实用型高性能混凝土配合比设计方法

实用型高性能混凝土配合比设计方法引言目前高性能混凝土已广泛应用，技术条件逐步成熟，高性能混凝土配合比设计是混凝土材料科学最基本而又最重要的一个问题，已取得较大改进。全计算法设计高性能混凝土配合比和现代混凝土配制方法及现代混凝土配合比使配合比理论实现了从经验走向科学[1,2]，二者有共性的一面，都提出固相空隙由水填充，精确计算出用水量，在试验室标准养护下是可行性的，强度确实比较高，耐久性比较好，但工程实际不是这样，特别是在气候干燥、环境温度30℃以上时施工，混凝土灌注的每层水分都有蒸发，这样就使填充固相空隙的那部分液相物质减少而产生空隙，梁体表观质量表现最为明显，混凝土拆模后蜂窝麻面较多；不仅给施工带来不便还有可能造成胶凝材料水化不完全而达不到混凝土龄期强度的效果。如果从这方面考虑二者的配合比设计有一定局限性，而且高效减水剂用量也不是经济性的，对企业来说在工程实际当中依靠高效减水剂用量控制混凝土工作性不可取。本创作的目的在于混凝土相对密实，避免给工程施工带来不利影响而提出设计高性能混凝土配合比方法，设计使用的原材料是含有化学反应的体积叠加，实现各原材料最佳掺配组合从中体现经济性。1实用型高性能混凝土配合比设计方法特性概述1.1实用型高性能混凝土配合比设计方法的观点1）建立体积增量模型，由胶凝材料、砂、碎石和胶凝材料水化用水量组成密实结合体，再加入满足工作性用水、混凝土内含气体积和减水剂，使之成为一立方米混凝土。2）划定胶凝材料和减水剂同一经济水平线，通过调整二者用量和改变用水量使混凝土达到同一范围内的坍落度，所得试件三天强度与二者建立曲线关系，从而计算减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量，实现混凝土工作性和经济性统一。3）水胶比决定混凝土强度和耐久性。增加胶凝材料用量满足强度需要，改变用水量和砂率满足混凝土工作性。1.2实用型高性能混凝土配合比设计方法的特点1）将用水量分两部分，一是胶凝材料水化用水量，即用水量最低值；二是除胶凝材料水化用水量以外的用水量即满足混凝土工作性用水，这部分水包括蒸发到大气中的水、混凝土内部吸附水和自由水，不作密实体积计算量，是假定总体积当中的一部分体积。所以说用水总量不是限定值，也由地域环境决定，但不宜超过200㎏/m3以免混凝土离析[3]，这样就保证了混凝土成型以后即使有一部分水蒸发也足够密实，不至于因缺少固相填充物引起不密实结构。2）实用型高性能混凝土不是耐久性和工作性最好的混凝土，但却是在满足混凝土各方面要求情况下实现成本最低的混凝土，它的根基来源于所有原材料掺配比例的设计优化。将实用型高性能混凝土配合比设计分为直接灌注和泵送混凝土两类，此方法设计线索：材料性能参数→体积计算→规律总结→再次体积→规律总结→确定一系列高性能混凝土配合比。笔者按实用型高性能混凝土配合比设计方法设计十个配合比，并通过试验验证该方法的正确性，使混凝土由理论计算从试验室走向工程实际。2实用型高性能混凝土配合比设计初期2.1配制初始混凝土配合比1）以胶凝材料用量为出发点，根据混凝土龄期强度、耐久性要求和经济性确定掺合料比例用量[4][5]，计算出该胶凝材料密度，得到方程为：ρM=（mc＋mf）/（mc/ρc＋mf/ρf）（2-1）式中：ρM—胶凝材料密度mc—水泥质量ρc—水泥密度mf—矿物细掺料质量ρf—矿物细掺料密度2）计算胶凝材料实际体积和胶凝材料水化用水量体积（胶凝材料水化用水量取胶凝材料质量的20%），这两部分体积即为砂的空隙体积，得到方程为：M/ρM＋20%M/ρW=mS/ρ′S－mS/ρS（2-2）式中：M—胶凝材料质量ρW—该温度下水密度mS—砂质量ρ′S—砂堆积密度ρS—砂表观密度3）砂的堆积体积即为碎石空隙体积，得到方程为：mS/ρ′S=mG/ρ′G－mG/ρG（2-3）式中：mG—碎石质量ρ′G—碎石堆积密度ρG—碎石表观密度4）高效减水剂按厂家推荐的一个值确定；非引气混凝土含气为15L/m3，引气混凝土含气为30～50L/m3[1]；假定用水量为160L和总体积为1000L，得到方程为：M/ρM＋mS/ρS＋mG/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-4）式中：mW—水质量mJ—高效减水剂质量ρJ—高效减水剂密度va—混凝土中空气体积5）由式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）组成一个方程组，解方程组得到胶凝材料密度、胶凝材料质量、砂质量和碎石质量。2.2配制初始直接灌注混凝土配合比1）选取预配制直接灌注混凝土一个配合比，根据经验值设定胶凝材料质量M1，但要大于上一部计算出胶凝材料质量，否此配合比不能用于该方法计算。砂的堆积体积即为碎石空隙体积，，得到方程为：mS1/ρ′S=mG1/ρ′G－mG1/ρG（2-5）2）高效减水剂按厂家推荐的一个值确定；非引气混凝土含气为15L/m3，引气混凝土含气为30～50L/m3；假定用水量为160L和总体积为1000L，得到方程为：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-6）3）由式（2-5）、（2-6）组成一个方程组，解方程组得到砂质量和碎石质量。4）除用水量以外按上一步得出的原材料质量进行混凝土试拌，调整用水量来满足混凝土工作性，当满足混凝土工作性时记录用水量、混凝土含气量。5）由上一步得到的用水量mW1、混凝土含气量体积va1，得到方程为：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW1/ρw＋mJ/ρJ＋va1=1000（2-7）6）由式（2-5）、（2-7）组成一个方程组，解方程组得到砂质量和碎石质量。7）按上一步得出的原材料质量进行混凝土试拌，若满足混凝土工作性时终止；若未满足混凝土工作性时返回第四步骤，直至满足混凝土工作性时终止。得到满足工作性要求的配合比。2.3优化高效减水剂相对于胶凝材料掺配比例配制价格相同的配合比并进行配合比试拌。以上一步得到的配合比价格为基准，在高效减水剂厂家推荐高效减水剂掺量范围内选取四个值，再相应增加或减少胶凝材料质量，使配合比价格持平，但胶凝材料质量要大于计算出胶凝材料最低值。因改变砂和碎石用量不大，相对增减成本也低，可忽略不计。这样再加上基准价格的配合比形成五个价格相同的配合比。在Excel软件中计算这五个配合比并对进行试拌，调整用水量来满足混凝土工作性，每个配合比做一组试件。1）测其每组试件三天强度，在Excel软件中建立PCA用量与3天强度抛物线方程得：Y1=a1X12+b1X1+c1（2-8）式中：X1—高效减水剂质量Y1—对应的3天强度a1、b1、c1—常数当X1=-2a1/b1时,强度达到最高值，高效减水剂质量为（-2a1/b1）㎏同样建立胶凝材料用量与3天强度抛物线方程得：Y1=a2X22+b2X2+c2（2-9）式中：X2—胶凝材料质量A2、b2、c2—常数当X2=-2a2/b2时,强度达到最高值，胶凝材料质量为（-2a2/b2）㎏2）由式（2-8）、（2-9）得到的X1和X2即为优化的高效减水剂相对于胶凝材料掺配比例μμ=X1/X2（2-10）3实用型高性能混凝土配合比设计3.1直接灌入混凝土配合比设计方法1）按上述配制直接灌注混凝土配合比的方法计算配合比。高效减水剂掺量为μ；胶凝材料质量选取五个值并是按梯度增加，且胶凝材料质量选取的最小值要大于M1，经过配合比试拌能够得到用水量的波动范围±1.5%，在Excel软件中计算的砂率波动范围±0.05%，用水量和砂率接近于一个固定值，以这两固定值和选取五个胶凝材料质量在Excel软件中计算这五个配合比并进行试拌，做强度试件和耐久性试件。检测试件龄期强度和耐久性。2）规律总结规律一：胶凝材料用量与56天强度有关，由胶凝材料质量与对应56天强度数据在Excel软件中建立对数方程：Y2=㏑（X3）＋K（3-1）式中：X3—五个配合比中胶凝材料质量Y2—对应X3的56天强度值K—常数将预配制混凝土的配制强度代入式（3-1）得到胶凝材料质量，用此胶凝材料质量按配制直接灌注混凝土配合比的方法计算配合比，得到的56天强度与配制强度比在±2%范围内。规律二：由这五个配合比的3天强度与28天强度的关系，用3天强度与28天强度相比，将得到五个值平均，也就是3天强度能够达到28天强度百分数，用3天强度推测28天强度的偏差在±2%范围内。同样用3天强度推测56天强度，使混凝土配合比设计具有时效性。3.2泵送混凝土配合比设计方法1）当配合比不满足泵送要求需要调整砂率时，降低碎石用量不改变混凝土的致密结构，增大砂率至满足混凝土泵送要求（泵送混凝土砂率为35%～45%[6]），得到方程为：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—混凝土泵送时砂率2）由式（3-2）、（3-3）、（3-4）组成一个方程组，解方程组得到胶凝材料质量、砂质量和碎石质量。3）除用水量以外按上一步得出的原材料质量进行混凝土试拌，调整用水量来满足混凝土工作性，当满足混凝土工作性时记录用水量、混凝土含气量。4）由上一步得到的用水量mW2、混凝土含气量体积va2，得到方程为：M2/ρM＋mS2/ρS＋mG2/ρG＋mW2/ρw＋μM2/ρJ＋va2=1000（3-5）5）由式（3-2）、（3-3）、（3-5）组成一个方程组，解方程组得到胶凝材料质量、砂质量和碎石质量。此时胶凝材料质量即是混凝土泵送时胶凝材料最小用量，碎石质量即是混凝土泵送时碎石最大用量。6）按上一步得出的原材料质量进行混凝土试拌，若满足混凝土工作性时终止；若未满足混凝土工作性时返回第三步骤，直至满足混凝土工作性时终止。得到满足工作性要求的配合比。7）按上述方法计算混凝土配合比。胶凝材料质量选取五个值并是按梯度增加，且胶凝材料质量选取的最小值要大于M2，经过配合比试拌能够得到用水量的波动范围±1.5%，在Excel软件中计算的砂率波动范围±0.05%，用水量和砂率接近于一个固定值，以这两固定值和选取五个胶凝材料质量在Excel软件中计算这五个配合比并进行试拌，做强度试件和耐久性试件。检测试件龄期强度和耐久性。8）规律总结同直接灌入混凝土配合比设计方法。4实用型高性能混凝土配合比算例及验证笔者根据按照实用型高性能混凝土配合比设计方法在Excel软件中制作了计算模板。在该模板中的数据输入区输入原材料参数即可自动计算混凝土配合比，可用于高性能混凝土配合比试配和调整，得出十个配合比，其中单掺粉煤灰用量为胶凝材料质量的35%，双掺粉煤灰和矿粉时用量分别为胶凝材料质量的15%、20%，并在试验室进行试拌得到混凝土性能数据如表1，其中C：水泥质量；F：粉煤灰质量；K：矿粉质量；W：水质量；PCA：高效减水剂质量；S：砂质量；G：碎石质量；M：胶材质量；W/C：水灰比；编号A2、A21、A22、A23、A24配合比表示经济性相同的配合比；编号A1、A2、A3与B1、B2、B3配合比表示胶凝材料按梯度增长。表1混凝土性能数据参数编号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含气量(%)3.43.63.94.45.15.63.23.53.74.03d强度(MPa)26.427.130.630.030.732.122.926.526.024.77d强度(MPa)35.536.739.239.641.243.128d强度(MMPa)46.147.551.752.756.562.356d强度(MMPa)52.754.656.960.164.871.2电通量(C)1653.41248.71138.9873.5764.2854.3附注：水泥P﹒O42.5级；石灰岩碎石级配5-31.5mm；粉煤灰Ⅰ级；矿粉S95；PCA减水率25.9%，内含引气成分；试拌时环境温度32℃、相对湿度42%由表1中可以得到：1）A2、A21、A22、A23、A24的PCA用量与3天强度有关，在Excel软件中建立PCA用量与3天强度抛物线方程得：Y1=-9.0349X12+76.353X1-139.19（4-1）式中：X1表示PCA用量，Y1表示3天强度，当强度处于最高点时PCA质量为4.23㎏2）同样建立胶凝材料用量与3天强度抛物线方程得：Y1=-0.0168X22+12.73X2-2389.5（4-2）式中：X2表示