混凝土配合比设计新法(全计算法)-陈建奎

混凝土配合比设计新法(全计算法)-陈建奎PAGEPAGE1混凝土配合比设计新法－全计算法

北京工业大学陈建奎教授一.现代混凝土概念或理念二.配合比全计算法设计的数学模型三.砂率和用水量计算公式四.混凝土配合比设计步骤五.配合比设计工程应用实例六.结论一.现代混凝土概念或理念现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组成的多相聚集体，并能满足“高工作性、高早强增强和高耐久性”的基本要求。现代混凝土应包括高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、防渗抗裂混凝土、水下浇筑混凝土和商品混凝土等。以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法不能满足现代混凝土配合比设计的要求。综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的基本原则是：(1)满足工作性的情况下，用水量要小；(2)满足强度的情况下，水泥用量少，多掺细掺料；(3)材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求；(4)掺多功能复合超塑化剂(CSP)，改善和提高混凝土的多种性能。Ves=1000－Vw－Vg=1000－160－390=450(l/m3)p=0.3954，h=(0.45－0.3954)/0.3854=0.138由于h取决于石子的比表面积，随着石子最大粒径增加比表面积减小，因此Ves减小(h减小)。表1中列举了Ves与石子最大粒径的关系。表1Ves与石子最大粒径的关系碎石最大粒径φ(mm)192531.540φ23616359921600a=φ2/36111.732.734.431/a=361/φ210.580.360.226h=0.138×1/a0.1380.080.050.03Ves(l/m3)450427415407Ves(l/m3)(取值)450430420405中砂(Mx=2.60～2.80)将表1中h=0.138×1/a=0.138×361/φ2=50/φ2代入式(4-2)得到：Ves=(1+50/φ2)p×1000(l/m3)(4－3)。此式表明，干砂浆体积与石子最大粒径的平方成反比。石子空隙率——石子最密堆积时的空隙率(0.3954);"石子间空隙率"是(1+h)p。3.浆体体积和集料体积另外、浆体体积由水、水泥、矿物细掺料和空气体积组成，即：Ve=Vw+Vc+Vf+Va(5)对于不同类型的混凝土Ve取值：HPC、HSC：Ve=350l/m3;FLC或其它混凝土：Ve=305～335l/m3。集料体积：Vs+Vg=1000－Ve(6)将此模型能得到关系式(3)～(6)与水胶比定则组成联立方程，可求解混凝土各组分的用量，实现配合比全计算。三.砂率和用水量计算公式1.砂率计算公式根据混凝土的普适体积相关模型(图-2)和有关参数可以得到砂率计算公式：这是砂率计算的通式。当ρs≈ρg时(即ρs=2.65,ρg=2.70)，上式简化为：砂率计算公式的物理意义此式(7)表明，混凝土的砂率：(1)随着用水量增加而增大;(2)随着石子最大粒径的增大(或Ves减小)而减小;(3)随着浆体体积(Ve)增加而减小。砂率计算公式适用于中砂(Mx=2.60～2.80)和连续级配的碎石，其它情况可按有关规范适当调整砂率。采用粗砂或特细砂时：SP=[(Ves－Ve＋W)/(1000－Ve)＋0.075×(Mx－2.80)]×100%2.用水量计算公式

根据水胶比定则：将式(8)与式(5)解联立方程，可求出用水量与配制强度的关系：此式(9)为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。式中ρc=3.15、ρf=2.51分别为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。当当x=0、即不掺细掺料时：式中：W/B－水胶比。当x=25%、即水泥与细掺料的体积比为75：25时：式(9)中系数1/[(1－x)ρc+xρf]的大小与细掺料的体积掺量x有关。计算表明，x变化对该系数的影响不大(见表2)。因此在用式(11)计算用水量时，该系数通常采用0.335。表-2x对系数的影响用水量计算公式的物理意义公式(9)、(10)和(11)表明：(1)混凝土的用水量取决于强度和水胶比，混凝土强度越高，水胶比越小，则用水量越少;(2)矿物细掺料的品种(密度不同)和掺量影响混凝土的用水量;(3)浆体体积越小，用水量越少;(4)引气量越大，混凝土用水量越少。四.混凝土配合比设计步骤1.配制强度：fcu.p≥fcu.o+1-645σ或fcu.p=fcu.o+102.水胶比：式中：fcu.p——混凝土配制强度(Mpa);fce——水泥实测强度(Mpa);fce=1.13×fce.ofce.o——水泥强度等级(Mpa);W/B——水胶比;A、B——回归系数(见表3)表3A、B的取值3.用水量：式中：对于HPC：Ve=350l/m3对于FLC：Ve=305～335l/m3;非引气混凝土：Va=15l/m3;引气混凝土：Va=30～50l/m3(含气量3%～5%)。4.胶凝材料用量：C+FA=W/(W/B)=QFA=αQC=Q(1－α)式中：α－FA的掺量(%)C－水泥用量(kg/m3)FA－矿物细掺料(如粉煤灰)用量(kg/m3)5.砂率及集料用量：S=(D－W－C－F)×SPG=D－W－C－F－S式中：Ves－干砂浆体积，取决于石子最大粒径(见表1)D－混凝土容重(2360～2440kg/m3)式中：W、C、F、S和G－分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量(kg/m3)。6.复合超塑化剂(CSP)掺量：式中：μ－浓度40%的CSP掺量(%)Wo－坍落度7～9cm的基准混凝土用水量，与石子最大粒径有关：192531.5(mm)215210205(kg/m3)W－配制混凝土的用水量(kg/m3)Δη－坍落度从7～9cm提到16～24cm所需的减水率增量Δη＝0.005×Slo－0.04Slo－配制混凝土的初始坍落度16～24cm。7.配合比的调整和试配五.配合比设计工程应用实例1.恒景花园D楼工程混凝土配合比及试配试验A.C60HPC配合比计算银羊42.5Mpa硅酸盐水泥、Ⅱ级FA(珠电)、中砂、碎石(1cm～3cm)、坍落度18cm～20cm，现场搅拌、泵送。(1)配制强度：fcu.p=60+15=75(Mpa)(2).水胶比：W/B=1/(75/28.5+0.52)=0.32(3).用水量：(350－15)/(1+0.335/0.32)=164(kg/m3)(4).胶凝材料用量：C+FA=164/0.32=513(kg/m3)FA=513×0.20=103(kg/m3)C=531－103=410(kg/m3)(5).砂率及集料用量：SP＝(420－350＋164)/650×100%＝36%由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%SS=(2440－513－164)×0.40=705(kg/m3)G=1763－705=1058(kg/m3)(6),CSP掺量：BC40FLC(1)配制强度：fcu.p=40+15=55(Mpa)(2).水胶比;(3).用水量：(4).胶凝材料用量：C+FA=180/0.41=439(kg/m3)FA=493×0.23=101(kg/m3)C=493－101=338(kg/m3)UEA=493×0.10=44(kg/m3)(外掺)Ve=180＋338/3.15＋101/2.5＋44/2.7＋15=359(L)(5).砂率及集料用量：掺UEA：由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%S=(2400－439－44－180)×0.40=695(kg/m3)G=1743－695=1042(kg/m3)普通FLC：由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=41%S=(2400－439－180)×0.41=730(kg/m3)G=1781－730=1051(kg/m3)(6),CSP掺量：现将A和B试配结果列入表4中。表4FLC试配结果2.普硅3.25Mpa水泥，Ⅱ级FA(掺20%)，中砂(Mx=2.80)，碎石(1～3cm)配制各种强度的FLC计算配合比列入表5中。3.固定用水量法设计FLC的配合比配合比设计步骤如下。(1)fcu.p：fcu.p=fcu.o+1.645σ(2)水胶比：W/B=1/(fcu.p/Afce＋B)(3)用水量：在170～185Kg/m3范围选择。(4)胶凝材料用量：C+FA=W/(WB)=QFA=αQC=Q(1-α)(5)Ve计算：Ve=Vw+Vc+Vf+Va=W/ρw＋C/ρc＋FA/ρf＋Va式中：ρw,ρc,ρf,－分别表示水，水泥和粉煤灰的密度(1.0，3.15和2.50)(6)砂率及集料用量：SP=(Ves－Ve＋W)/(1000－Ve)×100%S=(D－W－C－FA)×SPG=(D－W－C－FA)×(1－SP)表5FLC的计算配合比(Ve=330L,Va=15,Ves=420L)固定用水量法用于计算FLC实例

采用普硅525水泥(宝山)，中细砂(Mx=2.50)，碎石(5～31.5mm)，掺CL-2缓凝减水剂配制C20,C25和C30FLC，初始坍落度15～18cm。20FLC配合比计算如下：(1)fcu.p=20+1.645×4=27(2)W/C：W/C=1/(27/23.05＋0.52)=0.59(取0.58)(3)用水量：W=185kg/m3(4)C=185/0.58=319kg/m3；Ve=186+319/3.15+15=301(5)砂率及集料用量：SP=(420－301＋185)/(1000－301)×100%=43%由于砂子偏细应减小砂率(SP=40%)S=(2400－185－319)×0.40=758G=1896－758=1138(6)CL-2掺量：μ=[(205－185)/205＋0.04]×8.34%=1.15%C25,C30FLC配合比计算步骤相同，现将混凝土试配结果列入表6。表6FLC试配结果(固定用水量法)注：普硅525水泥，中砂，碎石(5～31.5mm)表-7C15～C30流态混凝土试配结果注：普硅423水泥，Ⅱ级FA，中砂，碎石(5～25mm)此例证(表-7)预示了一个方向，采用复合超塑化剂配制低标号的高性能混凝土，这对商品混凝土是十分重要的。由于胶凝材料用量少，既提高了混凝土的综合性能，又大大降低了成本。六.结论