對(duì)高性能混凝土的再認(rèn)識(shí)及全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)

對(duì)高性能混凝土的再認(rèn)識(shí)及全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)王棟民1，陳建奎2中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系1，北京100083北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2，北京1000221緒論混凝土配合比設(shè)計(jì)是混凝土科研、生產(chǎn)及應(yīng)用中的一個(gè)根本問題，也是一個(gè)非常重要的問題。配合比設(shè)計(jì)在很大程度上決定了混凝土的幾乎所有性能：強(qiáng)度、工作性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)的兩個(gè)根本方法是絕對(duì)體積法和假定容重法。兩方法的共同點(diǎn)是：強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系都遵從波羅米公式；兩方法的不同點(diǎn)是：前者以1m3混凝土絕對(duì)體積為根底；后者以假定混凝土容重為一定值〔通常2400kg/m3〕為根底。HPC由于使用了復(fù)合超塑化劑和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料，配合比設(shè)計(jì)亦更為復(fù)雜。國內(nèi)外提出多種HPC配合比設(shè)計(jì)方法，比擬著名的有：美國Mehta和Aitcin推薦的方法，法國路橋中心建議的方法，日本阿部道彥方法，以及基于最大密實(shí)度理論的方法：包括DomonePLJ的方法，CarbonariBT的方法以及清華大學(xué)王懷德的方法〔顆粒堆積物密實(shí)度計(jì)算線性模型的修正〕等。近年來HPC配合比設(shè)計(jì)趨向于計(jì)算機(jī)化，典型的方法與軟件有：法國路橋中心的RENE-LCPCTM，軟件，DunstanMRH的方法，澳大利亞DayKW的Conad配合比設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及我國陳肇元-王懷德HPC配合比設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。以上方法根本上都是以經(jīng)驗(yàn)為根底的半定量設(shè)計(jì)方法，各種方法〔包括CAD〕通常體系都比擬龐雜，其中兩個(gè)核心參數(shù)單位用水量和砂率仍多為經(jīng)驗(yàn)取值。究其根源在于沒有能夠掌握和揭示混凝土材料內(nèi)在組分的關(guān)系。在各種設(shè)計(jì)方法中，美國Mehta和Aitcin推薦的方法有較多的可取性。2HPC的再認(rèn)識(shí)吳中偉院士在《高性能混凝土》一書中比擬全面地介紹了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高性能混凝土的定義和認(rèn)識(shí)?？梢钥闯龈鲊鴮W(xué)者均從不同角度、不同層面闡述高性能混凝土的定義、內(nèi)涵和外延。有些內(nèi)容是相互交叉的，有些又是相互補(bǔ)充的，各國學(xué)者均突出強(qiáng)調(diào)了各自關(guān)注的某一或某幾方面。如美國學(xué)者十分強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度和高耐久性〔特別是高體積穩(wěn)定性和低滲透性〕，而日本學(xué)者那么似乎更關(guān)注高施工性能，當(dāng)然耐久性亦是重要方面，但對(duì)高強(qiáng)度那么不特別強(qiáng)調(diào)。吳中偉院士綜合了各種論點(diǎn)后提出一個(gè)比擬全面的高性能混凝土的定義。然而，究竟什么是高性能混凝土？能不能用更簡單的語言給予更清楚的定義？或者能不能用清晰的圖像給予更明了的描述？仍是公眾關(guān)心的問題。另外，人們普遍會(huì)提出，高強(qiáng)混凝土與高性能混凝土在材料制備上有什么區(qū)別？是不是摻了高效減水劑和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料后，同時(shí)設(shè)計(jì)有較大的坍落度值而制得的高強(qiáng)混凝土就是高性能混凝土了呢？超塑化高強(qiáng)混凝土是不是就等同于高性能混凝土了呢？這些問題按上述對(duì)高性能混凝土的定義和認(rèn)識(shí)，仍然不能給出一個(gè)簡單而明了的答復(fù)。為此有必要再次對(duì)混凝土的開展給予重新的審視。最早的混凝土是一種低強(qiáng)度的塑性混凝土，當(dāng)時(shí)密實(shí)成型設(shè)備不過關(guān)，又沒有外加劑可摻，混凝土是一種高水灰比、低強(qiáng)度的塑性混凝土。后來振動(dòng)和擠壓成型工藝開展后，干硬性混凝土得以開展，這種混凝土水灰比大大降低，又通過特殊的攪拌成型工藝進(jìn)行密實(shí)成型，于是制得了干硬性的強(qiáng)度較高的混凝土，這是最早使用的高強(qiáng)混凝土。但這種混凝土施工工藝較難實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)度指標(biāo)離散性大。隨著化學(xué)外加劑的開展，混凝土在滿足強(qiáng)度使用要求的情況下，逐步實(shí)現(xiàn)了塑性和流態(tài)化，于是開展了流態(tài)混凝土。流態(tài)混凝土的開展和泵送混凝土施工工藝的廣泛采用，使混凝土施工進(jìn)入現(xiàn)代化施工的范疇，大大提高了施工效率并改善了勞動(dòng)和施工環(huán)境，在此根底上又開展了流態(tài)高強(qiáng)混凝土。隨著新型高效減水劑的使用和優(yōu)質(zhì)超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的使用，混凝土進(jìn)入到高性能混凝土的范疇。所以混凝土的開展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：高性能混凝土是混凝土材料開展的必然趨勢(shì)。高性能混凝土〔HPC〕與高強(qiáng)混凝土〔HSC〕和流態(tài)混凝土〔FLC〕最顯著的差異在于混凝土配合比的不同。在設(shè)計(jì)HPC配合比時(shí)要綜合考慮工作性、強(qiáng)度和耐久性。其配合比設(shè)計(jì)的根本原那么是：?

滿足工作性的情況下，用水量要小?

滿足強(qiáng)度的情況下，水泥用量少，細(xì)摻量多摻?

材料組成及其用量合理，滿足耐久性及特殊性能要求?

摻加新型高效減水劑，改善與提高混凝土的多種性能因此，HPC的配合比設(shè)計(jì)比HSC〔高強(qiáng)混凝土〕和FLC〔流態(tài)混凝土〕更為嚴(yán)格合理。圖1給出了各種類型的混凝土配合比分區(qū)范圍。無論采用什么方法設(shè)計(jì)，HSC、FLC和PLC〔塑性混凝土〕的配合比均在一個(gè)范圍之內(nèi)，而HPC在AB線附近?？梢奌PC配合比設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格、精確和合理。從這個(gè)圖上可以較清楚直觀地看出HPC與HSC和FLC之間的區(qū)別。3HPC全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)方法早在1919年Abrams就發(fā)表了混凝土強(qiáng)度的水灰比定那么：對(duì)于一定材料，強(qiáng)度僅取決于一個(gè)因素，即水灰比。這一定那么可以用以下公式表示：式中，σc—某一定齡期的抗壓強(qiáng)度；a—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取925kg/m3；b—取決于水泥的種類，但可取4左右。強(qiáng)度與水灰〔膠〕比m〔w〕/m〔c〕成反比的這種觀點(diǎn)仍然是大多數(shù)配合比設(shè)計(jì)方法的根底。后人為簡化計(jì)算，取水膠比倒數(shù)，導(dǎo)出近似的直線公式式中，fcu，p—混凝土的配制強(qiáng)度；fce—水泥的實(shí)測強(qiáng)度；m〔c〕/m〔w〕—灰水比[或膠水比m〔b〕/m〔w〕]；A，B—回歸系數(shù)，對(duì)碎石混凝土，A=0.48，B=0.52，對(duì)卵石混凝土，A=0.50，B=0.61。該式成為混凝土配合比設(shè)計(jì)中計(jì)算強(qiáng)度的根底。近80年來混凝土配合比設(shè)計(jì)方法也幾經(jīng)開展，到目前為止，最為常用的兩種方法是絕對(duì)體積法和假定密度法。這兩種方法都是以經(jīng)驗(yàn)為根底的半定量設(shè)計(jì)方法。近年來國內(nèi)外提出了多種HPC配合比設(shè)計(jì)方法，包括一些計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫，使混凝土配合比設(shè)計(jì)這一原本簡單的問題更顯復(fù)雜化，其根源是未能掌握混凝土組分間的內(nèi)在聯(lián)系。本工作的特點(diǎn)在于建立了普遍適用的混凝土體積模型，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出用水量和砂率計(jì)算通式，并以此為根底建立了混凝土定量配合比設(shè)計(jì)新方法。本研究的局部內(nèi)容已在有關(guān)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。3.1普遍適用的混凝土體積模型傳統(tǒng)的混凝土密實(shí)填充的概念為：在混凝土中石子的空隙由砂子來填充，砂子的空隙由水泥來填充，水泥的空隙由水來填充。美國P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin教授在對(duì)高性能混凝土(HPC)進(jìn)行了大量的研究后認(rèn)為∶要使HPC同時(shí)到達(dá)最正確的施工和易性和強(qiáng)度性能，其水泥漿與骨料應(yīng)有一個(gè)最正確體積比，建議取Ve:(Vs+Vg)=35:65。這一認(rèn)識(shí)事實(shí)上是確定了HPC配合比設(shè)計(jì)中水泥漿體體積與骨料體積間的定量關(guān)系。他們還假定，HPC中水泥和細(xì)摻料〔如粉煤灰和磨細(xì)礦渣〕的體積比為75：25。受P.K.Mehta和P.C.Aitcin觀點(diǎn)的啟發(fā)，對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)的絕對(duì)體積法重新審視，提出如下觀點(diǎn)和模型。我們的根本觀點(diǎn)如下：?

混凝土各組成材料〔包括固、液、氣三相〕具有體積加和性；?

石子的空隙由干砂漿來填充；?

干砂漿的空隙由水來填充；?

干砂漿由水泥、細(xì)摻料、砂和空氣隙所組成。其中干砂漿和干砂漿體積的概念以及根本觀點(diǎn)〔2〕、〔3〕、〔4〕條為作者首次提出，并由此奠定了混凝土配合比全計(jì)算設(shè)計(jì)的技術(shù)根底。普遍適用的混凝土體積模型如圖2所示，該模型的根本模式較早由A.M.Neville提出。在A.M.Neville模型中，沒有提出干砂漿體積的概念，所以混凝土中漿體與集料是彼此割裂的。本模型假定混凝土總體積為1m3(1000L),由水、水泥、細(xì)摻料、空氣、砂、石等局部組成，對(duì)應(yīng)的體積分別為Vw,Vc,Vf,Va,Vs,Vg。圖中表示干砂漿體積的實(shí)線框可以上下移動(dòng)，以調(diào)整用水量和砂率。Ve—漿體體積〔L〕；Ves—干砂漿體積〔L〕；Vw—用水量〔L火或kg/m3〕；Vc，Vf，Va，Vs，Vg分別為水泥、細(xì)摻料〔如FA〕、空氣、砂子和石子的體積用量〔L〕。本文將Ve與水灰(膠)比定那么相聯(lián)系，求得了用水量W(kg/m3)公式；提出“干砂漿體積〞的概念，在水泥漿體體積Ve和集料體積VS+VG之間建立了聯(lián)系，從而使砂率Sp(%)的求解成為可能。?

混凝土配合比設(shè)計(jì)中的兩個(gè)根本關(guān)系式3.2.1．用水量公式根據(jù)水灰(膠)比定那么，有(1)fce—水泥實(shí)測強(qiáng)度(MPa)，fce=fce,k；fce,k—水泥標(biāo)號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)值，fcu,p—混凝土配制強(qiáng)度(MPa)；－水泥強(qiáng)度富裕系數(shù)。將(1)式與(3)式解聯(lián)立方程，可求出用水量與配制強(qiáng)度的關(guān)系。假設(shè)細(xì)摻料在膠凝材料中的體積摻量為φ，即水泥與細(xì)摻料體積之比為(1-φ)∶φ，那么有：(2)這是摻加各種不同數(shù)量細(xì)摻料時(shí)單方混凝土用水量的計(jì)算通式。3.2.2．砂率公式：根據(jù)普遍適用的混凝土體積模型〔圖2〕，可知∶漿體體積Ve=W+Vc+VF+Va(3)集料體積Vs+VG=1000-Ve(4)干砂漿體積Ves=VC+VF+Va+VS(5)由式(5)得∶VS=Ves-(VC+VF+Va)(6)由式(3)得∶VC+VF+Va=Ve-W(7)將式(7)代入式(6)VS=Ves-Ve+W(8)那么砂子重量∶S=(Ves-Ve+W)·ρS(8')式子，S—砂子用量(kg/m3)；ρs—砂的視密度(kg/L)由式(4)得∶VG=1000-Ve-Vs(9)將式(8)代入式(9)VG=1000-Ves-W(10)那么石子重量∶G=(1000-Ves-W)·ρG(10')式中，G—石子用量(kg/m3)；ρG—石子的視密度(kg/L)故砂率(Sp)∶(11)這是砂率計(jì)算的通式。3.3混凝土全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)步驟根據(jù)以上研究所建立的計(jì)算公式，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)確定混凝土全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)步驟如下：〔1〕配制強(qiáng)度〔2〕水膠比〔3〕用水量〔4〕膠凝材料組成與用量〔5〕砂率及集料用量?

試配與配合比調(diào)整3.4HPC全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)3.4.1用于HPC時(shí)用水量公式的簡化

當(dāng)φ=0時(shí)，即無細(xì)粉料時(shí)，水泥密度ρc=3.15kg/L那么(Vw)(13)或(Vw)(13')按照Mehta和Aitcin教授的假定，在HPC中水泥與細(xì)粉料〔如粉煤灰或礦渣〕的體積比為75：25，即Vc：Vf=75：25，j=25%時(shí)，那么Vw+Vc+Vf+Va=Ve水泥密度rc=3.15kg/L，細(xì)粉料比重rf=2.51kg/L，那么(15)或(15')3.4.2用于HPC時(shí)砂率公式的簡化當(dāng)ρS≈ρG時(shí)(ρS=2.65,ρG=2.65～2.70)(16)在HPC配合比計(jì)算時(shí)，(16)式中漿體體積Ve和干砂漿體積Ves尚需具體確定。根據(jù)美國P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的觀點(diǎn)，要使HPC同時(shí)到達(dá)最正確的施工和易性和強(qiáng)度性能，其水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為35：65，故對(duì)HPC可取Ve=350L。干砂漿體積確定如下∶對(duì)于一定粒徑的碎石，視密度為r0，堆密度為rb，石子空隙率P為∶(17)根據(jù)圖2模型的觀點(diǎn)〔2〕，當(dāng)單位體積石子的孔隙正好被干砂漿填滿時(shí)，那么得干砂漿體積為(18)(18)式是計(jì)算干砂漿體積的通式，可以通過實(shí)測石子視密度r0和堆密度rb而精確計(jì)算。一般地，最大粒徑25mm的碎石，視密度r0=2.70kg/L，堆密度rb=1.55kg/L，那么干砂漿體積Ves=1000′(19)當(dāng)配制HPC時(shí)，采用最大粒徑10~20mm的碎石，由于比外表積較大，要保證良好的石子包裹性和混凝土施工性，干砂漿的體積應(yīng)增加5%，這樣Ves=450L，同時(shí)Ve=350L，Vs+Vg=650L〔Mehta的觀點(diǎn)〕。將這些數(shù)據(jù)帶入式〔16〕得到HPC的砂率的計(jì)算方法。(20)3.4.3復(fù)合超塑化劑用量的計(jì)算在對(duì)復(fù)合超塑化劑的研究中，建立了HPC中復(fù)合超塑化劑CSP目的減水率(η)和摻量(μ)的計(jì)算公式：(21)(22)式中，W0－坍落度7-9cm基準(zhǔn)混凝土用水量(kg/m3)，與石子最大粒徑有關(guān)。W0取值如表1：表1基準(zhǔn)混凝土用水量W0Maximumdiameterofcrushedstone(mm)16202530W0(kg/m3)230215210205W－HPC的用水量(kg/m3)η－減水劑增量系數(shù)，取決于HPC的初始坍落度,當(dāng)SL=16-18cm

時(shí)，△η=0.04，SL=20-22cm時(shí)，△η=0.06?？偨Y(jié)如上研究，由設(shè)計(jì)強(qiáng)度可算出配制強(qiáng)度，由配制強(qiáng)度求得水膠比和用水量，從而得到膠凝材料用量，根據(jù)細(xì)摻料的比例組分可分別求得水泥用量和細(xì)摻料用量，根據(jù)砂率和用水量的關(guān)系式求出砂率，近而得到粗細(xì)骨料用量。復(fù)合超塑化劑用量根據(jù)混凝土坍落度要求求出。由此所有組分材料用量即可全部定量計(jì)算。進(jìn)一步以C80HPC為例做如下計(jì)算：水泥采用冀東525水泥，砂為二區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8-3.2，含泥量<2%，石子為花崗巖碎石，最大粒徑2.0cm，含泥量<1%，首鋼磨細(xì)礦渣比外表積500m2/kg，復(fù)合超塑化劑CSP。配合比定量計(jì)算過程如下：〔1〕配制強(qiáng)度fcu,p=fcu,0+1.645σ=80+1.645x6=90Mpa〔2〕水膠比〔3〕用水量=147kg〔4〕膠凝材料組成與用量〔5〕砂率及集料用量?

超塑化劑摻量〔μ〕%=[(215-147)/215+0.06]×3.67=1.38%C80HPC的配合比計(jì)算結(jié)果如下：CBFSSGCSPWCSP%43011465710867．511471.38按照上述配合比進(jìn)行試配，測試混凝土性能如下：坍落度21cm;強(qiáng)度7d61.2MPa;28d88.6Map可見配合比設(shè)計(jì)與試配結(jié)果具有非常好的相關(guān)性。4、不同強(qiáng)度等級(jí)HPC配合比計(jì)算結(jié)果將配制強(qiáng)度60~130MPa計(jì)算配合比列入表2。表2HPC配合比計(jì)算結(jié)果〔單方混凝土組成材料用量〕配制強(qiáng)度(MPa)材料用量kg/m3W/BSp%CSP摻量%容重kg/m3WCFA(BFS)CSFSG60175346115-72910130.3841.80.83237870166366122-70510370.3440.50.98239680156390130-67810640.3038.91.15241890147408136-65510880.2737.61.3124341001414231132863911040.2536.71.4124481101344371054162011230.2335.61.532460120127454916060211420.2134.51.652476130122464817458811560.19733.71.732486將表2中配制強(qiáng)度對(duì)水膠比、用水量、砂率、減水劑摻量、容重等做圖，見圖3到圖7。將砂率對(duì)用水量做圖，見圖8。從這些圖上可以更清楚地看出混凝土配合比設(shè)計(jì)中諸多參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律性。表3是將作者提出的全計(jì)算法得到的配合比與美國資料中HPC的配合比進(jìn)行比照?？梢钥闯觯伤z比計(jì)算用水量與美國資料中的統(tǒng)計(jì)用水量完全一致。兩種方法得到的砂率相差不大，總的規(guī)律是相似的，即砂率隨用水量的減小而減小。強(qiáng)度等級(jí)劃分與抗壓強(qiáng)度值有差異。這是由于標(biāo)準(zhǔn)不同和抗壓強(qiáng)度測定方法不同，美國采用圓柱型試體，中國采用立方體試體。但是抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系是相同的。表3HPC計(jì)算配合比與美國HPC配合比比照配制強(qiáng)度(MPa)材料用量kg/m3W/BSp%CSP摻量%容重kg/m3WCFACSFSG60〔A〕160400106-69010500.3239.7-240674*161397106-69210500.3239.71.14240675〔B〕150423113-67010700.2838.5-242687*150424112-66310800.2838.01.33242990〔C〕140477119-65010900.23537.4-2476106*141481120-63911040.23536.71.482485105〔D〕130471754263011100.2236.2-2458115*131476764361211310.2235.11.652469120〔E〕120495794462011200.19435.5-2478131*121499814458611580.19433.61.822489*按fcu，p=0.48′52.5′1.13′〔B/W-0.52〕計(jì)算，W/B—水膠比，碎石最大粒徑20mm，中砂Mx=2.5~3.0，坍落度20~22cm。5、討論在以上混凝土配合比設(shè)計(jì)中，配制強(qiáng)度、水膠比、用水量、膠凝材