关于当代混凝土配合比设计方法的探讨.pdf

全 国中文核心期刊 ； ； x ； 8 # # 新 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 关于当代混凝土配合比设计方法的搽：i=刁 王林 “ ， 王栋民 1 中国矿业大学 ( 北京)化学与环境工程学 院， 北京 1 0 0 0 8 3 2 北京建筑工程学院 土木与交通工程学院 ， 北京1 0 0 0 4 4 摘要 ： 由于混凝土技术的不断进步， 过去以水灰比、 单方用水量、 砂率 3 因素的配合比设计方法， 逐渐演变成以浆骨比、 矿物细 粉 掺合料 、 水胶 比、 砂石用量 4因素的设计方法 。结合现行的混凝 土配合 比设计方法及混凝 土结构耐久性规范， 就浆骨 比、 矿物细粉 掺 合料的选 择及水胶 比和砂石用量 的计算进行 了探讨 。在水胶 比的计算过 程中， 引入 了胶凝 系数的概念 ， 在计算砂石用 量的过程 中， 与传统的确定砂率 的方式不 同， 先计算石子用量 ， 再确定砂子用量 。 关键词： 水胶比； 矿物细粉掺合料； 浆骨比： 胶凝系数 中图分类号： T U 5 2 8 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 7 3 0 4 Di s c u s s i o n o n t h e c u r r e n t c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n d e s i g n me t h o d WANG L i n WANG Do n g mi r t 1 C o l l e g e o f C h e mi s t r y a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ( B e i j i n g ) ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a 2 S c h o o l o f C i v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g I n s t i t u t e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4， C h i n a 0 概述 混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最 重要的一个问题。多年来多数混凝土工作者习惯于根据自己 的经验， 用最简单的方法计算混凝土配合比。混凝土是一种 高度非均质的多项复杂体系， 由于原材料的变化和对混凝土 性能要求的提高， 现今的混凝土越来越复杂， 现行简单化的 方法已不再适用， 需要进一步科学化。 现行当代混凝土的特点 是普遍掺入矿物掺和料和高效减水剂。 混凝土中水、 水泥、 砂、 石4 种原材料中增加了矿物掺和料，因此传统的配合比3 要 素水灰比、 当方用水量、 砂石比， 逐渐演变成为水胶比、 浆 骨比、 砂石比 和矿物掺和料用量等4 要素， 以4 要素为配合比 设计思路的方法在当代混凝土配合比设计中非常常见。 目前国内外有多种H P C配合比设计方法，国外的有： 美 国M e t h a 和A i t c i n 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 D o m o n e P L J 的方法， C a r b o n a r i B T方法以及典型的方法与软件 收稿 日期： 2 0 1 1 - 1 0 2 1 作者简介： 王林， 男， 1 9 7 9年生， 湖北黄岗人， 博士研究生， 主要研究 高性能混凝土及其矿物细粉掺合料。地址 ： 北京市西城区展览馆路 1 号北京建筑工程 学院土木与交通工程学院。 有：法国路桥中心的R E N W L C P C T M软件， D u n s t a n M R H的 方法， 澳大利亚D a y k w的C o n a d 配合比设计系统， 以上方法 基本上都是以经验为基础的半定量设计方法。 笔者最为熟悉的还是国内几位知名专家的配合比设计 方法。 譬如吴中伟院士的简易配合比设计方法 】1 ， 吴中伟院士 早在 1 9 5 5 年提出的简易配合比设计方法，遵循绝对体积设 计原理， 以 试拌调整法为主。基本原则是要确定砂石最小的 混合空隙率， 即普通混凝土中砂石为一体系， 水、 水泥为另一 体系。根据两者的互补关系， 在充分考虑流动性的基础上， 确 定合理的水泥浆富余系数。通过确定砂石最低砂石空隙率 ( 实际为最佳砂率) 、 最小水泥浆量等参数， 来配制符合性能 要求而又经济合理的混凝土。 另外， 廉慧珍闭 对于浆骨比、 水胶比、 砂率、 矿物细粉掺合 料4因素的选择进行了科学的选择和推导。廉教授指出： 对 于水胶比， 对有耐久性要求的混凝土， 按照结构设计和施工 给出 混凝土技术要求 中的最低强度等级， 按保证率9 5 确 定配制强度；以最大水胶比作为初选水胶l 匕 ，再依次减小 0 0 5 0 1 0 百分点， 取 3 5 个水胶比试配， 得出水胶比和强度 的直线关系， 找出上述配制强度所需要的水胶比， 进行再次 试配， 该方法对于水胶比的确定进行了科学的选择。 陈建奎和王栋民翻 全面定量地确定混凝土各组成材料用 量的方法， 建立的混凝土体积模型推导砂率的方法有特点而 N E W B UI L DI NG MATE Rl AL S 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王林 ， 等： 关于 当代混凝土配合 比设计方法的探讨 且较为合理。 台湾科技大学黄兆龙教授依据多年从事研发的经验， 将 混凝土的“ 耐久性、 安全性、 工作性、 经济性、 生态性” 融入配合 比设计中， 采用颗粒堆积及材料科学的原理， 推出致密配比方 法， 适用于一般高性能混凝土及优化高性能混凝土的配合比设 计。 在高密实混凝土的设计思路中， 因骨料占混凝土体积的2 3 以上， 所以直接控制骨料的比 例将会有效地获得混凝土的最小 空隙率。而通过寻求混凝土中固体材料的最大单位重， 来寻求 最小空隙， 可以较容易地获得骨料间的最佳比例， 使拌制出的 混凝土具有较好的工作性、 较高的强度及优异的耐久性4 1 。 综上所述， 混凝土配合比设计方法是多种多样的， 在各因 素的选择或计算上， 有的是采用经验方法直接假定， 有的是通 过定量的计算， 有的是通过试验得到一个最佳数值。 任何初步 配合比总是要先经过实验室的检验和调配，然后再应用于生 产， 因此科学定量的计算配合比的方式应该是可以接受的， 并 且缩短调配的时间， 而从经验走向科学， 从半定量走向定量也 是配合比设计的趋势。 本文结合现行的混凝土配合比设计方法 及混凝土结构耐久性规范， 就浆骨比、 矿物细粉掺合料的选择、 水胶比 和砂石用量的 计算进行了探 讨。 在水胶比 的 计算过程 中， 引入了 胶凝系数的概念， 在计算砂石用量的过程中， 与传统 确定砂率的方式不同， 先计算石子用量， 再计算砂子用量。 1 配合比设计过程 1 1 浆骨比的选择 在新拌混凝土中， 水泥浆体主要起润滑作用， 赋予混凝土 较好的和易性。如果混凝土浆量较少，砂石表面包裹的浆量 少， 混凝土流动性就不好； 但是浆量过多， 对混凝土耐久性也 不利。 因此， 选择浆量的原则是： 在满足混凝土性能的前提下， 尽量选择最小的浆骨比。美国M e h t a 、 A i t c i n 教授在对高性能 混凝土进行了大量的研究认为： 要使混凝土同时达到最佳的 施工和易性和强度性能， 其水泥浆与骨料应有一个最佳体积 比， 即 d ) = 3 5 ： 6 5 。 文献【 3 也将浆骨比定在3 5 ： 6 5 。 但是对 于普通混凝土， 浆体体积就没有必要定得这么高。 浆骨比的选 择参考G B T 5 0 7 4 6 -2 0 0 8 混凝土结构耐久性规范 ， 如表 1 所示。 表 1 不同等级 混凝土最大浆体体积 在实验室试配混凝土过程中， 如果和易性不够好， 可以 保 持水胶比不变， 提高浆体量。 7 4 新型建筑材料 2 0 1 2 5 1 2 水胶比的计算 早在 1 9 1 9 年， A b r a m s 发表了混凝土强度的水灰比定则， 对于一定材料， 强度取决于一个因素， 即水灰比。混凝土发展 到今天，大多数学者接受混凝土的强度随着水胶比的增大而 降低这一观点，但是混凝土强度与水胶比成反比的保罗米公 式一直饱受质疑，有学者认为该式适用条件是使用硅酸盐水 泥、 级配良 好而清洁的河砂、 粒形匀称的石子。 确实是这样， 当 代混凝土胶凝材料体系都为水泥与矿物细粉掺合料复合体， 砂已经大部分是机制砂。但是混凝土的强度与灰水比 成正比 这个定律大部分人认同， 在确定水灰比的方法上， 还是取3 个 点， 做出灰水比与强度的直线， 然后得出想要的水灰比。廉慧 珍教授在混凝土配合比设计中选择水胶比的方法，充分证实 了这一点。 由上可以看出，混凝土的强度与水胶比成反比这个定律 还是存在的，只不过怎么改进保罗米公式使之适用于现在的 掺矿物细粉掺合料的混凝土。国内很多学者在应用保罗米公 式时， 引入了胶凝系数的概念， 将保罗米公式修正为： ( 笋一 式中B为胶凝系数， 它与掺合料的技术性质有关， 若掺 合料选择的是粉煤灰， B与粉煤灰的细度、 需水量， 烧失量有 关。 笔者也是参考了国内学者张雪松等人研究的成果， 他们经 过大量的试验， 得出粉煤灰胶凝系数的计算为： 3 - o 0 7 7 4 产 ， n “ n 蚴 ( 2 ) 式中： 厂 细度， m 需水量， ， 广一烧失量四 。 引入胶凝系数的概念后， 在计算过程中， 很容易发现粉煤 灰掺量越高， 所计算得到的水胶比 越低， 这和工程中粉煤灰的 实际应用是相吻合的。目前， 很多搅拌站， 矿物掺合料都是粉 煤灰与矿粉的双掺，矿粉的胶凝系数的计算文献中介绍的比 较少，一般认为$ 9 5 的矿粉，胶凝系数为0 7 0 8 ， $ 7 5的矿 粉， 胶凝系数为0 5 0 7 。 1 - 3 矿物细粉掺合料掺量 矿物掺合料的掺量应考虑工程环境， 比如在地下工程、 基 础底板等， 没有立即冻融作用时， 矿物掺合料可以用到最大掺 量。一般最大强度等级低的构件， 水胶比较大时， 粉煤灰掺量 不应大于2 0 ， 矿渣不应大于3 0 。不同环境下矿物掺和料 的掺量选择见G B T 5 0 7 4 6 -2 0 0 8 表 B 3 1 和附录B 。对于v C 、 V D 、 V E环境， 单掺粉煤灰的上限为5 0 ， 单掺矿粉的上 限为8 0 ， 如果采取延长湿养护时间或其他增强钢筋的混凝 土保护层密实度措施， 则可超过以上限制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王林， 等： 关于当代混凝土配合 比设计方法的探讨 1 4 砂石用量的选择 砂率是影响混凝土和易性的重要因素。 选择最佳砂率， 可 以使混凝土获得较好的和易性。 当前， 国内 配合比设计方法对 砂率的选择主要基于试验和经验。 例如： 吴中伟院士的简易配 合比设计方法主要是通过试验不同的砂石比例获得最低的空 隙率， 从而节省水泥浆量。有的是根据石子的空隙率， 砂的级 配情况， 凭经验确定砂率。当然也有用计算的方式获得砂率， 例如全计算法。 本文介绍的是意大利科学家 M a r i o C o l l e p a r d i 关于泵送混凝土砂石用量的确定方法6 1 。 这套方法是根据石子的空隙率、 砂子的细度模数、 骨料的 最大粒径来确定单方混凝土粗骨料的用量。 我们知道， 如果砂 浆仅仅填充石子之间的空隙， 没有富余， 那么石子颗粒之间屈 服剪应力较大， 流动性不好， 所以砂浆体积应该是比石子的空 隙略有富余。基于试验， 意大利科学家M a r i o C o l l e p a r d i 确定 了一些参数， 使其达到最优搭配如图 l 所示。 参数之一就是 相 堆 ， 耜 为1 m 混凝土中粗骨料的固体体积， 堆 为 1 m 紧密堆积骨料中粗骨料的固体体积， 堆 等于粗骨料的紧密堆 积密度与粗骨料的表观密度之比， 也成为粗骨料的密实度， 两 者均在饱和面干状态下测得。 M a r i o C o l l e p a r d i 根据试验得出 泵送混凝土粗骨料的 相 堆 的大小， 见表2 。 ( a ) 砂浆较少的混凝土 ( b ) 砂浆较多的混凝土 图 1 粗骨料用量对 比 表 2 坍落度 1 5 0 2 0 0 m m的泵送混凝土 粗骨料的V粗 堆 上述方法不同于别的配合比设计方法在于，直接根据骨 料的最大粒径， 骨料的空隙率， 砂的细度模数确定粗骨料的体 积。 那么粗骨料的体积一定， 砂浆体积就确定下来了。 浆体体积 在第一步就确定了下来， 因此砂体积的确定： 砂 = 1 一 粗 一 V浆 ； 砂的体积随着浆量的增加而降低。 对于低强度混凝土，浆量 较少时， 砂子体积增加， 砂率增大； 高强混凝 土浆量较多时， 砂 的体积减少。 这个结论和我们目 前工程上的情况基本一致， 低 等级混凝土砂率较高， 高等级混凝土砂率较低。 关于砂率增大， 而浆量降低， 怎么实现混凝土的和易性， 可以这么理解， 低强度混凝土浆量低， 但是用水量大， 而决定 混凝土流动性主要还是看水泥颗粒表面水膜的厚度，但是一 般情况下， 水泥用量较少时砂浆层显得粘聚性不够， 混凝土粘 聚性不够好。因此， 在胶凝材料用量极低的情况下， 有时候需 要加增粘剂以保证低强度等级混凝土流动性与粘聚性的统 一 。而 对于高 强混凝土， 浆量虽然提高， 但是水 胶比 低， 用水量 少， 因此， 要掺高效减水剂释放出水泥颗粒包裹的水， 提高砂 石表面水泥颗粒吸附 水的 厚度，从 而提高流动性， 但是胶材 多， 混凝土就比 较黏， 塑形黏度大， 因此通过掺加一些矿物掺 和料或降粘剂来解决这些问题。 2 配合比设计案例 设计强度等级为C 3 0 混凝土用作基础底板， 不会发生立 即冻融作用， 原材料条件如下： 水泥为P O 4 2 5 ，密度为3 1 g c m ， 2 8 d胶砂抗压强度 4 8MP a 。 粉煤灰为 级粉煤灰， 细度9 ， 需水量9 8 ， 烧失量 6 ， 密度 2 2 g c m ， 细骨料为机制砂， 细度模数2 8 ， 表观密度 2 6 5 g c m 。 粗骨料： 碎石5 1 0 m m与 1 0 2 5 m m按 3 ： 7 级配后， 表观 密度2 7 g c m 。 ， 紧密堆积密度 1 5 6 g c m 。 2 1 选择浆骨比 参考表 1 ， 强度等级C 3 0 混凝土， 可先选择 ) ： 。 ) = 3 0 0 ： NE W BUI L DI NG MATE RI AL S 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m