混凝土配合比浆骨比的设计方法探讨

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  摘 要 对已知骨料试配,获得骨料的最紧密堆积及最佳浆骨比,然后根据影响混凝土主要性能的已知规律 ,推导建立出基于最佳浆骨比的混凝土配合比计算方法 ,也就是 试配—计算—试配法 。而一般混凝土配合比设计方法是 根据普通混凝土的一般经验规律的 计算—试配法,虽然经过试配以及调整但最终的配合比并不是最优的 ,不能适应骨料變异大以及耐久性指标的要求。
  
  [关键词] 浆骨比; 试配; 配合比; 高性能混凝土
  中图分类号:TV331文献标识码: A
  
  对已知骨料试配,获得骨料的最紧密堆积及最佳浆骨比,然后根据影响混凝土主要性能的已知规律 ,推导建立出基于最佳浆骨比的混凝土配合比计算方法 ,也就是 试配—计算—试配法 。而一般混凝土配合比设计方法是 根据普通混凝土的一般经验规律的 计算—试配法,虽然经过试配以及调整但最终的配合比并不是最优的 ,不能适应骨料变异大以及耐久性指标的要求。实例表明 试配 —计算—试配法 可以适应不同原材料条件下高性能混凝土配合比设计的要求。
  
  
  1 引言
   随着材料科学的不断发展,混凝土的用途也越来越广泛,己成为跨学科、跨行业、互相渗透的领域。混凝土是现代土木工程中应用最广泛的结构材料。对于这种人造复合材料来说 ,随着组成材料的复杂化和对其性能的高要求 ,做好混凝土配合比设计是满足各类工程结构要求的基本保证。
  混凝土配合比主要设计涉及到以下几个方面的内容:一要保证混凝土的强度和耐久性以及所要求的其他性能;二要满足施工工艺,易于操作的工作性;三要在满足上述两项要求下选用合适的材料和计算各种材料的用量;四要对上述设计的结果进行试配、调整,使之达到工程的要求;主要在满足以上各项要求的前提下,设法降低混凝土成本。
   我国几十年来一直沿用这种试配法。这种方法的不足之处是没有考虑到骨料的粒形、表面粗糙度等不利因素的影响。它仅将骨料类型划分为碎石和卵石 ,以碎石、卵石的最大粒径和坍落度要求为标准确定用水量 ,也忽略了骨料大小、表面结构类型和吸水率等因素的影响 ,迁就施工工作性 ,忽视了耐久性对于用水量的限制和高效减水剂对工作性的调节作用。 符合级配区范围就算级配合格 ,然后通过查表选择砂率 ,其实这样得到的混合骨料并不处于最紧密堆积状态。按此方法获得的混凝土配合比往往水泥浆用量偏大 ,对于骨料差异、以及耐久性指标的要求很难适应 ,尤其是配制多组分的高性能混凝土时,更能体现其不足之处。
  为力求针对具体原材料 ,通过试配获得骨料最紧密堆积和最佳浆骨比。基于已知的混凝土组成材料与性能间的规律 ,通过计算得到满足性能及工艺要求的混凝土配合比。本方法的本质是试配 —计算 —试配法 ,其主要特点是 :通过试配确定粗骨料的级配和砂率 ,获得混合骨料最紧密堆积状态时的参数。然后通过试配法获得最佳浆骨比 ;采用绝对体积法 ,并考虑外加剂和掺合料对混凝土主要性能的影响 ,建立混凝土配合比计算公式 ,通过计算获得混凝土初步配合比 ;再通过试配、调整得到符合设计要求的最终配合比。
  
  2 最佳浆骨比的混凝土配合比设计方法
  2.1 混凝土配合比设计必须满足的基本要求及其控制方法
  现代混凝土工程 ,根据所处的工程设计使用年限和环境类别 ,对混凝土提出了更高的耐久性要求和相应的施工工作性、强度及体积稳定性等要求。主要有:
  (1)混凝土强度达到设计强度等级要求。
  (2)混凝土耐久性等级符合设计和规范要求。
  (3)体积稳定性。
  (4)施工工作性。
  (5)经济性。
  
  2.2 混凝土配合比设计步骤和方法
  2.2.1 根据最大密实理论试配确定最紧密堆积状态时的混合骨料参数。
  (1)试配确定粗骨料级配
  将两种或两种以上的单粒级粗骨料 ,取不少于 5 组比例组合 ,然后分别测定混合后各组骨料的捣实堆积密度 ,作图并取堆积密度最大的一组为粗骨料合理级配。
  (2)合理砂率(βs)的确定
  将细度模数 2.6 以上、级配合格的砂与粗骨料按不少于 5组的比例组合 ,分别测定混合骨料的捣实堆积密度 ,作图并取堆积密度最大的一组为合理砂率。
   2.2.2 试配确定浆骨比
  (1)确定水泥浆组成和稠度
  为试配简单易行,故采取采用纯水泥浆控制稠度的办法。由于包裹骨料表面的浆体厚度主要取决于浆体稠度 ,故采取采用纯水泥浆控制稠度的办法可行。强度根据水灰比定则控制 ,满足耐久性的水灰比按下表(表1)取值。
  氯离子扩散系数(10- 10cm2/ s) 饱盐混凝土电导率(10- 4s/ m) 渗透性评价 参考混凝土种类
   水胶比 f28/ MPa
   > 1000 > 2000 很高 > 016 < 30
  500~1000 1000~2000 高 0145~016 30~40
   100~500 200~1000 中 0140~0145 40~60
  50~ 100 100~200 低 0135~0140 60~80
  5~50 10~100 很低 0130~0135 80~100
   < 5 < 10 可忽略 < 0130 > 100
  
  表 1 混凝土中氯离子扩散系数与其渗透性的关系( NEL 法)
  
  (2)试配确定最佳浆骨比
  通过进行混凝土强度、变形、氯离子渗透性等试验调整混凝土浆骨比,得出在现有水泥、骨料、外加剂等原材料的基础上的混凝土的最佳浆骨比,它的值一般在35∶65左右。
  本研究按浆骨比在 30∶70 至 37.5∶62.5 间选取不少于 4 组比例进行混拌成型后 ,测各组 28d 强度、坍落度、Cl-扩散系数和振实密度 ,综合确定出最佳浆骨比。
  (Vw+ Vc+ VFA)÷(Vg+ Vs′) = x (1)
  
  
   式中 :Vw、Vc、VFA———分别为每 m3混凝土中水、水泥及混合材料的体积(m3) ;
  Vg、Vs′———分别为每 m3混凝土中石子、砂子的密实体积(即不含开口孔体积) (m3)
  
  2.2.3 影响混凝土主要性能其它参数的确定
  一些研究成果表明 ,高性能混凝土必须掺加混合材料、高效减水剂和引气剂。
  (1)确定掺和料的掺量
  参考已知混合材料掺量与性能关系来选择掺量 ,也可通过试配来确定掺量。
  (2)确定高效减水剂的掺量
  根据选用减水剂品种的减水率来调节混凝土的坍落度和强度。当掺加高效减水剂时 ,可以参考文献[7]建立的高性能混凝土中高效减水剂的减水率β及掺量μ的计算公式(2) ,再经试配调整。
  β=[(Wo- W)÷Wo+Δβ] ×100 %
  μ=[(Wo- W)÷Wo+Δβ ]×3.67 %(2)
  式中 ,Wo为坍落度在 70mm~90mm 范围时基准混凝土的用水量 ,与石子最大粒径有关。其取值见表 2。Δβ为减水剂增量系数 ,取决于高耐久性混凝土的初始坍落度 ,当 SL = 16mm~
  18cm 时 ,Δβ= 0.04 ;SL = 20cm~22cm 时 ,Δβ= 0.06。
  (3)确定引气剂的掺量
  含气量的确定参照耐久性相应的规定来选择。含气量与强度的关系可以参照已有资料 ,也可通过试配确定。
  
  最大粒径/ mm 16 20 25 30
  Wo/ kg 230 215 210 205
   表 2 基准混凝土用水量 Wo[7]
  
  
  2.2.4 计算法确定混凝土配合比
  水灰(胶)比按下式确定 :
   (3)
  式中 : αa、
  αb———分别为回归系数 ;
  δ—含气量对抗压强度的影响因子 ,不使用引气剂时取0 ;
  fce—水泥 28d 抗压强度实测值(MPa) ;
  由紧密堆积法原理可知 :
   (4)
  式中 :mc′、mw、ms′、mg、mFA———分别为单方混凝土中水泥用量、
  水用量、砂子用量、石子用量和混合材料用量(kg/ m3) ;
  ρc、ρw、ρFA———分别为水泥、水和混合材料的密度 (kg/m3) ;
  ρg、ρs———为砂子和石子的视密度(kg/ m3)
  式中 :mc′= mc·(1 -η) ;ms′= ms-(mFA÷ρ-FA-mc″÷ρc);
  mFA= mc·η·ε;
  mc″= mc·η;
  η———混合材料取代率 ;
  ε———超量取代系数(等量时取 1.0)
  由(1) 、(3) 、(4)及砂率公式可得 :
   (5)
  (6)
  (7)
  (8)
  (9)
   (10)
  
  
  因此 ,只要知道了粗骨料及砂基本参数和浆骨比、水胶比、砂率、含气量及掺和料用量 ,就可以得出初步配合比。计算公式中均涉及到粉煤灰掺量高效减水剂、和含气量三个参数 ,它们是高耐久性混凝土的重要组成成分。
  
  2.2.5 试配一加调整混凝土配合比
  按照初步配合比进行试配 ,测试其性能 ,并调整使之满足设计要求。
  
  
  3 混凝土配合比设计实例
  原材料基本性质及设计要求
  (1)石灰巖碎石 5mm~10mm 和 10mm~20mm 两种单粒级粗骨料 ;
  (2)细度模数为2.6 的砂 ,表观密度 为2.59 ×103kg/ m3;
  (3)强度等级为 32.5MPa 的普通水泥 ,表观密度 31.5 ×103kg/ m3;
  (4)表观密度 2.0 ×103kg/ m3的Ⅰ级粉煤灰 ;
  (5)SJ - 2 引气剂和 UNF - 5 减水剂。
  (6)要求配制出 C40、低渗透性 (Cl-扩散系数 ≤1.0 ×cm2/ s)的混凝土 ,坍落度要求 ≥180mm。
  
   设计步骤 :
  3.1试配确定最紧密堆积的混合骨料参数
  3.1.1 最佳级配的确定 :将两种骨料取六种不同比例进行试配 。取二者比例为
  1∶1 时为粗骨料合理级配。
  
  3.1.2最佳沙率的确定: 取上述砂与合理级配的粗骨料按不少于 5组的比例组合 ,分别测定混合骨料的捣实堆积密度。确定出最佳砂率为38 %。
  
  3.2最佳浆骨比的确定
  
   3.21水灰比的确定 :由式 (2) 计算得水灰比为 0.36 ,查表 1知满足耐久性要求的水灰比为 0.35~0.40 ,满足要求。
  
   3.22最佳浆骨比的确定 :按照上面确定的试验参数 ,研究浆骨比对混凝土性能的影响 ,确定出最佳浆骨比为 32.5∶67.5。
  
  3.3粉煤灰掺量 :试配确定出粉煤灰的最佳掺量为 15 %。
  
  3.4高效减水剂用量 :通过试配确定出坍落度为 180mm 时 ,UNF - 5 的掺量为 1.34 %
  3.5引气剂掺量 :实验确定出 SJ - 2 引气剂的掺量为3.6/ 万 ,含气量为 5 %。
  3.6计算初步配合比 :由表可见,采用本文计算方法在满足强度要求的同时 ,还可以节省水泥 ,而且 Cl-扩散系数仅为对比混凝土的 1/ 10 ,具有更好的耐久性能。详见表(3)
  
  
  计算方法 原材料用量/ (kg/ m3) UNF - 5
  /% SJ - 2
  / 万 浆骨比 强度/ MPa
   Cl-扩散系数
  ( ×10- 8cm2/ s) 坍落度
  / mm
  
   mw mc′ mg ms′ mFA f3
   f7
   f28
  
  本文方法 153 381 1079 626 81 2.0 3.2 32.5/ 67.5 38.3 52.7 66.6
  2.58
   190
  传统方法
   172 430 1090 512 91 2.0 4.5 37.1/ 62.9 34.1
  
  48.9
   59.0
  3.14
   185
   表 3 不同配合比设计方法所得结果
  
  
  4 结论
  本文提出的根据最佳浆骨比的混凝土配合比设计方法其本质是试配—计算—试配法 ,在满足强度设计等级和施工和易性要求的前提下 ,与传统混凝土配合比设计的计算—试配法相比具有以下显著优势
  ①对骨料变异大以及耐久性指标的要求具有更好的适应性 ;
  ②利用该方法计算出的混凝土配合比 ,可在满足混凝土各项性能指标的同时节约水泥用量10 %以上。
  本设计方法是在 C30~C60 范围内通过试验研究建立的。
  
  [参考文献]
  [1]《普通混凝土配合比设计规程》J GJ55 - 2011 ,J64 - 2000.
  [2]《混凝土结构设计规范》GB50010 - 2010.
  [3]吴中伟 ,廉慧珍. 高性能混凝土[M].中国铁道出版社 ,141 - 142.
  [4]黄兆龙. 混凝土性质与行为[M].詹氏书局 ,296.
  [5]廉慧珍 ,路新瀛. 按耐久性设计高性能混凝土的原则和方法[ M]. 建 筑技术 ,Vol. 32No. 1.
  [6]冯乃谦. 高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社 ,1996 :362.
  [7]陈建奎 ,王栋民. 高性能混凝土( HPC) 配合比设计新法 全计算法 [J ]. 硅酸盐学报 ,2000.
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