高强自密实混凝土配合比设计方法探讨.pdf

2 0 1 3 年 第 9 期 (总 第 2 8 7 期 ) Nu mb e r 9 in 2 0 1 3 ( T 0 t a l No 2 8 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 RE ADY M D D CONCRET E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 9 0 2 5 高强自密实混凝土配合比设计方法探讨 兰明章 ，陈英伟 ，杨进波 。阚常玉 ( 北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要： 结合普通 自 密实混凝土固定砂石体积法与参数设计法 ， 通过大量试验设计出了针对高强 自密实混凝土的配合 比设计方法。 在此配合比设计方法 中， 通过骨料系数 ， 水胶 比， 砂率 ， 与掺合料添加量 4 个系数来确定配合 比各组分用量。 通过调整这 4个系数 就可 以设计 出不同需求 的混凝土配合 比。 这种设计方法可以根据 自密实混凝土在 7 0 1 0 0 MP a内对强度的不 同需求进行配合 比 设计 ， 并同时考虑到骨料的不同粒型及尺寸。 关键词： 自密实 ；混凝土 ；配合 比设计 ；高强 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 8 7 0 3 Di s c u s s i on o f m i x t u r e r a t i o d e s i gn m e t h o d o f h i gh s t r e n g t h s e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t e LAN Mi n g z h a ng， CHEN Yi n gwe i ， YANG J i ng b o， KAN Ch a n g y u ( C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Comb i n a t i o n o f fix e d s an d a n d s t o n e v o l u me me t ho d an d p a r a me t e r d e s i g n me t ho d o f c o mmo n s e l f - c o mpa c t i n g c o n c r e t e， mi x t u r e r a t i o d e s i g n me tho d a i me d a t h i【g h s t r e n g t h s e l f - c o mp a c t i ng c o nc r e t e wa s d e s i gn e d b y ma s s i v e e x p e r i me n t s I n the mi x t u r e r a t i o d e - s i gn me t h od， t he am o u nt o fe a c h c o mp o n e n t ofmi x t u r e r a t i o wa s d e t e r mi n e d t h r o ug h f o u r c oe ffi c i e n t s， wh i c h are a g gr e g a t e c oe ffi c i e n t ， w a t e r t o b i n d e r r a t i o ， s and r a t i o and t h e am o unt o f a d mi x t u r e B y a d j u s t i n g th e fou r c o e ffic i e n t s ， c o n c r e t e mi x t u r e r a t i o f o r d i ffid e n t r e q u i r e - me n t C an b e d e s i g n e d Th i s d e s i gn me tho d C an d e s i gn mi x t u r e r a t i o a c c o r d i ng t o d i ffe r e nt s e n g t h r e q u i r e me nt o f s e l f - c o mpa c t i n g c o n c r e t e i n t h e r a n g e o f7 0 t o 1 00 MPa， c o n s i d e r i n g d i ffe r e n t typ e a nd s i z e a t the s a n l e t i me K e y wo r d s ： s e l f - c o m p a c t i n g ； c o n c r e t e ； m i x t u r e r a t i o d e s i gn； h i gh s t r e n gth 0 引 言 中国基础建设 目 前发展很快 ， 混凝土工程项 目E t 益增多 ， 建筑物向高层 ， 大跨度 以及结构更加复杂 的方向发展 ， 其对 施工质量和耐久性的要求也越来越高 ， 从而要求建筑技术也 越来越高。 而目前普通混凝土需要靠振捣来达到密实， 以满 足所需要的强度和耐久性， 然而振捣时间和操作的误差会带 来许多问题 ， 大大降低混凝土的最终性能 。 普通混凝土无法 满足性能要求。 而自密实混凝土以其良好的流变性、 黏聚性、 稳定性和匀质性解决了混凝土施工中存在 的许多问题 。 自 1 9 8 8 年 O k a m u r a 教授提 出 自密实混凝土概念 ， 随后 ， 东 京大学 的 O z a wa 等圈 开展了 自密实混凝土 的研究 以来 ， 目 前国内 C 5 0以下的自密实混凝土已经大量生产 ， 应用广泛。 通 过研究现有的国内外 自 密实混凝土配合比， 发现在国内的几 种配合比设计 中， 如 自密实混凝i i f 与施工指南( C C E S ) 中 没有根据强度进行设计， 而自密实混凝土应用技术规程 C E C S ( 2 0 0 6 ) ， 固定砂石体积含量法 ， 参数设计法强度都是按照普 通自密实混凝土的强度公式进行设计的； 国外目前的设计方 法 中， 如 O k a mu r a ， D o mo n e e t a l ( 1 9 9 9 ) 。 S e d r a n e t a l ( 1 9 9 6 ) 。 Gi b b s L C P C ( 2 0 0 0 ) ， E F N ARC ( 2 0 0 2 ) ， ACI c o mmi t t e e 2 3 7 R 0 7 ( 2 0 0 7 ) 可以设计强度小于 6 0 MP a的配合 比【4 _ 1 ， 目前针对 高强自密实混凝土配合比设计的研究及应用很少。 因此研 究高强 自密实混凝土配合 比设计具有理论意义和现实意 义 ， 本研究主要探讨 了高强 自密实混凝土的配制方法及配 合比设计过程中要注意的因素， 并对根据配合 比设计出来 的 自密实混凝土进行 了性能与强度举例。 1 高强 自密实混凝土配合比方法 1 1 自密 实混凝 土配合 比的设计 思路 在进行配合比设计时， 可以定义若干参数作为不同原 材料对混凝 土性能的不同影响 ， 各参数 的取值 通过经验或 计算确定 ， 在此基础上通过联立方程求解得到各种材料的 最终用量。 普通混凝土采用 的是通过机械振捣时的因触变 作用使骨料与砂浆之间的屈服剪切应力大幅减小 ， 在振捣 过程中混凝土呈液化而流动并密实成型 ， 而制备 自密实混 凝 土的原理是通过外加剂 、 胶凝材料 的用量及种类 、 粗 细 骨料的比例以及骨料的级配和尺寸的选择搭配和合理的 配合比设计， 使屈服应力 。 减小到合理范围， 同时又要具 收稿 日期 ：2 0 1 3 - - 0 3 - 0 6 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 2 0 8 0 1 3 ) ； 北京市自然科学基金重大项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 有足够的塑性黏度， 使水泥浆包裹住骨料， 让骨料悬浮于 水泥浆 中， 不出现离析和泌水现象， 并能能靠 自身重力使 其充分填充模型内的空间， 形成密实且均匀的结构。 如图 1 所示 ， 自密实混凝土拌和物的特 点是高流动性而无离析 ， 而流动性和抗离析性是互相矛盾 的。 如何达 到流动性 、 抗 离析性的平衡 ， 是 自密实混凝土配合 比设计的关键 。 龊 坍落流动度值 图 1 坍落度流动度之间关系图【 在进行配合 比设计时， 影响 自密实混凝土强度与I 生 能 的因素有 以下几个方面： ( 1 ) 用掺合料比例不同的胶凝材料配制 S C C时， 为保证 良好的 自 密实性能， 其用水量与减水剂用量的搭配有所不同。 ( 2 ) 砂的级配状况是 S C C配合比设计 中决定砂率的 关键 因素 ， 砂率选择不当会严重影响 S C C的 自密实性能。 ( 3 ) 水泥 中主要矿物是 硅酸三钙 、 硅酸二钙 、 铝酸三 钙 、 铁铝酸四钙 ， 这些矿物在水的作用下 ， 会反应生成针状 矿物 ，这些针状矿物是水泥具有水硬特性的原因。 当水泥 8 8 根据适配强度选定水胶比WI B 石子粒形， 级配， 尺寸确定骨料系数 每 立 方 米 石 子 用 量 w 。= P F o (1 一 音 ) 根据砂率确定砂子用量w = w 确 定 浆 体 体 积 = l 一 鲁一 + ： V w l V e = ( W I B ) p B I 1 0 0 0 = ( ) 1 o o o + ( rv B ) 蹦 = 一 用水量 与骨料均匀混合 时， 骨料之 间充填 了硅酸盐矿物 ， 有针状 矿物将骨料互相黏结在一起。 在使用骨料时， 必须选用合适 种类的骨料， 骨料粒径也要控制好， 骨料之间形成岛状结 构 ， 岛与 岛之间 由针状矿物 紧密相连 ， 从而石子 的级配 和 粒形及尺寸会影响到配合比设计中石子的用量。 ( 4 ) 水胶 比对强 度的影 响最为关键 。 因此本设计方 法 将引人 4 个系数 ， 通过调整通过骨料系数 ， 水胶比， 砂率 ， 与掺合料添加量 4 个 系数来确定配合 比各组分用量 4个 系数来调整配合 比， 这样可 以使 配合 比更全面的反映出混 凝土性能， 并且更具有普遍适用性 。 该方法的基本原则是在低水胶 比的情况下 ， 用胶凝材 料浆体填满松散堆积的骨料间隙。 处于饱和面干状态的 粗 、 细骨料松散堆积时， 颗粒之间充满空隙 ， 当把水和胶凝 材料填加到骨料 中时会 出现润滑效 应使骨料堆变得更加 密实且满足强度。 1 2 配合 比设计步骤 图 2 为配合 比设计流程图， 按照图中步骤和要求 ， 计算 几组配合比进行试配， 通过评价其施工性 ， 并检验其强度。 选择其 中符合要求的配合 比。 若实测混凝土表观密度值与 计算的表观密度值之差的绝对值超过 2 ， 则应用校正系数 对其所计算的配合比进行调整。 1 3 参数取值 范围 ( 1 ) 粗骨料 系数 O t I o t 与骨料粒径相关 ， 其取值 通过试 验总结得出， 表 1 为 O t 的取值范围表 。 根据所需工作性能实验 结果确定外加剂用量；根 据净浆流动度， 耐久性以 确定掺合料在胶凝材料 中的含量 = 一 P 1 c + p B (一 ) 掺合料用景F = p 水泥用量c = p c 厂 矗 调整减水剂用量 否 工作性满足要求 - _ 一 是 ，L 、 强度满足 要求 -_ 一 是 通过校正确定配合比 图2配合比设计流程图 否 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 粗骨料 系数 a取值范围表 骨料粒径 m m 5 - 1 0m m 1 0 - - 2 0n l l r l 2 0 mm a O95 o 9 7 0 9 8 -1 1 1 1 1 0 4 注 ： d： ， h i m2 o ( 2 ) 水胶 比： 通过 文献和试验归纳得 出水胶 比， 表 2为 根据混凝土不 同强度等级选取的水胶 比值。 表 2 水胶比取值范 围 ( 3 ) 砂率 ： 根据砂子在砂浆 中的比例小 于 0 4 2 为原则 选取砂率 ， 砂率取值为 0 4 5 0 5 。 ( 4 ) r 取值 ： r 取值为 0 2 5 0 4 5 。 其 中， 随着设计强度 的 提高硅粉量应适 当增大 ， 硅粉加入量为 4 1 0 。 1 4 配合 比计算举例 以 C 7 0配合比设计为例 ， 参数取值设定如下 ： 设定混凝土 2 8 d 强度 ： 7 0 MP a ； 水胶 比为 0 2 7 ； O r 取值 为 0 9 5 ； 砂率为 0 4 5 ； r 取值为 0 3 6 。 ( 矿粉 2 0 ， 粉煤灰1 2 ， 硅粉： 4 ) ； 骨料紧密堆积密度 1 6 7 8 k g m ； 松散堆积密度 1 5 2 6k g m 。 配合 比计算过程如下 ： 埘 P g l 一 ) = 1 6 7 8 1 5 2 6 x l 6 7 8 ( 1 - 0 4 5 ) x 0 9 5 = 8 7 6 8k g ( 1 ) 加 g _ 8 7 6 5 ( 等 7 k ga - $ ( 2 ) 、 U -J J ， 0 = 一 ： 1 一 旦 一一 o_ = o 4 2 7 c m 3 ( 3 ) P 。Pg 2 7 6 9 2 8 3 2 9 2 5 5 6 一 p c X P F 一 3 01 l x 2 8 6 4 8 一 p p c y + p F ( 1 - y ) 3 0 l l x O 3 6 + 2 8 6 4 8 x O 6 4 3 0 l l k g m ( 4 ) V w = ( ) p B V P 1 0 0 0 + ( W B) p B 】 = O 1 8 7 m ( 5 ) 用水量 ： 1 V=1 8 7k g 日 = P Vw = O 4 2 7 0 1 8 7 =0 2 2 m3 F = B - - c V r = 一 = 0 0 8 m3 p c 。 ， B ( 1 - y ) c卸 1 4 m 掺合料用量： F = pB V 2 5 3 k g 水泥用量 ： C= p c 产4 3 4 k g 2 试验所 用原材料及性 能 ( 1 ) 水泥 ： 金 隅 P O 4 2 5 级水泥 ， 水泥物理性 能和化学 组成如表 3 和表 4 。 表 3 水泥主要物理性能 ( 2 ) 掺合料： 粉煤灰： 金隅搅拌站 I 级粉煤灰 ， 烧失量 0 4 ， 密度 2 6 0 0 k g m ， 比表面积 5 9 0 m2 k g ； 矿粉 ： 金隅搅 拌站 $ 9 5 级矿粉 ， 密度 2 9 0 0 k g m ， 比表面积约 4 0 7 m 2 k g ， 化学成分见表 5 。 表 5 矿粉化学成分 ( 3 ) 硅粉 ： 取 自金隅搅拌站； 硅粉的比表面积为 1 5 x 1 0 4 m 2 k g ， 主要 化学成分见表 6 。 表 6 硅灰主要化学成分 ( 4 ) P b 剂 ： 西卡聚羧酸减水剂 ， 减水率 3 5 。 ( 5 ) 骨料 ： 粗骨料 ： 采用碎石 ， 5 1 0 m m连续级配 ， 主 要性能指标见表 7 ； 细骨料 ： 机制细骨料 ， 骨料粒径符合 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 1 建设用砂 要求 ， 主要性能见表 8 。 表 7 粗骨料的主要性能 3 试验 与分析 3 1配合 比设计 根据配合 比设计 配制混凝土强度为 C 7 0 到 C 1 0 0 的试 验， 表 9 是根据不同强度设计的配合比。 其中， 减水剂掺量 为 0 3 5 - -0 3 7 。 表 9 混凝土配合比 下转第 9 6页 8 9 、 、 J 6 7 8 9 0 1 2 L LL 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 0 ( 1 ) ： 3 - 6 6 雷文晗， 彭小芹， 谢永江， 等 硅微粉对混凝土性能的影I NJ 混 凝土 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 0 0 1 0 1 ， 1 0 7 【 7 1 张江泳 硅粉在超高强混凝土中的应用【 J 】 国外建材科技 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 2 1 5 8 8 陈昌礼， 屠庆模， 凌友志 圭 粉混凝土的基本性能与工程应用 J 上接第 8 9页 3 2 试验 结果及 分析 根据设计配合比进行试配， 并对配制混凝土进行工作 新型建筑材料， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 3 4 6 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 孙家国( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 教授， 硕士， 研究方向： 建筑新材 料、 新技术的研究与应用。 福建省武夷山市武夷大道 1 6 号 武夷学院土木工程 与建筑学院( 3 5 4 3 0 0 ) 1 5 95 9 7 7 7 4 6 6 性和强度测试。 工作性能测试结果如表 1 O 所示 ， 强度测试 结果如表 1 1 所示 。 表 1 0 工作性能测试结果 表 1 1强度测试结果 由表 1 0 、 1 1 可知， 4 组配合比的工作性能都可以满足自 密实混凝土的性能要求 ； 从扩展度来看出 v型漏斗留下时 间， 以及L型箱试验， U型箱试验可以看出强度增高的同时其 工作性能有所下降， 但下降的趋势不明显 ； 坍落度值没有线性 规律变化， 可以说明混凝土强度与工作性能无必然联系。 4 总结 可应用该方法在试验室 内成功配制出 2 8 d 抗压强度 为 7 0 1 0 0 MP a的自密实混凝土， 目前超高强 自密实混凝 土已经在工程上有少量应用， 但仍没有详细的成体系的配 合 比设计 ， 大都是根据经验并结合大量试验进行调配而得 到， 这套配合比设计方法可以给 2 8 d 强度等级在 7 0 MP a 以上的 自密实混凝土的配制提供一定 的指导 。 参考文献 ： 【 1 】OK AMU RA H， O UC HI M S e lf- c o mp a c t i n g c o n c r e t e De v e l o p me n t ， p r e s e n t u s e a nd f u t u r e 1 s t I nt e r na t i o n a l RI L EM S y mp o s i um o n S e l f _ C o mp a c t i n g C o n c r e t e C S t o c k h o l m， 1 9 9 9： 3 - 1 4 【 2 】O KAMUR A H， OU CH I M S e l f - c o mp a c t i n g C o n c r e t e ： De v e l o p me n t ， Pr e s e n t Us e a n d F u t u r e i n S e l f Co mpa c t i n g Co nc r e t e： P r o c e e d i ng s o f t h e F i r s t I n t e rna t i o n al R I L E M S y m p o s i u m C 1 F r a n c e ： R I L E M P ub l i c a t i o ns ， Ca e ha n Ce d e x， 1 9 9 9： 3 1 4 3 3 O K A M U R A H， O Z A WA K Mi x D e s i g n f o r S e lf - C o m p a c t i n g C o n - c r e t e J C o n c r e t e L i b r a r y o f J S C E， 1 9 9 5 ： 1 0 7 - 1 2 0 4 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 【 5 吴红娟启 密实混凝土配合比设计方法研究 天津： 天津大学， 2 o0 6 【 6 】DOMON E P CHA I H， J I N J O p t i mu m Mi x P rop o r t i o n i n g o f S e lf一 96 Co mp a c t i n g Co n c r e t e： Pr o c e e di n g s o f t he I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n n o v a t i o n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ： D e s i gn a n d C o n s t r u c t i o n C 】 L 0 n d o n ： T h o ma s T e l f o r d， 1 9 9 9： 2 7 7 - 2 8 5 【 7 】G I B B S J C T h e Pro s p e c t s fo r S e lf C o m p a c t i n g C o n c r e t e ： C o n c r e t e Co mmu n i c a t i o n Co n f e r e n c e 9 9： 9 t h BC A An n u al Co nfe r e n c e o n Hi g h e r E d u c a t i o n and t h e C o n c r e t e I n d u s t r y C Ca r d i ff Un i v e r s i t y ， 1 9 9 9： 3 91 4 0 2 【 8 P A R T N E R T S M i x D e s i gn M e t h o d s ： F i n al R e p o r t o f T a s k 5 【 C 】 Fr anc e： Brit e Eu Ra m LCPC， 2 0 0 0： 81 【 9 9 S UN， HS UKC， C HA IHWA S i mp l eMi xD e s i gn Me t h o dfor S e C o m p a c t i n g C o n c r e t e J T a i w a n ， 2 0 0 1 ： 1 7 9 9 - 1 8 0 7 【 I O I Z A N G Z S e lf - C o m p a c t i n g C o n c r e t e M e t h o d s f o r T e s t i n g a n d D e - s i g n t M B o r al Ma t e r i a l s T e c h n o l o g i e s ， 2 0 0 1 ： 3 4 【 1 1 E F N A R C S p e c i fi c a t i o n a n d G u i d e l i n e s fo r S e l f - C o m p a c t i n g C o n - c r e t e R A s s o c i a t i o n H o u s e ， L o n d o n ， U K， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 2 【 1 2 A C I C o m m i t t e e 2 3 7 ， S e l f - C o n s o l i d a t i n g C o n c r e t e ( A C I 2 3 7 R _ 0 7 ) s 】 Ame ric a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， Fa r mi n g t o n Hi l l s ， MI ， Ap r ， 2 0 07， 3 0 【 1 3 A C I C o m m i t t e e 2 1 l ， S t a n d ard P r a c t i c e f o r S e l e c t i n g P r o p o rt i o n s fo r N o r m a l ， H e a v y w e i g h t a n d Ma s s C o n c r e t e( A C I 2 1 1 1 - 9 1 ) I S A m e r i - c a n Co n c r e t e I n s t i t u t e， Fa r mi n g t o n Hi l l s， MI ， 1 9 91， 3 3 【 1 4 A C I C o m m i t t e e 3 6 3 ， R e p o rt o n H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e( A C I 3 6 3 R - 9 2 ) S A m e ri c an C o n c r e t e I n s t i t u t e ， F a r m i n gt o n H i l l s ， M I ， 1 9 92： 5 5 【 1 5 S E D R A N T ， D E L F ， H O U R S F ， e t a 1 M i x D e s i g n o f S e l f C o m p a c t i n g Co n c r e t e： RI L EM I n t e rna t i o n a l Co nfe r e n c e o n P r o d u c t i o n Me tho d s a n d Wo r k a b il i t y o f C o n c r e t e C G l asg o w ， S c o t l a n d ， 1 9 9 6 ( 6 ) ： 4 39 45 1 【 1 6 】 顾国荣 广州西塔工程 C 1 0 0及 C 1 0 0自密实混凝土配制生产及 其超高泵送技术 J 】 混凝土世界， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 3 1 4 1 作者简介： 兰明章( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 教授级高工， 研究方向： 水泥、 混 凝土及q b ) O ff U 的研究。 联 系地址 ： 联系电话 ： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学材料学院 建材实验室( 1 0 0 1 2 4 ) 1 3 91 0 7 61 02 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m