现代混凝土配合比设计-全计算法

现代混凝土土配合比设计------全计算法传统混凝土配合比设计方法(如绝对体积法和假容重法),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,现代混凝土配合比计算方法是以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型，通过严格的数学推导的到混凝土的用水量和砂率的计算公式，并将此二式与水灰（胶）比定则相结合能计算出混凝土各组分（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。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抗裂混凝土等现代化混凝土的配合比设计。（一）高性能混凝土配合比全计算法设计高性能混凝土（HPC）与高强混凝土（HSC）和流态混凝土（FLC）最显著的差别就是混凝土配合比考虑工作性、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和FLC更为严格合理，图--1表示各种材料类型的混凝土配合比分区范围，无论采取什么方法设计，HSC、FLCHE和PLC（塑性混凝土）的配合比在一个范围之内，而HPC在AB线附近，由此证明HPC的配合比设计必须严格、精确和合理。图1混凝土配合比组成图一、强度与水灰（胶）比的关系混凝土配合比设计是混凝土材料学中最基本而又最重要的一个问题，早在1919年DuffＡbrams（D.艾布拉姆斯）就发表了混凝土强度的水灰比定则：“对于一定的材料，强度仅取决于一个因素，即水灰比。”这一定则可用下列公式表示：σc=a/b1.5（W/C）式中:σc----一定龄期的抗压强度a----经验常数,一般取925kg/m3该式成为混凝土配合比设计计算强度的基础,近80年来混凝土配合比设计几经发展,到目前为止最常用的两种方法是绝对体积法和假定容量法。二、混凝土的普适体积模型，混凝土是多相聚集、其组分包括：水泥、矿物细掺料、砂、石、水、空气和外加剂。我们基本观点如下：（1）混凝土各组成材料（包括固、气、液三相）具有体积加和性（2）石子间的空隙由干砂浆来填充（3）干砂浆的空隙由水来填充（4）干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气组成，根据以上观点混凝土普适体积模型建立如图---2三、两个基本公式的数学推导1、砂率计算公式根据混凝土的普适体积模型（图--2）可知：浆体体积Ve=W+Vc+Vf+Va（1）；集料体积Vs+Vg=1000-Ve（2）；干砂浆体积Ves=Vc+Vf+Vs+Va（3）；式中：Ve--浆体体积（1/m3）、Ves---干砂浆体积（1/m3）、W---水的体积（1/m3）；Vc、Vf、Va、Vs和Vg------分别表示水泥、细掺料（如FA）、空气、砂和石的体积（1/m3）。由式（3）可得：Vs=Ves-（Vc+Vf+Va）（4）；由式（1）得：Vc+Vf+Va=Ve-W（5）；将式（5）代入（4）得：Vs=Ves-Ve+W（6）；则砂重量：S=（Ves-Ve+W）*ρ（7）式中：S---砂用量（kg/m3）ρ-----砂的视密度（kg/m3）。由式（2）得Vg=1000-Vs-Ve（8）；将式（6）代入式（8）得：Vg=1000-Ves-W（9）；则石子的重量：G=（1000-Ves-W）*ρ（10）式中：G---石子用量（kg/m3）ρ----石子的视密度（kg/m3）由此式（13）表明，混凝土的砂率随用水量的增加而增加，随胶凝材料的增加而减少。根据美国P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的观点，要使HPC同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆和骨料的体积比应为35：65，故对HPC，可取Ve=3501/m3，集料体积Vs+Vg=6501/m3。2、干砂浆体积的确定，对于一般粒径的碎石，视密度为ρo，堆积密度为ρb与石子空隙率（P）的关系为：公式（21）、（22）和（23）表明：（1）混凝土的用水量取决于强度和水灰比，混凝土强度越高，水灰比越小，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）引气量越大，混凝土用水量越小。四、HPC配合比设计步骤现代混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石子和水和超塑化剂等多种成分按严格的比例关系组成，传统配合比的设计方法不可能得到优化的配合比，而“全计算法”在设定条件下能精确计算出每个组分的用量和相互比例。HPC混凝土配合比全计算设计步骤如下：7.试配和配合比调整在以上混凝土配合比设计中，配制强度、水灰比、用水量、胶凝材料组成与用量、砂率及粗细集料用量及超塑化剂等均可通过公式计算而定量确定，最终确定混凝土配合比，故称之为全计算配合比设计。当然，在计算中也涉及到个别参数的取值问题，比对某特定混凝土，水泥浆体体积Ve和干砂浆体积Ves的取值，但这些取值都有比较成熟的研究结果，与传统配合比设计中大量参数经过查表取值的经验方法比较，其科学性与定量性大大提高。值得提出的是在用水量W公式中涉及到的两个参数，气体体积和胶凝材料中超细粉掺合料体积分数。同时给出了超塑化剂掺量的计算公式，超塑化剂CPS和超细粉（掺量）在设计中均的以体现，这是以高耐久性为特征的HPC的必要组成材料。另外Va气体体积分数为引气混凝土特征项，成为引气型高耐久性混凝土。当然，混凝土耐久性是一个非常复杂的问题，涉及很多方面，除上述各方面外，还有诸如碱集料反应，抗硫酸盐侵蚀等，这只需在配合比设计的同时对组成材料化学成分加以关注即可，将配制强度60---130MPa计算配合比列入表---4中