自密實(shí)高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)簡介.doc

自密實(shí)高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)簡介 摘 要：簡要介紹了國內(nèi)外對(duì)自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究狀況和自密實(shí)高性能混凝土配合比計(jì)算的固定砂石體積含量計(jì)算法和全計(jì)算法關(guān)鍵詞： 自密實(shí) 高性能 混凝土 配合比 1.引言自密實(shí)高性能混凝土是在低水膠比下具有很高的流動(dòng)性而不離析、不泌水，能不經(jīng)振搗靠自重流平并充滿模型和包裹鋼筋的新型高技術(shù)混凝土，采用這種技術(shù)能生產(chǎn)出均勻質(zhì)量的優(yōu)良混凝土。自密實(shí)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(jié)構(gòu)。自密實(shí)形成的混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。自密實(shí)高性能混凝土由于免振，可節(jié)省勞動(dòng)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(yù)埋件、預(yù)應(yīng)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(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。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(shè)計(jì)的方法一般都是先計(jì)算，再試驗(yàn)調(diào)整，因此，配合比計(jì)算是確定自密實(shí)高性能混凝土配合比的第一個(gè)環(huán)節(jié)。自密實(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算方4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(duì)自密實(shí)高性能混凝土特點(diǎn)和規(guī)律的配合比計(jì)算方法應(yīng)該是能夠找到的，探討自密實(shí)高性能混凝土配合比計(jì)算方法對(duì)自密實(shí)混凝土的研究和應(yīng)用有著重要的意義。2.國內(nèi)外對(duì)自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究 近年來國內(nèi)外對(duì)自密實(shí)混凝土技術(shù)的研究已引起了廣泛的重視，并取得了重要的進(jìn)展，特別是在自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方面1993年，最早提出自密實(shí)高性能混凝土的日本東京大學(xué)岡村甫教授(Hajime Okamura)介紹了自密實(shí)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法1，他的主要觀點(diǎn)如下：首先對(duì)漿體和砂漿進(jìn)行試驗(yàn)以檢測超塑化劑、水泥、細(xì)骨料和火山灰質(zhì)摻合料之間的相容性，然后進(jìn)行自密實(shí)高性能混凝土的配合比試驗(yàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了重復(fù)進(jìn)行同樣的混凝土質(zhì)量控制試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間和勞動(dòng)力。這種方法的缺點(diǎn)是：1）在自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)之前，要對(duì)砂漿和漿體進(jìn)行質(zhì)量控制，而許多混凝土預(yù)拌廠商并沒有做這些試驗(yàn)所需的設(shè)備。2）配合比設(shè)計(jì)方法和過程對(duì)于實(shí)際應(yīng)用過于復(fù)雜。岡村甫教授還提出了簡單的自密實(shí)高性能混凝土配合比例2：1）粗骨料的用量固定為固體體積的50。2）細(xì)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(zhì)，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?shí)能力的需要來決定。這些可作為自密實(shí)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(shí)高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)化配比設(shè)計(jì)方法3，該方法可用于大摻量細(xì)粉摻和料和水膠比小于0.30的場合。日本預(yù)拌混凝土聯(lián)合會(huì)提出固定砂石體積含量的方法計(jì)算高流動(dòng)自填充混凝土配合比4。法國路橋?qū)嶒?yàn)中心(LCPC) 開發(fā)了基于BTRHEOM流變儀和RENE LCPC軟件的自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法5，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(guān)系提出了自密實(shí)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法6，因?yàn)閮H采用粗骨料和漿體拌合的混凝土很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的離析，使用該方法怎樣進(jìn)行評(píng)價(jià)性試驗(yàn)還不是很清楚。 自密實(shí)高性能混凝土的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年來引起了國內(nèi)研究者的興趣。國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高等院校對(duì)自密實(shí)高性能混凝土的材料和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究，取得了可喜的成績。國內(nèi)外研究者們按照預(yù)定的目標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)和一定的數(shù)學(xué)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(duì)配合比的設(shè)計(jì)提出一些原則而較少對(duì)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(píng)價(jià)方法的差異，人們得到的配合比數(shù)據(jù)差異較大，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)復(fù)演性差。臺(tái)灣有人根據(jù)最大密度理論和富余漿體理論提出了密實(shí)拌合物計(jì)算法則7，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(guān)系還未見報(bào)道。從大陸自密實(shí)高性能混凝土研究的文獻(xiàn)上看，自密實(shí)混凝土配合比計(jì)算方法一般有兩類：直接引用高性能混凝土配合比計(jì)算的一些方法和固定砂石體積含量的計(jì)算方法。下文將對(duì)采用高性能混凝土配合比計(jì)算的一種方法全計(jì)算法和固定砂石體積含量法計(jì)算自密實(shí)高性能混凝土配合比進(jìn)行簡單的介紹和計(jì)算對(duì)比。3.固定砂石體積含量計(jì)算法和全計(jì)算法簡介3.1 固定砂石體積含量計(jì)算法 固定砂石體積含量計(jì)算法是根據(jù)高流動(dòng)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性及抗離析性和配合比因素之間的平衡關(guān)系，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上得到的一種能較好適應(yīng)高流動(dòng)自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)和要求的配合比計(jì)算方法。這種方法日本預(yù)拌混凝土聯(lián)合會(huì)4和吳中偉院士8都作過介紹。 固定砂石體積含量計(jì)算法的計(jì)算步驟如下： （1）設(shè)定每立方米混凝土中石子的松堆體積為0.5-0.55m3，得到石子用量和砂漿含量。 （2）設(shè)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(jì)算得到用水量和膠凝材料總量。最后由膠凝材料總量計(jì)算出水泥和摻合料各自的用量。 3.2 全計(jì)算法 全計(jì)算法設(shè)計(jì)原理為：由假定的混凝土體積模型經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出HPC單方用水量和砂率的計(jì)算公式，再結(jié)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(shí)現(xiàn)了自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)從半定量走向全定量的全計(jì)算。全計(jì)算法中混凝土配制強(qiáng)度和水膠比的計(jì)算與普通混凝土相同,經(jīng)體積模型推導(dǎo)得出的用水量公式與砂率公式如下:用水量公式: 3.3 固定砂石體積量法與全計(jì)算法算例比較試驗(yàn)時(shí)采用的原材料參數(shù)為：水泥表觀密度3120kg/m3，水泥實(shí)際強(qiáng)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.固定砂石體積含量計(jì)算法和全計(jì)算法計(jì)算結(jié)果有較大差別 4.改進(jìn)的全計(jì)算法從上面對(duì)自密實(shí)高性能混凝土配合比參數(shù)的分析中可以看到，全計(jì)算法用于自密實(shí)高性能混凝土有其不適合之處，需要加以改進(jìn)。結(jié)合固定砂石體積含量法的特點(diǎn)，對(duì)全計(jì)算法用于計(jì)算自密實(shí)高性能混凝土配比進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的步驟和公示為：（1）配置強(qiáng)度式中:fcu ,0為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度,單位MPa 為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。（2）水膠比（3） 石子用量( 4 ) 砂用量 式中:取01400150 ;Vm 為砂漿體積,Vm = 1 - G/g 。( 5 ) 用水量采用(1) 式,其中Ve = Vm - S/s 。(6) 膠凝材料組成與用量 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） 由混凝土流動(dòng)性、填充性、間隙通過性和抗離析性要求確定高效減水劑的用量。 當(dāng)采用試驗(yàn)的原材料時(shí)，按照以上方法和固定砂石體積法計(jì)算強(qiáng)度等級(jí)C30-C60的混凝土，二種方法的配合比數(shù)值接近，取得了統(tǒng)一，并且改進(jìn)的全計(jì)算法中用水量公式簡單，物理意義明確。 對(duì)于工程中常用的強(qiáng)度等級(jí)為C30-C60混凝土，當(dāng)分別采用文獻(xiàn)15-18中的材料數(shù)據(jù)，按照改進(jìn)的全計(jì)算法計(jì)算的配比與這些文獻(xiàn)提出的配比比較誤差在百分之五以內(nèi)。需要說明的是，文獻(xiàn)15-18 中對(duì)所提出配比的混凝土工作性和強(qiáng)度都進(jìn)行過研究，能滿足自密實(shí)混凝土的要求，可見，在此計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整能得到需要的自密實(shí)混凝土，采用改進(jìn)的全計(jì)算法計(jì)算自密實(shí)混凝土配合比是可行的。5.自密實(shí)高性能混凝土配合比的主要參數(shù) 51水膠比 一般都認(rèn)為低強(qiáng)混凝土的水膠比和抗壓強(qiáng)度關(guān)系也適應(yīng)于高性能混凝土8,9?；炷僚浔仍O(shè)計(jì)規(guī)程11的直線公式為（3）式中：fcu,p為混凝土試配強(qiáng)度，fce為水泥實(shí)際強(qiáng)度,單位為MPa。 日本預(yù)拌混凝土聯(lián)合會(huì)4提出的高流動(dòng)自填充混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法中，通過水泥漿試驗(yàn)來確定體積水膠比。體積水膠比取為試驗(yàn)得到的約束水比的0.85倍。試驗(yàn)時(shí)分別取體積水膠比1.1，1.2，1.3，1.4測得相對(duì)流動(dòng)度，連成直線外插得到如圖2的即為約束水比。該方法立足于實(shí)際采用的材料，對(duì)不同的水泥有不同的結(jié)果，取定水膠比后，可根據(jù)實(shí)際需要通過摻合料調(diào)節(jié)混凝土強(qiáng)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8。 EFNARC規(guī)范和指南13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(shè)計(jì)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(dāng)有耐久性要求時(shí)，應(yīng)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(qiáng)度。 5.2 漿集比 按照Mehta和Aitcin9教授的觀點(diǎn)，要使HPC同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性和強(qiáng)度性能，水泥漿與骨料的體積比為35：65，全計(jì)算法就是按此觀點(diǎn)取定的漿集比值。但是由于自密實(shí)高性能混凝土自身的特點(diǎn)，它對(duì)流變性能要求很高，使得自密實(shí)高性能混凝土配比中應(yīng)當(dāng)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(jì)算的配合比中漿集比要明顯高于35：65，見表1。文獻(xiàn)14中提出的漿體體積比34-42。 5.3 粗細(xì)骨料體積及摻合料摻量 EFNARC規(guī)范和指南13中指出粗骨料體積約為拌合物的2835,松堆體積為5060，砂在砂漿中體積含量為4050。文獻(xiàn)15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(jì)算法算得的砂率隨用水量的降低而降低，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)高于C30時(shí)偏?。皇拥乃啥洋w積偏大，導(dǎo)致漿體含量較少。6 自密實(shí)高性能混凝土配合比優(yōu)化由于自密實(shí)混凝土的膠結(jié)料用量較多、砂率較大等特點(diǎn)，若處理不妥其受力和變形性能方面可能存在一些不足。為了確保白密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)適用性，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化其配合比：在實(shí)現(xiàn)混凝土靠自重均勻成型的情況下，降低膠結(jié)料用量、降低砂率以提高混凝土體積穩(wěn)定性，同時(shí)提高自密實(shí)混凝土造價(jià)的合理性。自密實(shí)混凝土配合比的優(yōu)化應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1) 優(yōu)選原材料，優(yōu)化集料級(jí)配，降低膠結(jié)料用量，在保證白密實(shí)混凝土工作性的同時(shí)，盡量降低砂率。(2) 在混凝土拌合物中加入礦物細(xì)摻料，特別是摻入粉煤灰可以發(fā)揮其形態(tài)效應(yīng)，增加混凝土的和易性，同時(shí)可以節(jié)約造價(jià)。(3) 根據(jù)所使用水泥品種的不同，精心選擇合適的外加劑并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，得到符合具體工程要求的高效復(fù)合外加劑。(4) 自密實(shí)混凝土的工作性應(yīng)采用坍落度、擴(kuò)展度和帶鋼筋網(wǎng)片的L型流動(dòng)儀聯(lián)合測定，混凝土順利穿過L型流動(dòng)儀中的鋼筋網(wǎng)并最終流平是測定自密實(shí)混凝土工作性的重要條件 7.結(jié)語自密實(shí)高性能混凝土相對(duì)于普通混凝土在工程應(yīng)用方面具有明顯的優(yōu)良性能，國內(nèi)外都有相關(guān)科研工作人員在進(jìn)行自密實(shí)混凝土性能改善和配合比設(shè)計(jì)計(jì)算的研究。隨著科學(xué)研究的不斷進(jìn)展，自密實(shí)高性能混凝土配合比計(jì)算將會(huì)有更多種方法，并向科學(xué)化、簡單化、自動(dòng)化方向不斷取得新的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)1 馮乃謙.高性能混凝土M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.362.2 吳中偉 廉慧珍.高性能混凝土M.北京:中國鐵道出版社,1999.3 遲培云.現(xiàn)代混凝土技術(shù)M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.46-604 張青 廉慧珍.自密實(shí)高性能混凝土配合比研究與設(shè)計(jì)J.建筑技術(shù),:.5 韓先福 李清和.免振搗自密實(shí)混凝土的研制與應(yīng)用J.混凝土,:.6 陳建奎,王棟民.高性能混凝土（HPC）配合比設(shè)計(jì)新法全計(jì)算法J. 硅酸鹽學(xué)報(bào).2000,(4)7 GB JGJ/T55-96.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程S.8 遲培云,呂平,周宗輝.現(xiàn)代混凝土技術(shù)M.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.9張志銘;自密實(shí)高性能混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀J;福建建材;2009年02期10 段雄輝.免振搗自密實(shí)混凝土技術(shù)及工程實(shí)踐J. 建筑技術(shù) 1997,(1).11 張青,廉惠珍,王薊昌.自密實(shí)高性能混凝土配合比研究與設(shè)計(jì)J.建筑技術(shù),1999,(1).12 韓先福,李清和.免振搗自密實(shí)混凝土的研制與應(yīng)用J.混凝土.1996,(6).13胡瑞;蔡燦柳;季新年;張春曉;鋼纖維自密實(shí)混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究J;工程建設(shè)與設(shè)計(jì);2006年09期14劉數(shù)華,方坤河,曾力,王曉燕;高摻量粉煤灰高強(qiáng)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)研究J;粉煤灰;2004年03期15 Hajime, okamura. Self-CompactingHigh-performance concreteR.Concrete international,1997.16 Chaoming Pang.Honggen Qin Optimal mixture design of high performance of self-compacting concrete 17 Xu Yongmo.H Daneng The relationship between microstructure and