高性能混凝土配合比设计实践方案.docx

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1、高性能混凝土配合比设计实践方案传统混凝土配合比设计方法（如绝对体积法和假定容重法）是以强度为基础的半定量计算方法，不能全面满足现代混凝土的性能要求。现代混凝土配合比全计算设计方法是以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型，通过严格的数学推导得到混凝土的用水量和砂率的计算公式，并且将此二式与水灰（胶）比定则相结合能计算出混凝土各组份（包括：水泥、细掺料、砂、石、含气量，用水量和超塑化剂掺量等）之间的定量关系和用量。这项研究成果是混凝土配合比上一次大的改进。由于模型的普遍适用性，全计算法不仅用于高性能混凝土的配比设计，而目还能用于流态混凝土、高强混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、商品混凝土以及防渗

2、抗裂混凝土等现代混凝土的配合比设计。关键词：配合比、全计算法、高性能混凝土。一、高性能混凝土的配合比设计依据高性能混凝土（简称HPC）是一种具有良好体积稳定性、高耐久性、高强度和高工作性能的混凝土,它是在大幅度提高常规混凝土性能基础上采用现代商品混凝土技术，选用优质原材料，包括水泥、水、粗细集料以及矿物掺合料和高效外加剂配制而成的新型商品混凝土，具有高质量和高耐久性。随着高强高性能混凝土在国内的广泛应用，以强度为设计指标的传统混凝土配合比设计方法已不能满足，高强高性能混凝土配合比设计的要求。国内高性能混凝土配合比方法为全计算设计方法(简称全计算法)，国外称为Mehta.Aitcin高性能混凝土

3、配合比设计方法(简称MehtasAitcin法)。实践表明C80高强高性能混凝土的配合比设计符合以强度、工作性、耐久性为设计指标的混凝土配合比全计算法和Mehta、Aitcin法的要求。二、高性能混凝上配合比设计思路及原则高性能混凝土(HPC)与高强混凝土(HSC)最显著的差别是混凝土配合比综合考虑工作性、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，细掺料多掺；(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。因此，HPC的配合比设计比HSC更为严格合理。

4、二、两种体积模型计算配合比的差异及计算1、现代混凝土的数学模型现代混凝土组成复杂，其中包括水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等7个组分。最简单处理方法是用多项式表示：F(x)=a+bx+cx2+fx3+4+hx5+i6+j7(1)图3普迂体积祖关模型A.传统混凝土体积加合模型(图2)混凝土由水泥、砂、石、空气和水组成，在单位体积中：(1)石子的空隙由砂子填充；(2)砂子的空隙由水泥浆填充；(3)水灰比决定混凝土的强度。由此表明：Ve+Vs+Vg=1000式中：Ve=Vw+Vc+VaVeVw.VcVaVS和Vg分别为水泥浆、水、水泥、空气、砂和石子的体R(lm3)0这种体积加合模型与水灰

5、比定则组成联立方程不能求解。必须参照有关规范中的统计数据才能计算混凝土配合比。其坍落度是通过用水量调整的。以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法已不适用于现代混凝土的要求。B.现代混凝土体积相关模型(图3)混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组分构成，在单位积体中，(1)石子间的空隙由干砂浆填充；(2)干砂浆中的空隙由水填充；(3)水胶比决定混凝土强度。根据此模型：Vw+Ves+Vg=1000(3)其中、干砂浆由水泥、矿物细掺料、空气和砂子组成，即：Ves=Vc+Vf+Va+Vs(4)在一定体系中，干砂浆体积是常数。VeS大小取决于石子的最大粒径，石子粒径越大、比表面积越小，因

6、此VeS越小。Ves干砂浆体积(1/m3)2、干砂浆体积VeS的确定干砂浆体积由两部分组成，即石子空隙率和拔开系数：Ves=(1+h)pXlOOO(4-2)式中：P一石子空隙率，取决于石子堆积方式、颗粒形状和级配。h一拨开系数，取决于石子的比表面积和包裹层厚度。粒子呈六方最密堆积时，空隙率为0.3954。当采用最大粒径19mm的碎石配制60MpaHPCn、j,Vc=350、Vs+Vg=650、Vs：Vg=2:3,W=160kgm3o其干砂浆体积为：Ves=IoOO-Vw-Vg=100O-160-390=450(1/m3)p=0.3954,h=(0.45-0.3954)/0.3854=0.138

7、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由(mm)192531.54023616359921600a=73611L732.734.43la=361210.580.360.226h=0.138la0.1380.080.050.03Ves(lm3)450427415407VeS(I?)(取值)450430420405中砂(MX=2.60-2.80)将表1中h=0.138Xla=0.138X36)J50P代入式(42)得至!|：Ves=(l502)p1000(lm3)(4

8、-3)0此式表明，干砂浆体积与石子最大粒径的平方成反比。石子空隙率一一石子最密堆积时的空隙率(0.3954)o3、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=3501/温；FLC或其它混凝土：Ve=305335m3。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，用水量计算公式L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:SP =(Ves-VeA-W

9、) ps(WOO-Ves-W) pf, +(Ves-Ve-W)-ps 100%这是砂率计算的通式。当PSgPg时(即P s=2. 65, P g=2. 70),上式简化为:sp,Ves-Ve+WIOOO-Ve XL00%砂率计算公式的物理意义此式(7)表明, (1)随着用水量增加而增大；(7)混凝土的砂率:(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)/(IOOO-Ve) 0. 075 (M-2.

10、 80) 100%2.用水量计算公式fcu. p=Afce (-B)(8)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:归Ve-Va1+(l-x)PcPf+B)此式为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。式中Pc=3.15、Pl2.51分别为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。当x=0、即不掺细掺料时：(10)v,Ve-Va1+Qi31TW/B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:W=Ve-Va0.335(11)W/B式(9)中系数1(1一x)Pc+xpJ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

11、2)。因此在用式(11)计算用水量时，该系数通常采用0.335O表-2X对系数的影响X(%)35302520系数0.3410.3380.3350.331用水量计算公式的物理意义式、(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、全计算法混凝土配合比设计步骤1 .配制强度：fcu.pfcu.O+1-645O或fcu.p=fcu.o+102 .水胶比：wr=-/Bfcu.pAfce式中：fcu.,混凝土配制强度

12、(MPa);墨水泥实测强度(MPa);fce=l.13fce.ofee.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W=I 0.335 T W/B石子类型JGJ/T55-96JGJ55-3000ABAB碎石混凝土0.480.520.460.07软石混凝土0.500.610.480.333.用水量:式中：对于HPC：Ve=350lm3对于FLC：Ve=305-3351/m3；非引气混凝:Va=15l113;引气混凝土:Va=30-5013(含气量3%5%)。4 .胶凝材料用量：C+FA=W(WB)=QFA=QC=Q(l-a)式中：a-FA的掺量(%)C水泥用量

13、(kgm3)FA一矿物细掺料(如粉煤灰)用量(kgm3)5 .砂率及集料用量：S=(D-W-C-F)XSPG=DC-F-SW式中：Ves一干砂浆体积，取决于石子最大粒径(见表1)D一混凝土容重(23602440kgm3)式中：W、C、F、S和G一分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量(kgm3)06 .配合比的调整和试配五、配合比设计实践C80高性能泵送混凝土配合比设计1、原材料的要求1.1采用普通硅酸盐42.5R或硅酸盐52.5水泥。表1水泥性能指标细度(%)S03(%)MgO(%)Loss(%)凝结时间(min)抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)2.02.552.421.90初凝1553

14、d30.13d5.8终凝22028d50.628d8.51. 2粉煤灰采用I级粉煤灰，其性能指标见表2。表2粉煤灰性能指标细度(45Hm)(%)需水量比(%)烧失量(%)含水量(%)三氧化硫(%)10.010.010.00.10.941.3矿渣采用S75级矿渣粉，其性能指标见表3o表3矿渣粉各性能指标密度(g/cm3)比表面积(m2kg)活性指数(%)流动度比(%)三氧化硫(%)烧失量(%)2.94337d6228d821012.00.01.4外加剂采用上海路加化工有限公司生产的新型高性能泵送剂(VF5),其性能指标见表4o表4外加剂性能指标减水率(%)28d抗压强度比(%)Ih坍落度保留值(cm)对钢筋有无锈2612018无1. 5细骨料采用人工砂，细度模数为2.8,II区砂。2. 6粗骨料采用碎石，粒径为520mmO2技术指标要求：2.1 强度：C802.2 抗冻：F200(冻融环境F300)