对高性能混凝土的再认识及全计算配合比设计

对高性能混凝土的再认识及全计算配合比设计王栋民1，陈建奎2中国矿业大学材料科学与工程系1，北京100083北京工业大学材料学院2，北京1000221绪论混凝土配合比设计是混凝土科研、生产及应用中的一个根本问题，也是一个非常重要的问题。配合比设计在很大程度上决定了混凝土的几乎所有性能：强度、工作性、耐久性和经济性。混凝土配合比设计的两个根本方法是绝对体积法和假定容重法。两方法的共同点是：强度与水胶比的关系都遵从波罗米公式；两方法的不同点是：前者以1m3混凝土绝对体积为根底；后者以假定混凝土容重为一定值〔通常2400kg/m3〕为根底。HPC由于使用了复合超塑化剂和超细矿物质掺合料，配合比设计亦更为复杂。国内外提出多种HPC配合比设计方法，比拟著名的有：美国Mehta和Aitcin推荐的方法，法国路桥中心建议的方法，日本阿部道彦方法，以及基于最大密实度理论的方法：包括DomonePLJ的方法，CarbonariBT的方法以及清华大学王怀德的方法〔颗粒堆积物密实度计算线性模型的修正〕等。近年来HPC配合比设计趋向于计算机化，典型的方法与软件有：法国路桥中心的RENE-LCPCTM，软件，DunstanMRH的方法，澳大利亚DayKW的Conad配合比设计系统，以及我国陈肇元-王怀德HPC配合比设计系统等。以上方法根本上都是以经验为根底的半定量设计方法，各种方法〔包括CAD〕通常体系都比拟庞杂，其中两个核心参数单位用水量和砂率仍多为经验取值。究其根源在于没有能够掌握和揭示混凝土材料内在组分的关系。在各种设计方法中，美国Mehta和Aitcin推荐的方法有较多的可取性。2HPC的再认识吴中伟院士在《高性能混凝土》一书中比拟全面地介绍了国内外学者对高性能混凝土的定义和认识。可以看出各国学者均从不同角度、不同层面阐述高性能混凝土的定义、内涵和外延。有些内容是相互交叉的，有些又是相互补充的，各国学者均突出强调了各自关注的某一或某几方面。如美国学者十分强调高强度和高耐久性〔特别是高体积稳定性和低渗透性〕，而日本学者那么似乎更关注高施工性能，当然耐久性亦是重要方面，但对高强度那么不特别强调。吴中伟院士综合了各种论点后提出一个比拟全面的高性能混凝土的定义。然而，究竟什么是高性能混凝土？能不能用更简单的语言给予更清楚的定义？或者能不能用清晰的图像给予更明了的描述？仍是公众关心的问题。另外，人们普遍会提出，高强混凝土与高性能混凝土在材料制备上有什么区别？是不是掺了高效减水剂和超细矿物质掺合料后，同时设计有较大的坍落度值而制得的高强混凝土就是高性能混凝土了呢？超塑化高强混凝土是不是就等同于高性能混凝土了呢？这些问题按上述对高性能混凝土的定义和认识，仍然不能给出一个简单而明了的答复。为此有必要再次对混凝土的开展给予重新的审视。最早的混凝土是一种低强度的塑性混凝土，当时密实成型设备不过关，又没有外加剂可掺，混凝土是一种高水灰比、低强度的塑性混凝土。后来振动和挤压成型工艺开展后，干硬性混凝土得以开展，这种混凝土水灰比大大降低，又通过特殊的搅拌成型工艺进行密实成型，于是制得了干硬性的强度较高的混凝土，这是最早使用的高强混凝土。但这种混凝土施工工艺较难实现，强度指标离散性大。随着化学外加剂的开展，混凝土在满足强度使用要求的情况下，逐步实现了塑性和流态化，于是开展了流态混凝土。流态混凝土的开展和泵送混凝土施工工艺的广泛采用，使混凝土施工进入现代化施工的范畴，大大提高了施工效率并改善了劳动和施工环境，在此根底上又开展了流态高强混凝土。随着新型高效减水剂的使用和优质超细矿物质掺合料的使用，混凝土进入到高性能混凝土的范畴。所以混凝土的开展经历了如下几个阶段：高性能混凝土是混凝土材料开展的必然趋势。高性能混凝土〔HPC〕与高强混凝土〔HSC〕和流态混凝土〔FLC〕最显著的差异在于混凝土配合比的不同。在设计HPC配合比时要综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的根本原那么是：•

满足工作性的情况下，用水量要小•

满足强度的情况下，水泥用量少，细掺量多掺•

材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求•

掺加新型高效减水剂，改善与提高混凝土的多种性能因此，HPC的配合比设计比HSC〔高强混凝土〕和FLC〔流态混凝土〕更为严格合理。图1给出了各种类型的混凝土配合比分区范围。无论采用什么方法设计，HSC、FLC和PLC〔塑性混凝土〕的配合比均在一个范围之内，而HPC在AB线附近。可见HPC配合比设计必须严格、精确和合理。从这个图上可以较清楚直观地看出HPC与HSC和FLC之间的区别。3HPC全计算配合比设计方法早在1919年Abrams就发表了混凝土强度的水灰比定那么：对于一定材料，强度仅取决于一个因素，即水灰比。这一定那么可以用以下公式表示：式中，σc—某一定龄期的抗压强度；a—经验常数，一般取925kg/m3；b—取决于水泥的种类，但可取4左右。强度与水灰〔胶〕比m〔w〕/m〔c〕成反比的这种观点仍然是大多数配合比设计方法的根底。后人为简化计算，取水胶比倒数，导出近似的直线公式式中，fcu，p—混凝土的配制强度；fce—水泥的实测强度；m〔c〕/m〔w〕—灰水比[或胶水比m〔b〕/m〔w〕]；A，B—回归系数，对碎石混凝土，A=0.48，B=0.52，对卵石混凝土，A=0.50，B=0.61。该式成为混凝土配合比设计中计算强度的根底。近80年来混凝土配合比设计方法也几经开展，到目前为止，最为常用的两种方法是绝对体积法和假定密度法。这两种方法都是以经验为根底的半定量设计方法。近年来国内外提出了多种HPC配合比设计方法，包括一些计算机程序设计和数据库，使混凝土配合比设计这一原本简单的问题更显复杂化，其根源是未能掌握混凝土组分间的内在联系。本工作的特点在于建立了普遍适用的混凝土体积模型，经数学推导得出用水量和砂率计算通式，并以此为根底建立了混凝土定量配合比设计新方法。本研究的局部内容已在有关学术期刊上发表。3.1普遍适用的混凝土体积模型传统的混凝土密实填充的概念为：在混凝土中石子的空隙由砂子来填充，砂子的空隙由水泥来填充，水泥的空隙由水来填充。美国P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin教授在对高性能混凝土(HPC)进行了大量的研究后认为∶要使HPC同时到达最正确的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料应有一个最正确体积比，建议取Ve:(Vs+Vg)=35:65。这一认识事实上是确定了HPC配合比设计中水泥浆体体积与骨料体积间的定量关系。他们还假定，HPC中水泥和细掺料〔如粉煤灰和磨细矿渣〕的体积比为75：25。受P.K.Mehta和P.C.Aitcin观点的启发，对混凝土配合比设计的绝对体积法重新审视，提出如下观点和模型。我们的根本观点如下：•

混凝土各组成材料〔包括固、液、气三相〕具有体积加和性；•

石子的空隙由干砂浆来填充；•

干砂浆的空隙由水来填充；•

干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。其中干砂浆和干砂浆体积的概念以及根本观点〔2〕、〔3〕、〔4〕条为作者首次提出，并由此奠定了混凝土配合比全计算设计的技术根底。普遍适用的混凝土体积模型如图2所示，该模型的根本模式较早由A.M.Neville提出。在A.M.Neville模型中，没有提出干砂浆体积的概念，所以混凝土中浆体与集料是彼此割裂的。本模型假定混凝土总体积为1m3(1000L),由水、水泥、细掺料、空气、砂、石等局部组成，对应的体积分别为Vw,Vc,Vf,Va,Vs,Vg。图中表示干砂浆体积的实线框可以上下移动，以调整用水量和砂率。Ve—浆体体积〔L〕；Ves—干砂浆体积〔L〕；Vw—用水量〔L火或kg/m3〕；Vc，Vf，Va，Vs，Vg分别为水泥、细掺料〔如FA〕、空气、砂子和石子的体积用量〔L〕。本文将Ve与水灰(胶)比定那么相联系，求得了用水量W(kg/m3)公式；提出“干砂浆体积〞的概念，在水泥浆体体积Ve和集料体积VS+VG之间建立了联系，从而使砂率Sp(%)的求解成为可能。•

混凝土配合比设计中的两个根本关系式3.2.1．用水量公式根据水灰(胶)比定那么，有(1)fce—水泥实测强度(MPa)，fce=fce,k；fce,k—水泥标号的标准值，fcu,p—混凝土配制强度(MPa)；－水泥强度富裕系数。将(1)式与(3)式解联立方程，可求出用水量与配制强度的关系。假设细掺料在胶凝材料中的体积掺量为φ，即水泥与细掺料体积之比为(1-φ)∶φ，那么有：(2)这是掺加各种不同数量细掺料时单方混凝土用水量的计算通式。3.2.2．砂率公式：根据普遍适用的混凝土体积模型〔图2〕，可知∶浆体体积Ve=W+Vc+VF+Va(3)集料体积Vs+VG=1000-Ve(4)干砂浆体积Ves=VC+VF+Va+VS(5)由式(5)得∶VS=Ves-(VC+VF+Va)(6)由式(3)得∶VC+VF+Va=Ve-W(7)将式(7)代入式(6)VS=Ves-Ve+W(8)那么砂子重量∶S=(Ves-Ve+W)·ρS(8')式子，S—砂子用量(kg/m3)；ρs—砂的视密度(kg/L)由式(4)得∶VG=1000-Ve-Vs(9)将式(8)代入式(9)VG=1000-Ves-W(10)那么石子重量∶G=(1000-Ves-W)·ρG(10')式中，G—石子用量(kg/m3)；ρG—石子的视密度(kg/L)故砂率(Sp)∶(11)这是砂率计算的通式。3.3混凝土全计算配合比设计步骤根据以上研究所建立的计算公式，结合现行标准确定混凝土全计算配合比设计步骤如下：〔1〕配制强度〔2〕水胶比〔3〕用水量〔4〕胶凝材料组成与用量〔5〕砂率及集料用量•

试配与配合比调整3.4HPC全计算配合比设计3.4.1用于HPC时用水量公式的简化

当φ=0时，即无细粉料时，水泥密度ρc=3.15kg/L那么(Vw)(13)或(Vw)(13')按照Mehta和Aitcin教授的假定，在HPC中水泥与细粉料〔如粉煤灰或矿渣〕的体积比为75：25，即Vc：Vf=75：25，j=25%时，那么Vw+Vc+Vf+Va=Ve水泥密度rc=3.15kg/L，细粉料比重rf=2.51kg/L，那么(15)或(15')3.4.2用于HPC时砂率公式的简化当ρS≈ρG时(ρS=2.65,ρG=2.65～2.70)(16)在HPC配合比计算时，(16)式中浆体体积Ve和干砂浆体积Ves尚需具体确定。根据美国P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的观点，要使HPC同时到达最正确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，故对HPC可取Ve=350L。干砂浆体积确定如下∶对于一定粒径的碎石，视密度为r0，堆密度为rb，石子空隙率P为∶(17)根据图2模型的观点〔2〕，当单位体积石子的孔隙正好被干砂浆填满时，那么得干砂浆体积为(18)(18)式是计算干砂浆体积的通式，可以通过实测石子视密度r0和堆密度rb而精确计算。一般地，最大粒径25mm的碎石，视密度r0=2.70kg/L，堆密度rb=1.55kg/L，那么干砂浆体积Ves=1000′(19)当配制HPC时，采用最大粒径10~20mm的碎石，由于比外表积较大，要保证良好的石子包裹性和混凝土施工性，干砂浆的体积应增加5%，这样Ves=450L，同时Ve=350L，Vs+Vg=650L〔Mehta的观点〕。将这些数据带入式〔16〕得到HPC的砂率的计算方法。(20)3.4.3复合超塑化剂用量的计算在对复合超塑化剂的研究中，建立了HPC中复合超塑化剂CSP目的减水率(η)和掺量(μ)的计算公式：(21)(22)式中，W0－坍落度7-9cm基准混凝土用水量(kg/m3)，与石子最大粒径有关。W0取值如表1：表1基准混凝土用水量W0Maximumdiameterofcrushedstone(mm)16202530W0(kg/m3)230215210205W－HPC的用水量(kg/m3)η－减水剂增量系数，取决于HPC的初始坍落度,当SL=16-18cm

时，△η=0.04，SL=20-22cm时，△η=0.06。总结如上研究，由设计强度可算出配制强度，由配制强度求得水胶比和用水量，从而得到胶凝材料用量，根据细掺料的比例组分可分别求得水泥用量和细掺料用量，根据砂率和用水量的关系式求出砂率，近而得到粗细骨料用量。复合超塑化剂用量根据混凝土坍落度要求求出。由此所有组分材料用量即可全部定量计算。进一步以C80HPC为例做如下计算：水泥采用冀东525水泥，砂为二区中砂，细度模数2.8-3.2，含泥量<2%，石子为花岗岩碎石，最大粒径2.0cm，含泥量<1%，首钢磨细矿渣比外表积500m2/kg，复合超塑化剂CSP。配合比定量计算过程如下：〔1〕配制强度fcu,p=fcu,0+1.645σ=80+1.645x6=90Mpa〔2〕水胶比〔3〕用水量=147kg〔4〕胶凝材料组成与用量〔5〕砂率及集料用量•

超塑化剂掺量〔μ〕%=[(215-147)/215+0.06]×3.67=1.38%C80HPC的配合比计算结果如下：CBFSSGCSPWCSP%43011465710867．511471.38按照上述配合比进行试配，测试混凝土性能如下：坍落度21cm;强度7d61.2MPa;28d88.6Map可见配合比设计与试配结果具有非常好的相关性。4、不同强度等级HPC配合比计算结果将配制强度60~130MPa计算配合比列入表2。表2HPC配合比计算结果〔单方混凝土组成材料用量〕配制强度(MPa)材料用量kg/m3W/BSp%CSP掺量%容重kg/m3WCFA(BFS)CSFSG60175346115-72910130.3841.80.83237870166366122-70510370.3440.50.98239680156390130-67810640.3038.91.15241890147408136-65510880.2737.61.3124341001414231132863911040.2536.71.4124481101344371054162011230.2335.61.532460120127454916060211420.2134.51.652476130122464817458811560.19733.71.732486将表2中配制强度对水胶比、用水量、砂率、减水剂掺量、容重等做图，见图3到图7。将砂率对用水量做图，见图8。从这些图上可以更清楚地看出混凝土配合比设计中诸多参数间的内在联系和规律性。表3是将作者提出的全计算法得到的配合比与美国资料中HPC的配合比进行比照。可以看出，由水胶比计算用水量与美国资料中的统计用水量完全一致。两种方法得到的砂率相差不大，总的规律是相似的，即砂率随用水量的减小而减小。强度等级划分与抗压强度值有差异。这是由于标准不同和抗压强度测定方法不同，美国采用圆柱型试体，中国采用立方体试体。但是抗压强度与水胶比关系是相同的。表3HPC计算配合比与美国HPC配合比比照配制强度(MPa)材料用量kg/m3W/BSp%CSP掺量%容重kg/m3WCFACSFSG60〔A〕160400106-69010500.3239.7-240674*161397106-69210500.3239.71.14240675〔B〕150423113-67010700.2838.5-242687*150424112-66310800.2838.01.33242990〔C〕140477119-65010900.23537.4-2476106*141481120-63911040.23536.71.482485105〔D〕130471754263011100.2236.2-2458115*131476764361211310.2235.11.652469120〔E〕120495794462011200.19435.5-2478131*121499814458611580.19433.61.822489*按fcu，p=0.48′52.5′1.13′〔B/W-0.52〕计算，W/B—水胶比，碎石最大粒径20mm，中砂Mx=2.5~3.0，坍落度20~22cm。5、讨论在以上混凝土配合比设计中，配制强度、水胶比、用水量、胶凝材