 B回归系数 ( 见表 3)表 3 A 、B的取值3. 用水量：式中：对于HPC： Ve=350l/m 3对于 FLC： Ve =305335l/m 3;非引气混凝土：Va=15l/m 3;引气混凝土：Va=30 50l/m 3( 含气量 3%5%)。4. 胶凝材料用量：C+FA=W/(W/B)=QFA=QC =Q( 1 )式中： FA 的掺量 (%)

13、大全标准文案C水泥用量( kg/m3)FA矿物细掺料 ( 如粉煤灰 ) 用量 (kg/m 3)5. 砂率及集料用量：S=(D WCF) ×SPG=D WCFS式中： Ves干砂浆体积，取决于石子最大粒径( 见表 1)D混凝土容重 (2360 2440kg/m3)式中： W、C、F、 S 和 G分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量 (kg/ m 3 ) 。6. 复合超塑化剂 (CSP)掺量：式中：浓度40%的 CSP掺量 (%)Wo坍落度 7 9cm的基准混凝土用水量， 与石子最大粒径有关：192531.5 (mm)215210205 (kg/m3)W配制混凝土的用水量 (kg/m

14、3)坍落度从7 9cm提到 16 24cm所需的减水率增量大全标准文案 0.005 ×Slo 0.04Slo配制混凝土的初始坍落度16 24cm。7. 配合比的调整和试配五 . 配合比设计工程应用实例 1. 恒景花园 D楼工程混凝土配合比及试配试验A.C60HPC配合比计算银羊 42.5Mpa 硅酸盐水泥、级 FA(珠电 ) 、中砂、碎石 (1cm3cm)、坍落度 18cm20cm，现场搅拌、泵送。(1) 配制强度： fcu.p = 60+15 = 75 (Mpa)(2). 水胶比： W/ B=1/(75/28.5+0.52)=0.32(3).用水量： (350 15)/(1+0.3

15、35/0.32)=164(kg/ m3 )(4).胶凝材料用量： C+FA = 164/ 0.32 = 513 (kg/m3)FA = 513×0.20 = 103 (kg/m3)C=531103=410 (kg/m 3)(5).砂率及集料用量：SP (420 350 164)/650 ×100% 36%由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%SS=(2440513 164) ×0.40 =705 (kg/m3)G=1763705 =1058 (kg/m 3)(6), CSP掺量：大全标准文案B C40FLC(1) 配制强度： fcu.p=40+15 =55

16、 (Mpa)(2). 水胶比 ;(3).用水量：(4).胶凝材料用量：C+FA=180/0.41=439(kg/m3)FA=493×0.23=101(kg/m 3)C=493101=338(kg/m 3)UEA= 493× 0.10=44(kg/m 3) ( 外掺 )Ve=180 338/3.15 101/2.5 44/2.7 15=359(L)(5).砂率及集料用量：掺 UEA：由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%S=(2400 439 44 180) ×0.40=695(kg/m 3)G=1743695 =1042(kg/m 3)普通 FLC：大全标

17、准文案由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=41%S = (2400439180) ×0.41=730(kg/m 3)G =1781 730=1051(kg/m 3)(6), CSP掺量：现将 A 和 B 试配结果列入表4 中。表 4 FLC 试配结果2. 普硅 3.25Mpa 水泥，级 FA(掺 20%)，中砂 (Mx=2.80) ， 碎石 (1 3cm) 配制各种强度的 FLC计算配合比列入表 5 中。3. 固定用水量法设计 FLC 的配合比 配合比设计步骤如下。(1) fcu.p：fcu.p = fcu.o +1.645(2)水胶比：W/B =1/(fcu.p/AfceB)(

18、3) 用水量：在 170185 Kg/m3 范围选择。(4)胶凝材料用量：C +FA =W/(WB) =QFA=QC = Q( 1 - )大全标准文案(5) Ve 计算：Ve = Vw+Vc+Vf+Va =W/wC/ c FA/f Va式中： w , c , f , 分别表示水，水泥和粉煤灰的密度( 1.0 ， 3.15 和 2.50)(6) 砂率及集料用量：SP =(VesVeW)/(1000 Ve) ×100%S = ( DWC FA)×SPG =( D WCFA)× (1 SP)表 5FLC的计算配合比(Ve=330L ,Va=15, Ves=420L)固定

19、用水量法用于计算FLC实例采用普硅 525 水泥 ( 宝山 ) ，中细砂 (Mx=2.50) ，碎石 (5 31.5mm)，掺 CL-2 缓凝减水剂配制 C20,C25 和 C30 FLC，初始坍落度 1518cm。20FLC配合比计算如下：(1) fcu.p = 20+1.645×4=27(2) W/C ： W/C =1/(27/23.050.52) = 0.59 (取 0.58)大全标准文案(3) 用水量： W = 185 kg/m 3(4) C = 185/0.58 =319 kg/m3；Ve = 186 + 319/3.15 +15 = 301(5) 砂率及集料用量：SP=(420301 185)/(1000 301) × 100% =43%由于砂子偏细应减小砂率(