超高强高性能混凝土配合比设计方法

1、第8卷2009正第4期8月广州大学学报(自然科学版JournM of Guangzhou University(Natural Science EditionV01.8Aug.No.42009文章编号:1671-4229(200904-0078-05超高强高性能混凝土配合比设计方法焦楚杰,周云,程从密,张文华(广州大学土木工程学院,广东广州510006摘要:基于超高强高性能混凝土(HPC配制试验数据拟合出胶水比公式系数,并借鉴前人经验,引入水化活性因子,以及确定胶凝材料、砂、石和外加剂用量,从而提出了超高强HPC配合比设计方法.应用该方法设计出C90和C100超高强HPC配合比,并采用珠三角地

2、区常见的原材料及通用制备工艺进行实验配制,得出的立方体抗压强度和塌落度都满足要求.该方法计算过程简明,便于工程技术人员的设计操作.关键词:珠三角地区;超高强高性能混凝土;配合比设计方法中图分类号:Tu528.572文献标识码:A高性能混凝土(High Performance Concrete,简称HPC组分材料多,性能指标多且特殊¨。3J,其配制的方法难以墨守行业标准JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程4o,近20多年来,国内外多种HPC配合比设计方法相继出现,如:美国Me. hta和Aitcin提出的基于经验的HPC配合比设计方法怕1、英国Soutsos和Domone,以及

3、Carbonari提出了基于最大密实度理论的HPC配合比设计方法M一7I,中国台湾中华大学的Yeh建立基于人工神经网络平台的HPC配合比设计方法旧J、中国清华大学王德怀建立的配合比设计和质量控制的计算机软件系统一1,上述方法对HPC在工程中的应用具有一定的参考价值,加深了科研和工程技术人员对HPC配制技术的了解.但是正如陈肇元院士指出¨0|,HPC是地方性很强的材料,它的原材料以及配制方法与当地资源及环境气候条件密切相关,上述已有的HPC配合比设计方法也并非适用于世界各地各种建设工程.超高强高性能混凝土是指立方体抗压强度100MPa至150MPa、塌落度120mm的混凝土¨

4、1。陀,在工程实践中,其抗压强度、塌落度的离散性远大于普通混凝土.为了配制出符合珠三角地区原材料特点的、设计方法操作简单的超高强HPC,本文在普通混凝土的配合比设计方法基础上,结合超高强HPC配合比试验和前人经验,针对C90和C100进行配合比设计方法试验研究.1理论推导1.1胶水比公式的修正普通混凝土设计中的灰水比公式是混凝土配合比设计的基础,HPC的配合比设计也同样基于灰水比公式,但须对其进行适当修正,以区别于普通混凝土.根据普通混凝土的灰水比定则,有,1工。=A茜+D(1盯工。为昆凝土28d配制抗压强度(MPa,由于超高强HPC的胶凝材料除了水泥之外,经常还有矿物掺合料,所以(1式中的C

5、/W为胶水比,c为胶凝材料用量(kg,形为用水量(kg,A、D为常数.基于笔者前期HPC配合比试验资料¨3|,对配合比及立方强度数据进行回归拟合,得出A= 32.4,D=一26.7,则胶水比公式为,1收稿日期:20090326;修回日期:20090331万方数据第4期焦楚杰等:超高强高性能混凝土配合比设计方法79由于超高强HPC中掺加了多种掺合料和外加剂,其中最常用的是粉煤灰和硅灰,粉煤灰可以提高混凝土的流动性、耐久性能及经济性能,硅灰对混凝土的强度贡献很大,是配制超高强混凝土之首选原材料.因此,须对胶水比定则作适当修正,把二者对混凝土的强度影响在胶水比公式中表征出来.根据文献14,

6、引入掺和料水化活性因子的概念,胶凝材料的活性可以用强度来表征,因此粉煤灰及硅灰的活性可以用水泥的强度修正值来进行表征.对于水胶比可以表示为W=丑1一(1一ki(3f7W1为混凝土的实际功效水胶比,埘i为胶u,凝材料中矿物掺和料的百分数;ki为矿物掺合料的水化活性因子.(3式中,硅灰的水化活性因子七。,=3.0,粉煤灰的水化活性因子而危=砂率的确定混凝土配合比中的砂率与用水量存在着一定的关系,文献15进行了强度为60MPa至140MPa的HPC和超高强HPC的配制试验,数据如表1所示.表1文献15中的HPC强度和配合比, Table1The strength and mix pro

7、portion of HPC in Ref.15对表1数据进行回归分析,得出以下砂率与用水量之间的关系式:&=im瓦s=(o.128肜+1511/100(4s。为砂率;W为用水量;m。为砂子质量;m。为石子质量.1.3胶凝材料用量的确定根据美国P K Mehta和P C Aitcin教授的观点5|,要使HPC同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料的体积比应为35:65.故有堕+坠+生+一ms!生告业=石35m r(5,nc.oPs Pc堕+坠+生+堕:0.35(6P。P。Pr Psi塑+生:0.65(7p s pG(6式和(7式中,m。,m。,m,ms,ms,mG分别为水、

8、水泥、粉煤灰、硅灰、砂、石子的质量;JD。, P。,P,P。,P。,P。分别为水、水泥、粉煤灰、硅灰、砂、石子的表观密度.1.4外加剂(减水剂用量的确定对于减水剂的掺加,参考文献16有以下的关系式:万方数据广州大学学报(自然科学版第8卷p=(等呦×3.67舻I1r+叩J×土7¨,(8式中,u为减水剂掺量;W为用水量(kg;耽为坍落度79cm基准混凝土用水量(kg,与石子最大粒径有关,%取值如表2所示.表2基准混凝土用水量Table2Volume of water of controlled concrete石子最大粒径/mm耽/kg16 20 25230 215

9、210综合上述,配制超高强HPC时,先选定矿物掺合料的种类与掺量,接着根据(2、(3、(4、(6、(7、(8式可求解出各原材料用量,从而获得超高强HPC的配合比.2实例计算作为实例,对C90超高强HPC配合比进行计算.原材料:广州市越堡水泥有限公司生产的P. 052.5水泥,密度为3100kgm;中砂,密度为2600kgm,细度模数2.9;花岗岩碎石,密度为2600kgm,最大粒径为20mm;挪威埃肯国际贸易(上海有限公司生产的硅灰,密度为2200 kgnl;广州运宏粉煤灰综合开发有限公司生产的一级粉煤灰,密度为2500kgITI;广州西卡公司生产的ViscoCrete3350减水剂,减水率可

10、达37%;普通自来水,密度为1000kgm一.(1C90的配制C90因强度较高,预先设定掺8%的硅灰、15%的粉煤灰,则ms,=0.08C,mF=0.15C,mc= 0.77C,其中c为胶凝材料总量,C=ms,+m,+mc.(2确定水胶比上=324茜一267,导=%笋=笺孚黾6,即了W:0.278.(3修正水胶比W.:罟一”kiWi,(百W,=O.2781_(1_0.4×0.15_(13.0×0.08=0.30.=鲁一o.30;:÷:(o.11,1/1Sptit,S128W+15.:2再菘2(o,=(0.128m。+15.11/loo;堕+坠+坐+塑:0.35:十

11、一十一十一=.:P。Pc Pr Psi,孔c m,2+2=0.65.Ps Pc其中,m。=0.77C,mF=o.15C,ms,=0.08C;p。=1000kgm,P。=3100kg111,PF=2500 kg。m一,Ps,=2200kg。m,Ps=2600kg。m,P。=2600kgITI一,将这些参数代入(4式,求得结果为m。=163kg,C=543kg,m。=418kg,m,=81 kg,ms,=43kg,ms=608kg,mG=1082kg,.sp= 0.36.(4减水剂掺量p=(￥m×3.67%州2n163/215+0.06×3.67%=1.11%.按上述流程,同样

12、可以设计出C100超高强HPC配合比.3实验验证设计了C90和C100二个强度等级,配合比如表3所示.万方数据第4期焦楚杰等:超高强高性能混凝土配合比设计方法81经测试,C90的塌落度和立方体抗压强度分别为16cm、104MPa;C100的塌落度和强度分别为15cm、115MPa.从试验结果看,利用本文提出的超高强HPC配合比设计方法,所得的C90和C100的强度达至盯预期的强度等级要求.4小结(1基于超高强HPC配制试验数据拟合出胶水比公式系数,并借鉴前人经验,引入水化活性因子,以及确定胶凝材料、砂、石和外加剂用量,从而提出了超高强HPC配合比设计方法,该方法计算过程简明,便于普通工程技术人

13、员的设计操作.(2应用该方法设计出C90和C100超高强HPC配合比,并采用珠三角地区常见的原材料(硅灰除外及通用制备工艺进行实验配制,得出的立方体抗压强度和塌落度都满足要求.(3超高强HPC的另一重要性能耐久性的研究时间持续很长,目前正在试验之中,拟在后续文章中汇报.本文仅针对立方抗压强度和塌落度两项性能探讨超高强HPC的配合比设计方法,旨在抛砖引玉,希望能促进科研和工程技术人员在采用珠三角地区原材料制备超高强HPC方面的经验交流、积累与总结,使其宝贵经验成为土木工程领域的共同财富,从而有利于推动珠三角地区超高强HPC应用的发展.本研究为广州大学科研团队资助项目.参考文献:1吴中伟,廉慧珍.

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