基于浆骨比的现代混凝土配合比设计

前言混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，它以水泥为主要胶凝材料，砂石骨料为集料，加水拌合而成。随着材料科学的不断发展，混凝土的组成与制备技术也发生着变化，粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料以及化学外加剂的使用是混凝土走向“现代”的重要标志。配合比设计是混凝土制备过程中的重要环节，它是混凝土从原材料走向成品的关键。现阶段我国最常用的混凝土配合比设计方法依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）进行，主要设计思想涵盖以下几方面：①新拌混凝土和易性好、易于施工；②混凝土硬化后强度达标、耐久性好；③在符合上述两项要求下，选用最经济的材料组合。随着计算机科学的发展，最优化设计方法、人工神经网络设计方法等其他混凝土配合比设计方法也应运而生。

本文对比分析了现阶段常见的混凝土配合比设计方法，在此基础上，从“科学”与“实用”角度出发，优选基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法进行混凝土制备，并在某高强泵送混凝土工程中进行验证分析，为现代混凝土的配合比设计提供借鉴。1混凝土配合比设计方法对比1.1现行标准设计法现行标准配合比设计方法即《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中规定的设计方法，该方法在设计混凝土配合比有以下5个主要步骤：①确定配制强度；②确定配合比设计中的基本参数：根据坍落度、配置强度及耐久性要求，查表确定单位用水量、砂率、外加剂和掺合料的掺量、最大水灰比和最小水泥用量、引气剂掺量等基本参数；③计算配合比：计算配制强度fcu,0并求出相应的水灰比；选取每立方米混凝土的用水量，并计算出每立方米混凝土的水泥用量；选取砂率，计算粗骨料和细骨料用量，并提出供试配用的计算配合比；④试配、调整与确定：进行混凝土试配，完成和易性调整、强度校核、密度校核等；⑤特殊性能校核：对有抗渗、抗冻要求的混凝土以及泵送混凝土、大体积混凝土等，应根据实际要求对配合比做出相应调整。现行标准配合比设计方法中配合比大量参数靠查表选值，属于以经验为基础的半定量设计方法，存在很多不利因素，使得配制结果随机性较大，工作效率不高。方法主要在以下几个方面不能充分满足现代混凝土制备的需要：①设计周期较长；②设计的变量较少，主要是水泥、水和粗细骨料的用量。由于矿物粉料和外加剂的掺入，基于经验的配合比设计方法难以配制出组分复杂、具有特殊性能的混凝土；③考虑的性能较单一，主要满足强度及工作性的要求，缺乏对耐久性等特殊性能要求的设计手段，致使现行标准配合比设计方法制备的结构混凝土耐久性偏低；④不利于混凝土生产的计算机控制；⑤优化配合比设计十分困难。1.2浆固比法许多专家认为，配合比设计的指导思想应从强度设计向多种性能设计转化，从可行性设计向优化设计转化。合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成份的用量，获得最经济和适用的混凝土。江苏博特新材料有限公司对现代混凝土配合比设计进行了大量研究，提出浆固比法，修正《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中的绝对体积法。该配合比设计方法首先对混凝土材料组成进行了4项假定：（1）混凝土组成材料（包括固液气三相）具有体积加和性；（2）石子的空隙率由砂浆来填充；（3）砂浆的空隙率由水泥浆来填充；（4）水泥浆由水泥、矿物掺合料和空气组成。其次，根据Mehta和Aitcin教授的观点：要使现代混凝土同时达到最佳工作性能和强度，水泥浆与骨料的体积比应为35:65；水泥与细粉料的体积比应为75：25。最后，通过推导，得出基于浆固比的现代混凝土配合比设计解析计算式。基于浆固比的现代混凝土配合比设计步骤主要有以下几步：(1)根据设计的混凝土强度等级，设定浆骨比，混凝土浆骨比范围宜取0.33～0.35：0.67～0.65；(2)根据各材料的表观密度，确定浆体组成；(3)根据混凝土强度、掺合料掺入情况、目标含气量，以及水泥强度情况，设定水胶比；(4)计算浆体部分各材料体积，求得实际浆体组成各原材料质量；(5)设定砂率，计算骨料部分各材料体积，求得骨料组成各原材料质量；(6)得出计算配合比；(7)和易性、强度试配；(8)特殊性能校核。1.3最优化设计法张继先曾经提出一种单目标的非线性规划模型，以混凝土价格为目标函数、各种原材料的用量为设计变量，通过对数学模型的优化，在混凝土的性能符合用户需要的前提下，使成本最低。1.4人工神经网络设计法神经网络有很强的学习、联想、自组织和自适应的能力，采用并行、分布式存储和处理机制，系统具有容错性和强壮性。其知识是从样本或事例的数据集合中自动学习获取的，并用神经元间的连接权值，加以隐性地表达。这种系统借助计算机模拟，对知识和信息的处理、对混凝土性质的模拟，可以大大减少试验室的试配工作。将神经网络专家系统应用于混凝土配合比优化设计和质量控制，可以节约材料、提高生产率。对于当代混凝土工程而言，《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中规定的标准设计方法科学性与实用性均存在弊端，经验参数的选用以及设计灵活度的欠缺，导致了采用其设计出的混凝土，常常不能满足施工与耐久的需求；最优化设计法和人工神经网络设计法采用了先进的计算机技术，对于实际工程混凝土生产控制尤为关键，但以上两种方法的实现需要大量的试验数据作为支撑，方法的完善工作还需继续；基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法实现了“科学”与“实用”的完美统一，所有配合比参数的选择均由实际工程混凝土性能指标计算得出，且设计过程耗时短，优化灵活度高，宜在现代混凝土设计与制备中广泛应用。2基于浆固比的现代混凝土配合比设计江苏某混凝土工程混凝土设计强度等级C70，施工工艺为泵送，通过设计方法分析，采用基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法进行设计，实现混凝土的制备，为工程提供有益借鉴。2.1混凝土指标要求设计C70泵送混凝土，应达到以下指标：①初始坍落度T0=220mm±20mm；1h后坍落度T1h=220mm±20mm，扩展度Φ1h≥500mm；②含气量Air≤3%；③倒坍流出时间T流≤15s；④抗压强度R28≥80.5MPa2.2原材料水泥：江南小野田P﹒II52.5（以下简称C），ρ=3140kg/m3；矿渣粉：梅宝S95级（以下简称SL）,ρ=2800kg/m3；粉煤灰：华望I级（以下简称Fa）,ρ=2200kg/m3；砂：苏博特试验室用砂（以下简称S），Mx=2.7，ρ=2640kg/m3；石：苏博特试验室用碎石（以下简称G），5mm～25mm连续级配，ρ=2760kg/m3；外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能减水剂PCA-I。2.3设计方法分析工程所用混凝土水胶比较低，水胶比降低是现代混凝土技术发展的趋势，低水胶比下，混凝土能够获得良好的力学性能与耐久性能，但与此同时，工作性能的劣化成为困扰业界的一大技术难题。理论研究表明，矿物掺合料以及化学外加剂技术可以实现现代混凝土力学、耐久、工作性的协调统一。但问题的解决需要在各原材料合理组合前提下实现，此时的混凝土配合比设计方法至关重要，由前面分析可知，基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法是首选，并且考虑到实际工程可能存在原材料质量波动，此时浆固比法相较于标准设计方法而言，灵活性更强，且通过计算机编程可实现基于浆固比的现代混凝土配合比设计计算机化，生产控制更为方便。2.4配合比设计按照基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法进行设计，过程及数据见表1。经试配、校核，修正配合比见表2。2.5混凝土性能指标分析按照表2所示配合比拌制的混凝土和易性指标和28d强度见表3。由表可以看出，采用基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法进行设计与制备，混凝土拌合物和易性优异，满足泵送需求，试件28d抗压强度为85.1MPa，满足C70设计要求。3结论(1)《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中规定的标准设计方法最易掌握