實用型高性能混凝土配合比設計方法

實用型高性能混凝土配合比設計方法引言目前高性能混凝土已廣泛應用，技術條件逐步成熟，高性能混凝土配合比設計是混凝土材料科學最基本而又最重要的一個問題，已取得較大改進。全計算法設計高性能混凝土配合比和現(xiàn)代混凝土配制方法及現(xiàn)代混凝土配合比使配合比理論實現(xiàn)了從經(jīng)驗走向科學[1,2]，二者有共性的一面，都提出固相空隙由水填充，精確計算出用水量，在試驗室標準養(yǎng)護下是可行性的，強度確實比較高，耐久性比較好，但工程實際不是這樣，特別是在氣候干燥、環(huán)境溫度30℃以上時施工，混凝土灌注的每層水分都有蒸發(fā)，這樣就使填充固相空隙的那部分液相物質(zhì)減少而產(chǎn)生空隙，梁體表觀質(zhì)量表現(xiàn)最為明顯，混凝土拆模后蜂窩麻面較多；不僅給施工帶來不便還有可能造成膠凝材料水化不完全而達不到混凝土齡期強度的效果。如果從這方面考慮二者的配合比設計有一定局限性，而且高效減水劑用量也不是經(jīng)濟性的，對企業(yè)來說在工程實際當中依靠高效減水劑用量控制混凝土工作性不可取。本創(chuàng)作的目的在于混凝土相對密實，避免給工程施工帶來不利影響而提出設計高性能混凝土配合比方法，設計使用的原材料是含有化學反應的體積疊加，實現(xiàn)各原材料最佳摻配組合從中體現(xiàn)經(jīng)濟性。1實用型高性能混凝土配合比設計方法特性概述1.1實用型高性能混凝土配合比設計方法的觀點1）建立體積增量模型，由膠凝材料、砂、碎石和膠凝材料水化用水量組成密實結(jié)合體，再加入滿足工作性用水、混凝土內(nèi)含氣體積和減水劑，使之成為一立方米混凝土。2）劃定膠凝材料和減水劑同一經(jīng)濟水平線，通過調(diào)整二者用量和改變用水量使混凝土達到同一范圍內(nèi)的坍落度，所得試件三天強度與二者建立曲線關系，從而計算減水劑相對于膠凝材料的最佳摻量，實現(xiàn)混凝土工作性和經(jīng)濟性統(tǒng)一。3）水膠比決定混凝土強度和耐久性。增加膠凝材料用量滿足強度需要，改變用水量和砂率滿足混凝土工作性。1.2實用型高性能混凝土配合比設計方法的特點1）將用水量分兩部分，一是膠凝材料水化用水量，即用水量最低值；二是除膠凝材料水化用水量以外的用水量即滿足混凝土工作性用水，這部分水包括蒸發(fā)到大氣中的水、混凝土內(nèi)部吸附水和自由水，不作密實體積計算量，是假定總體積當中的一部分體積。所以說用水總量不是限定值，也由地域環(huán)境決定，但不宜超過200㎏/m3以免混凝土離析[3]，這樣就保證了混凝土成型以后即使有一部分水蒸發(fā)也足夠密實，不至于因缺少固相填充物引起不密實結(jié)構(gòu)。2）實用型高性能混凝土不是耐久性和工作性最好的混凝土，但卻是在滿足混凝土各方面要求情況下實現(xiàn)成本最低的混凝土，它的根基來源于所有原材料摻配比例的設計優(yōu)化。將實用型高性能混凝土配合比設計分為直接灌注和泵送混凝土兩類，此方法設計線索：材料性能參數(shù)→體積計算→規(guī)律總結(jié)→再次體積→規(guī)律總結(jié)→確定一系列高性能混凝土配合比。筆者按實用型高性能混凝土配合比設計方法設計十個配合比，并通過試驗驗證該方法的正確性，使混凝土由理論計算從試驗室走向工程實際。2實用型高性能混凝土配合比設計初期2.1配制初始混凝土配合比1）以膠凝材料用量為出發(fā)點，根據(jù)混凝土齡期強度、耐久性要求和經(jīng)濟性確定摻合料比例用量[4][5]，計算出該膠凝材料密度，得到方程為：ρM=（mc＋mf）/（mc/ρc＋mf/ρf）（2-1）式中：ρM—膠凝材料密度mc—水泥質(zhì)量ρc—水泥密度mf—礦物細摻料質(zhì)量ρf—礦物細摻料密度2）計算膠凝材料實際體積和膠凝材料水化用水量體積（膠凝材料水化用水量取膠凝材料質(zhì)量的20%），這兩部分體積即為砂的空隙體積，得到方程為：M/ρM＋20%M/ρW=mS/ρ′S－mS/ρS（2-2）式中：M—膠凝材料質(zhì)量ρW—該溫度下水密度mS—砂質(zhì)量ρ′S—砂堆積密度ρS—砂表觀密度3）砂的堆積體積即為碎石空隙體積，得到方程為：mS/ρ′S=mG/ρ′G－mG/ρG（2-3）式中：mG—碎石質(zhì)量ρ′G—碎石堆積密度ρG—碎石表觀密度4）高效減水劑按廠家推薦的一個值確定；非引氣混凝土含氣為15L/m3，引氣混凝土含氣為30～50L/m3[1]；假定用水量為160L和總體積為1000L，得到方程為：M/ρM＋mS/ρS＋mG/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-4）式中：mW—水質(zhì)量mJ—高效減水劑質(zhì)量ρJ—高效減水劑密度va—混凝土中空氣體積5）由式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）組成一個方程組，解方程組得到膠凝材料密度、膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。2.2配制初始直接灌注混凝土配合比1）選取預配制直接灌注混凝土一個配合比，根據(jù)經(jīng)驗值設定膠凝材料質(zhì)量M1，但要大于上一部計算出膠凝材料質(zhì)量，否此配合比不能用于該方法計算。砂的堆積體積即為碎石空隙體積，，得到方程為：mS1/ρ′S=mG1/ρ′G－mG1/ρG（2-5）2）高效減水劑按廠家推薦的一個值確定；非引氣混凝土含氣為15L/m3，引氣混凝土含氣為30～50L/m3；假定用水量為160L和總體積為1000L，得到方程為：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW/ρw＋mJ/ρJ＋va=1000（2-6）3）由式（2-5）、（2-6）組成一個方程組，解方程組得到砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。4）除用水量以外按上一步得出的原材料質(zhì)量進行混凝土試拌，調(diào)整用水量來滿足混凝土工作性，當滿足混凝土工作性時記錄用水量、混凝土含氣量。5）由上一步得到的用水量mW1、混凝土含氣量體積va1，得到方程為：M1/ρM＋mS1/ρS＋mG1/ρG＋mW1/ρw＋mJ/ρJ＋va1=1000（2-7）6）由式（2-5）、（2-7）組成一個方程組，解方程組得到砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。7）按上一步得出的原材料質(zhì)量進行混凝土試拌，若滿足混凝土工作性時終止；若未滿足混凝土工作性時返回第四步驟，直至滿足混凝土工作性時終止。得到滿足工作性要求的配合比。2.3優(yōu)化高效減水劑相對于膠凝材料摻配比例配制價格相同的配合比并進行配合比試拌。以上一步得到的配合比價格為基準，在高效減水劑廠家推薦高效減水劑摻量范圍內(nèi)選取四個值，再相應增加或減少膠凝材料質(zhì)量，使配合比價格持平，但膠凝材料質(zhì)量要大于計算出膠凝材料最低值。因改變砂和碎石用量不大，相對增減成本也低，可忽略不計。這樣再加上基準價格的配合比形成五個價格相同的配合比。在Excel軟件中計算這五個配合比并對進行試拌，調(diào)整用水量來滿足混凝土工作性，每個配合比做一組試件。1）測其每組試件三天強度，在Excel軟件中建立PCA用量與3天強度拋物線方程得：Y1=a1X12+b1X1+c1（2-8）式中：X1—高效減水劑質(zhì)量Y1—對應的3天強度a1、b1、c1—常數(shù)當X1=-2a1/b1時,強度達到最高值，高效減水劑質(zhì)量為（-2a1/b1）㎏同樣建立膠凝材料用量與3天強度拋物線方程得：Y1=a2X22+b2X2+c2（2-9）式中：X2—膠凝材料質(zhì)量A2、b2、c2—常數(shù)當X2=-2a2/b2時,強度達到最高值，膠凝材料質(zhì)量為（-2a2/b2）㎏2）由式（2-8）、（2-9）得到的X1和X2即為優(yōu)化的高效減水劑相對于膠凝材料摻配比例μμ=X1/X2（2-10）3實用型高性能混凝土配合比設計3.1直接灌入混凝土配合比設計方法1）按上述配制直接灌注混凝土配合比的方法計算配合比。高效減水劑摻量為μ；膠凝材料質(zhì)量選取五個值并是按梯度增加，且膠凝材料質(zhì)量選取的最小值要大于M1，經(jīng)過配合比試拌能夠得到用水量的波動范圍±1.5%，在Excel軟件中計算的砂率波動范圍±0.05%，用水量和砂率接近于一個固定值，以這兩固定值和選取五個膠凝材料質(zhì)量在Excel軟件中計算這五個配合比并進行試拌，做強度試件和耐久性試件。檢測試件齡期強度和耐久性。2）規(guī)律總結(jié)規(guī)律一：膠凝材料用量與56天強度有關，由膠凝材料質(zhì)量與對應56天強度數(shù)據(jù)在Excel軟件中建立對數(shù)方程：Y2=㏑（X3）＋K（3-1）式中：X3—五個配合比中膠凝材料質(zhì)量Y2—對應X3的56天強度值K—常數(shù)將預配制混凝土的配制強度代入式（3-1）得到膠凝材料質(zhì)量，用此膠凝材料質(zhì)量按配制直接灌注混凝土配合比的方法計算配合比，得到的56天強度與配制強度比在±2%范圍內(nèi)。規(guī)律二：由這五個配合比的3天強度與28天強度的關系，用3天強度與28天強度相比，將得到五個值平均，也就是3天強度能夠達到28天強度百分數(shù)，用3天強度推測28天強度的偏差在±2%范圍內(nèi)。同樣用3天強度推測56天強度，使混凝土配合比設計具有時效性。3.2泵送混凝土配合比設計方法1）當配合比不滿足泵送要求需要調(diào)整砂率時，降低碎石用量不改變混凝土的致密結(jié)構(gòu)，增大砂率至滿足混凝土泵送要求（泵送混凝土砂率為35%～45%[6]），得到方程為：β=mS2/mG2（3-2）M2/ρM＋20%M2/ρW=mS2/ρ′S－mS2/ρS（3-3）M2/ρM＋mS2/ρS＋mG2/ρG＋mW/ρw＋μM2/ρJ＋va=1000（3-4）式中：β—混凝土泵送時砂率2）由式（3-2）、（3-3）、（3-4）組成一個方程組，解方程組得到膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。3）除用水量以外按上一步得出的原材料質(zhì)量進行混凝土試拌，調(diào)整用水量來滿足混凝土工作性，當滿足混凝土工作性時記錄用水量、混凝土含氣量。4）由上一步得到的用水量mW2、混凝土含氣量體積va2，得到方程為：M2/ρM＋mS2/ρS＋mG2/ρG＋mW2/ρw＋μM2/ρJ＋va2=1000（3-5）5）由式（3-2）、（3-3）、（3-5）組成一個方程組，解方程組得到膠凝材料質(zhì)量、砂質(zhì)量和碎石質(zhì)量。此時膠凝材料質(zhì)量即是混凝土泵送時膠凝材料最小用量，碎石質(zhì)量即是混凝土泵送時碎石最大用量。6）按上一步得出的原材料質(zhì)量進行混凝土試拌，若滿足混凝土工作性時終止；若未滿足混凝土工作性時返回第三步驟，直至滿足混凝土工作性時終止。得到滿足工作性要求的配合比。7）按上述方法計算混凝土配合比。膠凝材料質(zhì)量選取五個值并是按梯度增加，且膠凝材料質(zhì)量選取的最小值要大于M2，經(jīng)過配合比試拌能夠得到用水量的波動范圍±1.5%，在Excel軟件中計算的砂率波動范圍±0.05%，用水量和砂率接近于一個固定值，以這兩固定值和選取五個膠凝材料質(zhì)量在Excel軟件中計算這五個配合比并進行試拌，做強度試件和耐久性試件。檢測試件齡期強度和耐久性。8）規(guī)律總結(jié)同直接灌入混凝土配合比設計方法。4實用型高性能混凝土配合比算例及驗證筆者根據(jù)按照實用型高性能混凝土配合比設計方法在Excel軟件中制作了計算模板。在該模板中的數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)輸入原材料參數(shù)即可自動計算混凝土配合比，可用于高性能混凝土配合比試配和調(diào)整，得出十個配合比，其中單摻粉煤灰用量為膠凝材料質(zhì)量的35%，雙摻粉煤灰和礦粉時用量分別為膠凝材料質(zhì)量的15%、20%，并在試驗室進行試拌得到混凝土性能數(shù)據(jù)如表1，其中C：水泥質(zhì)量；F：粉煤灰質(zhì)量；K：礦粉質(zhì)量；W：水質(zhì)量；PCA：高效減水劑質(zhì)量；S：砂質(zhì)量；G：碎石質(zhì)量；M：膠材質(zhì)量；W/C：水灰比；編號A2、A21、A22、A23、A24配合比表示經(jīng)濟性相同的配合比；編號A1、A2、A3與B1、B2、B3配合比表示膠凝材料按梯度增長。表1混凝土性能數(shù)據(jù)參數(shù)編號A1A2A3B1B2B3A21A22A23A24C(kg)233248272287304323257252243239F(kg)125133146667075138136131128K(kg)889499W(kg)149149149168168168165157143138PCA(kg))4.084.194.775.035.345.673.563.884.494.77S(kg)569562550679668657553557566677G(kg)1320130412781107109010721283129413141322M(kg)358381418441468497395388374367W/C0.420.390.360.380.360.340.420.400.380.38坍落度(mm))90120110180200210801059510530min后坍落度(mm))8010595170185190751008585含氣量(%)3.43.63.94.45.15.63.23.53.74.03d強度(MPa)26.427.130.630.030.732.122.926.526.024.77d強度(MPa)35.536.739.239.641.243.128d強度(MMPa)46.147.551.752.756.562.356d強度(MMPa)52.754.656.960.164.871.2電通量(C)1653.41248.71138.9873.5764.2854.3附注：水泥P﹒O42.5級；石灰?guī)r碎石級配5-31.5mm；粉煤灰Ⅰ級；礦粉S95；PCA減水率25.9%，內(nèi)含引氣成分；試拌時環(huán)境溫度32℃、相對濕度42%由表1中可以得到：1）A2、A21、A22、A23、A24的PCA用量與3天強度有關，在Excel軟件中建立PCA用量與3天強度拋物線方程得：Y1=-9.0349X12+76.353X1-139.19（4-1）式中：X1表示PCA用量，Y1表示3天強度，當強度處于最高點時PCA質(zhì)量為4.23㎏2）同樣建立膠凝材料用量與3天強度拋物線方程得：Y1=-0.0168X22+12.73X2-2389.5（4-2）式中：X2表示