自密實高性能混凝土配合比的設計簡介.doc

自密實高性能混凝土配合比的設計簡介 摘 要：簡要介紹了國內外對自密實高性能混凝土配合比設計的研究狀況和自密實高性能混凝土配合比計算的固定砂石體積含量計算法和全計算法關鍵詞： 自密實 高性能 混凝土 配合比 1.引言自密實高性能混凝土是在低水膠比下具有很高的流動性而不離析、不泌水，能不經振搗靠自重流平并充滿模型和包裹鋼筋的新型高技術混凝土，采用這種技術能生產出均勻質量的優(yōu)良混凝土。自密實高性能混凝土最主要的性能是在自重作用下無需振搗，自行填充模板空間，可用于難以澆筑甚至無法澆筑的結構。自密實形成的混凝土結構具有良好的力學性能和耐久性能。自密實高性能混凝土由于免振，可節(jié)省勞動力和電力，提高施工效率，免除振搗所產生的噪音給環(huán)境造成的危害，且能解決傳統(tǒng)混凝土施工中的漏振、過振以及鋼筋密列難以振搗等問題，可保證鋼筋、預埋件、預應力孔道的位置不因振搗而移位，并能大量利用工業(yè)廢料做摻合料，降低混凝土的水化熱，提高耐久性，具有顯著的技術、經濟和社會效益。配制混凝土首先要確定混凝土配合比。目前混凝土配合比設計的方法一般都是先計算，再試驗調整，因此，配合比計算是確定自密實高性能混凝土配合比的第一個環(huán)節(jié)。自密實混凝土配合比與普通混凝土配合比有很大差別，至今沒有形成統(tǒng)一的設計計算方4法。在任何情況下都能通用的混凝土配合比是不存在的，但針對自密實高性能混凝土特點和規(guī)律的配合比計算方法應該是能夠找到的，探討自密實高性能混凝土配合比計算方法對自密實混凝土的研究和應用有著重要的意義。2.國內外對自密實高性能混凝土配合比設計的研究 近年來國內外對自密實混凝土技術的研究已引起了廣泛的重視，并取得了重要的進展，特別是在自密實混凝土的配合比設計方面1993年，最早提出自密實高性能混凝土的日本東京大學岡村甫教授(Hajime Okamura)介紹了自密實高性能混凝土的配合比設計方法1，他的主要觀點如下：首先對漿體和砂漿進行試驗以檢測超塑化劑、水泥、細骨料和火山灰質摻合料之間的相容性，然后進行自密實高性能混凝土的配合比試驗。這種方法的優(yōu)點是避免了重復進行同樣的混凝土質量控制試驗，節(jié)省了時間和勞動力。這種方法的缺點是：1）在自密實高性能混凝土配合比設計之前，要對砂漿和漿體進行質量控制，而許多混凝土預拌廠商并沒有做這些試驗所需的設備。2）配合比設計方法和過程對于實際應用過于復雜。岡村甫教授還提出了簡單的自密實高性能混凝土配合比例2：1）粗骨料的用量固定為固體體積的50。2）細骨料的用量固定為砂漿體積的40%。3）體積水灰比取決于水泥的性質，假定為0.9到1.0。4）超塑化劑的用量和最終的水灰比根據確?；炷磷悦軐嵞芰Φ男枰獊頉Q定。這些可作為自密實高性能混凝土配合比的校核原則。另外，JRMCA提出了岡村甫方法的簡化版本自密實高性能混凝土標準化配比設計方法3，該方法可用于大摻量細粉摻和料和水膠比小于0.30的場合。日本預拌混凝土聯(lián)合會提出固定砂石體積含量的方法計算高流動自填充混凝土配合比4。法國路橋實驗中心(LCPC) 開發(fā)了基于BTRHEOM流變儀和RENE LCPC軟件的自密實高性能混凝土配合比設計方法5，但不購買軟件，該方法很難為他人使用。瑞典水泥和混凝土研究院（CBI）基于堵塞體積率和鋼筋凈距與粒徑粒度比率之間的關系提出了自密實高性能混凝土的配合比設計方法6，因為僅采用粗骨料和漿體拌合的混凝土很容易導致嚴重的離析，使用該方法怎樣進行評價性試驗還不是很清楚。 自密實高性能混凝土的獨特優(yōu)點，近年來引起了國內研究者的興趣。國內的一些研究機構和高等院校對自密實高性能混凝土的材料和結構性能進行了研究，取得了可喜的成績。國內外研究者們按照預定的目標，根據試驗、經驗和一定的數學方法提出了一些配合比，這些配比比較零散，而且研究者一般只對配合比的設計提出一些原則而較少對配合比的由來加以介紹。由于原材料和配制工藝以及工作性評價方法的差異，人們得到的配合比數據差異較大，進行試驗驗證時復演性差。臺灣有人根據最大密度理論和富余漿體理論提出了密實拌合物計算法則7，但是該方法和混凝土拌合物通過鋼筋的能力或抵抗離析的能力之間的關系還未見報道。從大陸自密實高性能混凝土研究的文獻上看，自密實混凝土配合比計算方法一般有兩類：直接引用高性能混凝土配合比計算的一些方法和固定砂石體積含量的計算方法。下文將對采用高性能混凝土配合比計算的一種方法全計算法和固定砂石體積含量法計算自密實高性能混凝土配合比進行簡單的介紹和計算對比。3.固定砂石體積含量計算法和全計算法簡介3.1 固定砂石體積含量計算法 固定砂石體積含量計算法是根據高流動自密實混凝土流動性及抗離析性和配合比因素之間的平衡關系，在試驗研究的基礎上得到的一種能較好適應高流動自密實混凝土的特點和要求的配合比計算方法。這種方法日本預拌混凝土聯(lián)合會4和吳中偉院士8都作過介紹。 固定砂石體積含量計算法的計算步驟如下： （1）設定每立方米混凝土中石子的松堆體積為0.5-0.55m3，得到石子用量和砂漿含量。 （2）設定砂漿中砂體積含量為0.42-0.44得到砂用量和漿體含量。 （3）根據水膠比和膠凝材料中的摻合料比例計算得到用水量和膠凝材料總量。最后由膠凝材料總量計算出水泥和摻合料各自的用量。 3.2 全計算法 全計算法設計原理為：由假定的混凝土體積模型經過數學推導，得出HPC單方用水量和砂率的計算公式，再結合傳統(tǒng)的水灰比定則，即可全面定量地得出混凝土中各組分的用量，這樣便實現了自密實高性能混凝土配合比設計從半定量走向全定量的全計算。全計算法中混凝土配制強度和水膠比的計算與普通混凝土相同,經體積模型推導得出的用水量公式與砂率公式如下:用水量公式: 3.3 固定砂石體積量法與全計算法算例比較試驗時采用的原材料參數為：水泥表觀密度3120kg/m3，水泥實際強度46.9MPa，粉煤灰表觀密度2480kg/m3，砂表觀密度2727kg/m3，碎石堆積容重1430kg/m3，碎石表觀密度2778kg/m3，粉煤灰體積摻量46。采用.固定砂石體積含量計算法和全計算法計算結果有較大差別 4.改進的全計算法從上面對自密實高性能混凝土配合比參數的分析中可以看到，全計算法用于自密實高性能混凝土有其不適合之處，需要加以改進。結合固定砂石體積含量法的特點，對全計算法用于計算自密實高性能混凝土配比進行改進。改進后的步驟和公示為：（1）配置強度式中:fcu ,0為混凝土設計強度,單位MPa 為混凝土強度標準差。（2）水膠比（3） 石子用量( 4 ) 砂用量 式中:取01400150 ;Vm 為砂漿體積,Vm = 1 - G/g 。( 5 ) 用水量采用(1) 式,其中Ve = Vm - S/s 。(6) 膠凝材料組成與用量 式中:x 為摻合料重量摻量,m(c) 為水泥用量,m(f) 為摻合料用量。 （7） 由混凝土流動性、填充性、間隙通過性和抗離析性要求確定高效減水劑的用量。 當采用試驗的原材料時，按照以上方法和固定砂石體積法計算強度等級C30-C60的混凝土，二種方法的配合比數值接近，取得了統(tǒng)一，并且改進的全計算法中用水量公式簡單，物理意義明確。 對于工程中常用的強度等級為C30-C60混凝土，當分別采用文獻15-18中的材料數據，按照改進的全計算法計算的配比與這些文獻提出的配比比較誤差在百分之五以內。需要說明的是，文獻15-18 中對所提出配比的混凝土工作性和強度都進行過研究，能滿足自密實混凝土的要求，可見，在此計算的基礎上進行試驗調整能得到需要的自密實混凝土，采用改進的全計算法計算自密實混凝土配合比是可行的。5.自密實高性能混凝土配合比的主要參數 51水膠比 一般都認為低強混凝土的水膠比和抗壓強度關系也適應于高性能混凝土8,9?；炷僚浔仍O計規(guī)程11的直線公式為（3）式中：fcu,p為混凝土試配強度，fce為水泥實際強度,單位為MPa。 日本預拌混凝土聯(lián)合會4提出的高流動自填充混凝土的配合比設計方法中，通過水泥漿試驗來確定體積水膠比。體積水膠比取為試驗得到的約束水比的0.85倍。試驗時分別取體積水膠比1.1，1.2，1.3，1.4測得相對流動度，連成直線外插得到如圖2的即為約束水比。該方法立足于實際采用的材料，對不同的水泥有不同的結果，取定水膠比后，可根據實際需要通過摻合料調節(jié)混凝土強度。高性能混凝土一般需要滿足耐久性的要求，水膠比要小于0.4。吳中偉院士提出了高性能混凝土水膠比的參考范圍8。 EFNARC規(guī)范和指南13中推薦的體積水膠比范圍是0.8-1.10，比前文提到岡村甫提出的0.9到1.0稍大，從表2可以看到，按混凝土配比設計規(guī)程中水膠比公式算得的C40-C60的體積水膠比大致處在這一范圍內，C30混凝土當有耐久性要求時，應按小于0.4取定水膠比，通過不同的摻合料用量來調整強度。 5.2 漿集比 按照Mehta和Aitcin9教授的觀點，要使HPC同時達到最佳的施工和易性和強度性能，水泥漿與骨料的體積比為35：65，全計算法就是按此觀點取定的漿集比值。但是由于自密實高性能混凝土自身的特點，它對流變性能要求很高，使得自密實高性能混凝土配比中應當有較小的骨料體積含量和足夠的砂漿，按照固定砂石體積含量法計算的配合比中漿集比要明顯高于35：65，見表1。文獻14中提出的漿體體積比34-42。 5.3 粗細骨料體積及摻合料摻量 EFNARC規(guī)范和指南13中指出粗骨料體積約為拌合物的2835,松堆體積為5060，砂在砂漿中體積含量為4050。文獻15推薦摻合料（粉煤灰）體積摻量約為30%-60%。從表1可以看到，全計算法算得的砂率隨用水量的降低而降低，當強度等級高于C30時偏小；石子的松堆體積偏大，導致漿體含量較少。6 自密實高性能混凝土配合比優(yōu)化由于自密實混凝土的膠結料用量較多、砂率較大等特點，若處理不妥其受力和變形性能方面可能存在一些不足。為了確保白密實混凝土結構的安全性和經濟適用性，應該進一步優(yōu)化其配合比：在實現混凝土靠自重均勻成型的情況下，降低膠結料用量、降低砂率以提高混凝土體積穩(wěn)定性，同時提高自密實混凝土造價的合理性。自密實混凝土配合比的優(yōu)化應注意以下幾點：(1) 優(yōu)選原材料，優(yōu)化集料級配，降低膠結料用量，在保證白密實混凝土工作性的同時，盡量降低砂率。(2) 在混凝土拌合物中加入礦物細摻料，特別是摻入粉煤灰可以發(fā)揮其形態(tài)效應，增加混凝土的和易性，同時可以節(jié)約造價。(3) 根據所使用水泥品種的不同，精心選擇合適的外加劑并進行適當的復合，得到符合具體工程要求的高效復合外加劑。(4) 自密實混凝土的工作性應采用坍落度、擴展度和帶鋼筋網片的L型流動儀聯(lián)合測定，混凝土順利穿過L型流動儀中的鋼筋網并最終流平是測定自密實混凝土工作性的重要條件 7.結語自密實高性能混凝土相對于普通混凝土在工程應用方面具有明顯的優(yōu)良性能，國內外都有相關科研工作人員在進行自密實混凝土性能改善和配合比設計計算的研究。隨著科學研究的不斷進展，自密實高性能混凝土配合比計算將會有更多種方法，并向科學化、簡單化、自動化方向不斷取得新的進展。參考文獻1 馮乃謙.高性能混凝土M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.362.2 吳中偉 廉慧珍.高性能混凝土M.北京:中國鐵道出版社,1999.3 遲培云.現代混凝土技術M.上海:同濟大學出版社,1999.46-604 張青 廉慧珍.自密實高性能混凝土配合比研究與設計J.建筑技術,:.5 韓先福 李清和.免振搗自密實混凝土的研制與應用J.混凝土,:.6 陳建奎,王棟民.高性能混凝土（HPC）配合比設計新法全計算法J. 硅酸鹽學報.2000,(4)7 GB JGJ/T55-96.普通混凝土配合比設計規(guī)程S.8 遲培云,呂平,周宗輝.現代混凝土技術M.上海：同濟大學出版社,1999.9張志銘;自密實高性能混凝土的研究及應用現狀J;福建建材;2009年02期10 段雄輝.免振搗自密實混凝土技術及工程實踐J. 建筑技術 1997,(1).11 張青,廉惠珍,王薊昌.自密實高性能混凝土配合比研究與設計J.建筑技術,1999,(1).12 韓先福,李清和.免振搗自密實混凝土的研制與應用J.混凝土.1996,(6).13胡瑞;蔡燦柳;季新年;張春曉;鋼纖維自密實混凝土梁抗彎性能試驗研究J;工程建設與設計;2006年09期14劉數華,方坤河,曾力,王曉燕;高摻量粉煤灰高強自密實混凝土試驗研究J;粉煤灰;2004年03期15 Hajime, okamura. 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