现代混凝土多组分理论

现代多组分混凝土理论

北京城建混凝土技术研究所北京灵感科技发展有限责任公司朱效荣教授任务来源：自选项目起始日期：2004年10月完成时间：2006年10月技术内容1、技术背景2、多组分混凝土强度理论3、多组分混凝土配比设计模型4、混凝土塑性裂缝控制5、混凝土结构缺陷控制6、专家鉴定意见7、项目总结技术背景

随着我国城市建设规模的不断扩大，混凝土的需求越来越大，带动了混凝土技术的快速发展，施工技术的不断进步对混凝土提出了更高要求，混凝土外加剂和矿物掺和料已经大量使用。

传统观念下配制混凝土时水泥的选用要比混凝土高一个标号，粉煤灰及矿渣粉等矿物掺和料用量不能超过规定比例的原则，在现实混凝土生产过程中已经失去了指导意义。因此研究和建立新的混凝土设计计算理论是当前混凝土业发展的一个重要课题我们于2000年开始本项目的研究。总体思路在四组分混凝土生产和应用的基础上将国内外学者和专家提出的微集料填充效应、密实度等在设计时实现量化。将混凝土的工作性、耐久性、强度与各种原材料技术参数之间建立对应的量化关系。多组分混凝土强度理论的建立1、混凝土理论回顾从20世纪水泥大量应用于混凝土实践以来，先后提出了多种假设和理论，具体来说有以下几种：（1）水灰比强度公式：1918年艾布拉姆斯（D.A.Abrams）建立了水灰比强度公式。

fC28=K1/K2W/C

1930年瑞典学者鲍罗米（Belomy）提出了混凝土的强度与水泥标号及水灰比之间的关系式：fC28=AfCe［（C/W）-B］

（2）Powers的胶空比理论

fC=AXn

（3）、晶体理论导出的材料理论抗拉强度值fcmax=√Eγ/γ0

（4）格里菲斯脆性断裂理论A.A.Griffith提出如下公式：σf=√2Eγ/∏a

以上四种混凝土的强度理论从不同角度提出了降低孔隙率，增加密实度，增大胶空比，提高弹性模量，减少缺陷和微裂缝是增强的途径。从中可以看到，这些强度理论之间有着本质的联系。2、多组分混凝土强度理论数学模型的建立在吸取：胶空比理论、鲍罗米公式和脆性断裂理论三者精华的基础上，我们提出并建立了多组分混凝土强度数学模型。混凝土强度与水泥理论强度成正比例、与掺和料的填充强度贡献率成正比例、与浆体的密实度成正比例。

即：

式中：f------混凝土强度σf------硬化砂浆理论强度α-----胶凝材料用量系数，α=B/1000B=α1C+α2F+α3Kα1、α2、α3---分别为水泥、粉煤灰、矿粉的活性指数u-----胶凝材料填充强度贡献率u=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)m=(W0/W-0.27)m----硬化砂浆的密实度；W0=0.23×CW0--------胶凝材料水化理论用水量;W=0.23×C+0.5×TW--------胶凝材料拌合用水量；

这一公式是当今多组份混凝土强度计算和配合比设计的通用公式，当混凝土原材料只使用水泥、砂、石和水四组份时，该公式简化为：f=σf(0.23×C

/W-0.27)即符合水灰比决定强度的统计及经验计算公式。多组分混凝土

配比设计模型的建立

多组分混凝土配合比设计体积组成模型示意图1、多组分混凝土配合比设计步骤1.1、确定配制强度：多组分混凝土的配制强度按现行规范fcu.p=fcu.o+1.645σ确定。不同强度等级混凝土σ取值表1.2、胶凝材料用量的确定

根据以上公式求得水泥用量C：

C=〔0.5T×（0.27×σ+f）〕/〔0.23×（0.73×σ-f）〕

1.3、掺和料用量的确定水泥用量、粉煤灰用量、矿粉用量、硅粉用量C=B=α1C+α2F+α3K+α4SiC=u1C+u2F+u3K+α4Si300≤C+F+K+Si≤600

1.4、减水剂及用水量的确定（1）外加剂掺量的确定x＝(f/50)％（2）用水量的确定

W=W１×β×(1-n)

1.5、砂子用量的确定砂子体积：Vs=0.6046×V1×/0.3954

1.6、石子用量的确定石子体积Vg=1000-(VC+VF+VK+VSi+Va+Vs+Vw)石子用量G=ρg×Vg2、多组分混凝土配合比设计方法的特点（1）具有较宽的适应范围。（2）充分体现了矿物掺合料和化学外加剂的作用。（3）保持较稳定的浆体体积率。

混凝土塑性裂缝控制

1、裂缝成因分析（1）、结构荷载裂缝（2）、环境条件裂缝（3）、原材及配合裂缝（4）、施工裂缝

2.1、毛细管微泵开裂理论混凝土经过一次抹压，在表面形成上部弯曲的毛细管，水分沿毛细管上升至表面，由于表面张力的作用以很小的液滴存在，当温度较高或有风时，水滴掉下或蒸发，水分沿毛细管上升，补充到原位置。依次循环，毛细管就象一个微型水泵一样，将水份源源不断地带走,导致塑性混凝土开裂，即毛细管微泵开裂机理。根据以上机理，在施工工艺方面提出了切断塑性混凝土毛细管进行二次抹压的最佳时间计算公式，实现有效控制塑性混凝土开裂。2.2、混凝土即使抹压时间的确定在正常施工养护的条件下，寻找最佳的抹压时间，破坏毛细管微泵，阻止水分上升，防止水分蒸发，预防由于内部水分迁移引起的内应力产生，是预防混凝土自收缩形成裂缝的关键。抹压的主要作用：1、消除混凝土的表面缺陷2、提高混凝土表层的密实度3、破坏毛细管微泵，阻止混凝土内水分上升，减缓了混凝土内水分迁移蒸发的速度，预防混凝土的开裂。

根据以上的机理，建立了水泥初凝时间、环境温度和混凝土出机时间等因素与抹压破坏毛细管微泵防止裂缝最佳时间之间的数学是关式。

Tm=Tco+(Ts—Tco)×（t0-t）/t0

建委专家鉴定结论组织单位：北京市建委专家组主任：中国工程院孙伟院士鉴定时间：2006年10月23日技术水平：属国内首创，国际先进。（1）建立了多组份混凝土强度理论数学模型，该模型综合考虑了原材料技术参数对混凝土的工作性、强度和耐久性的影响，满足了多组份混凝土配合比设计的要求。（2）通过大量试验提出了：当粗集料压碎值≤8%时，混凝土的强度主要取决于砂浆强度、胶凝材料填充强度贡献率及密实度的新观点。（3）上述模型及新观点适用于各种多组份混凝土配合比设计和强度计算，经过数学推导得到混凝土配合比设计中水泥、掺和料、砂、石、外加剂和拌合用水量等组成材料的准确计算公式,确定了混凝土各组份与设计参数之间的定量关系，提高了多组份混凝土配合比设计的合理性与科学性。（4）提出了混凝土塑性阶段毛细管微泵开裂机理，建立了水泥初凝时间与混凝土最佳二次抹压时间和养护时间的对应曲线，有效地预防了混凝土塑性裂缝的产生。项目总结技术创新程度本项目在解决多组分混凝土强度理论和配合比设计方面,是混凝土行业重要的一项创新，在国内和国际上得到了同行的认可，使混凝土技术由实践验证型向数字计算型发展的重要理论基础。技术经济指标的先进程度与国内外同类技术相比，本项技术突破了国内外多组分混凝土研究的技术瓶颈，将微集料填充效应和混凝土的密实度在设计过程中实现了量化。推动技术进步的作用本项技术对促进行业快速发展、合理利用自然资源、生产优质混凝土具有重要的推动作用，主要表现在三方面：1、理论的系统化方面，出版专著《绿色高性能混凝土》、《现代多组分混凝土理论》、《混凝土强度的预测和推定》《多组分混凝土配合比速查手册》，由于理论与实际结合紧密，在技术层面形成了很大的推广基础。

2、生产应用方面，经过建设部和个直辖市建委组织培训，国内已有2000家左右的混凝土公司技术人员接受了本研究理论培训，并且应用于生产实践。3、在科研教学方面，国内已有45个科研院所提出与我们进行后续理论的完善和相关理论技术的推广工作，33所高校选用这几本书作为硕士研究生教材。技术成果转化程度本项目已经被国家建设部标准化委员会在《早期推定混凝土强度实验方法标准》和《混凝土配合比设计规范》两部标准编写中引用其为标准制定的理论依据之一。已获得的社会经济效益工程应用1、北京奥运五棵松体育中心和老山自行车馆清水混凝土得到成功的应用。2、京津快速铁路桥混凝土配比设计和塑性裂缝控制中成功应用。3、紫金长安住宅小区混凝土配比设计和塑性裂缝控制中成功应用。4、北京卷烟厂混凝土主体结构配比设计和塑性裂缝控制中成功应用。5、宁海