自密實混凝土配合比設計的探討

1自虛實混凝土配合比設計自致密有效混凝土是一種新型高速混凝土，比低水凝膠比高，不離析，不透水。它不能被復制，只能依靠提升模型和包裹鋼筋。這種技術可以生產(chǎn)出高品質的混凝土。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(chǎn)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(jīng)濟和社會效益。眾所周知,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(diào)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自虛實高性能混凝土配合比設計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(HajimeOkamura)介紹了自密實高性能混凝土的配合比設計方法,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: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(jù)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,該方法可用于大摻量細粉摻合料和水膠比小于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。法國路橋試驗中心(LCPC)開發(fā)了基于BTRHEOM流變儀和RENELCPC軟件的自密實高性能混凝土配合比設計方法,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,因為僅采用粗骨料和漿體拌和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(nèi)研究者的興趣。國內(nèi)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(nèi)外研究者們按照預定的目標,根據(jù)試驗、經(jīng)驗和一定的數(shù)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(shù)據(jù)差異較大,進行試驗驗證時復演性差。臺灣有人根據(jù)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,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計算固砂體積含量的方法和綜合計算方法的匯總3.1固定砂質量比計算方法固定砂石體積含量計算法是根據(jù)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)合會和吳中偉院士都作過介紹。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0.5m3～0.55m3,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(jù)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充填材料配比全計算法設計原理為:由假定的混凝土體積模型經(jīng)過數(shù)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(xiàn)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(jīng)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:Vw=Ve-Va1+1[ρc(1-φ)+φρf]?m(c+f)m(w)(1)Vw=Ve?Va1+1[ρc(1?φ)+φρf]?m(c+f)m(w)(1)式中:Ve、Va分別為漿體體積和空氣體積,單位m3;ρc、ρf分別為水泥比重和粉煤灰比重,單位kg/m3;m(c+f)m(w)m(c+f)m(w)為膠水比;φ為摻合料(粉煤灰)體積摻量百分比。砂率公式:Sp=(Ves-Ve+Vw)ρs(Ves-Ve+Vw)ρs+(1000-Ves-Vw)ρg(2)Sp=(Ves?Ve+Vw)ρs(Ves?Ve+Vw)ρs+(1000?Ves?Vw)ρg(2)式中:Ves為干砂漿體積,單位m3;ρs、ρg分別為砂、石表觀密度,單位kg/m3。3.3砂體密度試驗筆者試驗時采用的原材料參數(shù)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%,采用固定砂石體積量法與全計算法計算結果見表1。4自致密混凝土配合比的主要參數(shù)4.1混凝土配合比設計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?；炷僚浔仍O計規(guī)程的直線公式為fcu,p=Afce(m(c)m(w)-B)(3)fcu,p=Afce(m(c)m(w)?B)(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。對碎石混凝土,A取0.48,B取0.52;對卵石混凝土,A取0.50,B取0.61。同濟大學提出的用于高性能混凝土的水膠比公式形式與(3)式同,但A、B取值不同。對碎石混凝土A取0.304,B取-0.62;對卵石混凝土A取0.296,B取-0.71。日本預拌混凝土聯(lián)合會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。水泥漿體試驗用的截錐圓模如圖1。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βρ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(jù)實際需要通過摻合料調(diào)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,列于表2。當采用筆者的材料參數(shù)時,應用式(3)分別按規(guī)程和同濟大學的A、B值計算C30～C60混凝土水膠比并將算得的重量水膠比換算為體積水膠比,見表2。EFNARC規(guī)范和指南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(nèi),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(diào)整強度。4.2固定砂體的體積比按照Mehta和Aitcin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。文獻中提出的漿體體積比34%～42%。4.3砂率與摻合料粉煤灰的配比EFNARC規(guī)范和指南中指出粗骨料體積約為拌合物的28%～35%,松堆體積為50%～60%,砂在砂漿中體積含量為40%～50%。文獻推薦摻合料(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。5全計算法用量從上面對自密實高性能混凝土配合比參數(shù)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。筆者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,提出以下計算步驟和公式:(1)fcu模型fcu,p=fcu,0+1.645σ(4)fcu,p=fcu,0+1.645σ(4)式中:fcu,0為混凝土設計強度,單位MPa;σ為混凝土強度標準差。(2)橡膠比m(w)m(c+f)=1fcu,pAfce+B(5)m(w)m(c+f)=1fcu,pAfce+B(5)(3)石用量G=αρg′(6)式中:α取0.5～0.6,ρg′為石子堆積容重,單位kg/m3。(4)砂的處理S=βVmρs(7)式中:β取0.40～0.50;Vm為砂漿體積,Vm=1-G/ρg。(5)可用的數(shù)據(jù)采用(1)式,其中Ve=Vm-S/ρs。(6)水泥摻合料用量的確定m(c+f)=Vwm(w)/[m(c+f)]m(c)=(1-x)m(c+f)?m(f)=xm(c+f)(8)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)混凝土的力學性能當采用筆者試驗的原材料時,按照以上方法和固定砂石體積法計算強度等級C30～C60混凝土的配合比見表3。二種方法的配合比數(shù)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。筆者在此計算結果的基礎上進行正交設計,配制混凝土,進行了自密實高性能混凝土的力學性能研究。對于工程中常用的強度等級為C30～C60混凝土,當分別采用文獻中的材料數(shù)據(jù),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見表4。需要說明的是,文獻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(diào)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。6自虛實混凝土配合比計算當前計算機的應用已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ钆c工作的方方面面,計算機的應用也是混凝土研究和應用發(fā)展的一個重要方向,配合比設計這種重復和繁瑣的工作非常適合計算機來做。筆者根據(jù)固定砂石體積法和改進的全計算法的原理在Excel軟件中制作了自密實混凝土配合比計算模板。如圖3,在該模板中的數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)中輸入原材料參數(shù)即可自動計算混凝土配合比,可用于自密實混凝土試配和調(diào)整。當然,這還只是簡單的計算機應用。在大量試驗的基礎上,找到各種因素對自密實高性能混凝土工作性和力學性能、長期性能的影響作用,再考慮經(jīng)濟性,采用計算機進行優(yōu)化,就能在自密實高性能混凝土各種矛盾的性能和要求中取得平衡,達到矛盾的統(tǒng)一,使得以較小的花費最大程度地滿足人們對混凝土性能的要求成為可能。如果結合混凝土生產(chǎn)過程中質量控制和分析方法,用計算機進行投料控制,實時調(diào)整混凝土的配比,就有可能實現(xiàn)混凝土從試驗配制到攪拌生