混凝土配合比设计——全计算法.docx

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1、混凝土配合比设计全计算法目录1 .现代混凝土概念或理念12 .配合比全计算法设计的数学模型22.1. 现代混凝土的数学模型22. 2.干砂浆体积VeS的确定43. 3.浆体体积和集料体积53.砂率和用水量计算公式64. 1.砂率计算公式65. 2.用水量计算公式64.混凝土配合比设计步骤84. 1.配制强度：84. 2.7K胶比：84. 3.用水量：84. 4.胶凝材料用量：84. 5.砂率及集料用量：94. 6.复合超塑化剂(CSP)掺量：96. 7.配合比的调整和试配95 .配合比设计工程应用实例106 .结论141 .现代混凝土概念或理念现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和

2、外加剂等组成的多相聚集体，并能满足“高工作性、高早强增强和高耐久性”的基本要求。现代混凝土应包括高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、防渗抗裂混凝土、水下浇筑混凝土和商品混凝土等。以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法不能满足现代混凝土配合比设计的要求。综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的基本原则是：(1)满足混凝土工作性的情况下，用水量要小；(2)满足强度的情况下，水泥用量少，多掺细掺料；(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。30405060708080100I1O120

3、130kHPC-高性能混凝土HSC-高强混凝土F1C-流态混凝土P1G-塑性混凝土抗压遑度(Mpa)图1混凝土配合比组成图2 .配合比全计算法设计的数学模型混混凝土配合比设计是混凝土材料科学和工程应用中最基本的问题。以强度为基础的传统配合比设计方法(即假定容重法和绝对体积法)已不能满足现代混凝土配合比设计的要求。现代混凝土配合比“全计算法”设计是以“工作性、强度和耐久性”为基础建立的普适数学模型，并推导出混凝土用水量和砂率的计算公式。进而将此二式与水胶(灰)比定则相结合就能实现混凝土配合比和组成的全计算，故称谓全计算法。全计算法的创建和推广应用几近十年，受到广泛的关注，取得良好的技术经济效益。

4、全计算法不仅适用于所有现代混凝土的配合比设计和计算，而且能检验和验证其它配合比的正确性。2.1.现代混凝土的数学模型现代混凝土组成复杂，其中包括水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等7个组分。最简单处理方法是用多项式表示：F(x)=a+bx1+cx2+fx3+gx4+hx5+ix6+jx7(1)A.传统混凝土体积加合模型(图2)混凝土由水泥、砂、石、空气和水组成，在单位体积中:(1)石子的空隙由砂子填充；(2)砂子的空隙由水泥浆填充；(3)水灰比决定混凝土的强度。由此表明：Ve+Vs+Vg=1000式中：Ve=Vw+Vc+VaVe、Vw、Vc、VaVS和Vg分别为水泥浆、水、水泥、空气、

5、砂和石子的体积(1m3)这种体积加合模型与水灰比定则组成联立方程不能求解。必须参照有关规范中的统计数据才能计算混凝土配合比。其坍落度是通过用水量调整的。以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法己不适用于现代混凝土的要求。B.现代混凝土体积相关模型(图3)I:Kent-Scott-Park保护层混凝土模型；,V:Roy-Sozen模型；f:Mander核心区混凝土模型;IV:OpenSEES中minmax材料；VI,V:本文模型初始约束混凝土X初始保护层混凝土v三震损约束混凝土cCCoCU应力。混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组分构成，在单位积体中，(1)石子间的空隙由干砂浆填

6、充；(2)干砂浆中的空隙由水填充；(3)水胶比决定混凝土强度。根据此模型：Vw+Ves+Vg=1000(3)其中、干砂浆由水泥、矿物细掺料、空气和砂子组成，即：Ves=Vc+Vf+Va+Vs(4)在一定体系中，干砂浆体积是常数。VeS大小取决于石子的最大粒径，石子粒径越大、比表面积越小，因此VeS越小。Ves干砂浆体积(1/m3)2.2.干砂浆体积Ves的确定干干砂浆体积由两部分组成，即石子空隙率和拔开系数：Ves=(1+h)p1000(4-2)式中：p一石子空隙率，取决于石子堆积方式、颗粒形状和级配。h一拨开系数，取决于石子的比表面积和包裹层厚度。粒子呈六方最密堆积时，空隙率为0.3954。

7、当采用最大粒径19mm的碎石配制60MPaHPC时，Ve=350.Vs+Vg=650Vs：Vg=2：3,W=160kgm3o其干砂浆体积为：Ves=IoOO-Vw-Vg=IOOO-160-390=450(1/m3)p=0.3954,h=(0.45-0.3954)/0.3854=0.138由于h取决于石子的比表面积，随着石子最大粒径增加比表面积减小，因此VeS减小(h减小)。表1中列举了Ves与石子最大粒径的关系。表1Ves与石子最大粒径的关系碎石最大粒径6(mm)192531.540623616359921600a=23111.732.734.431a=361210.580.360.226h=

8、0.1381a0.1380.080.050.03Ves(1m3)450427415407VeS(I/m3)(取值)450430420405中砂(MX=2.60280)将表1中h=0.138X1a=0.138X36102二502代入式(4-2)得至I：Ves=(1+502)p1000(Im3)(43)。此式表明，干砂浆体积与石子最大粒径的平方成反比。石子空隙率一一石子最密堆积时的空隙率(0.3954);2.3.浆体体积和集料体积另外、浆体体积由水、水泥、矿物细掺料和空气体积组成，即：Ve=Vw+Vc+Vf+Va(5)对于不同类型的混凝土Ve取值：HPC、HSC：Ve=3501m3;F1C或其它混

9、凝土：Ve=3053351m3集料体积：Vs+Vg=1000-Ve(6)将此模型能得到关系式(3)(6)与水胶比定则组成联立方程，可求解混凝土各组分的用量，实现配合比全计算。3.砂率和用水量计算公式3.1. 砂率计算公式根据混凝土的普适体积相关模型(图-2)和有关参数可以得到砂率计算公式：SP=X100%应珍一(%s-+)Qs(IOoO-%s-犷)Qg+G约一%+犷)0这是砂率计算的通式。当PSaPg时(即Ps=2.65,pg=2.70),上式简化为:sp=%_X1iu砂率计算公式的物理意义此式(7)表明，混凝土的砂率：(1)随着用水量增加而增大；(2)随着石子最大粒径的增大(或Ves减小)而

10、减小；(3)随着浆体体积(Ve)增加而减小。砂率计算公式适用于中砂(Mx=2.602.80)和连续级配的碎石，其它情况可按有关规范适当调整砂率。采用粗砂或特细砂时：SP=(Ves-Ve+W)(1000-Ve)+0.075(M-2.80)100%2.用水量计算公式根据水胶比定则:将式(8)与式(5)解联立方程，可求出用水量与配制强度的关系:gVef1+(1X)j+xpf(f+8)此式(9)为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。式中P13.15、Pf=2.51分别为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。当当x=0、即不掺细掺料时:式中：W/B水胶比。*V1Va,0,3351tVB当x=25%、即

11、水泥与细掺料的体积比为75：25时:(11)式(9)中系数1(1-)pc+xpf的大小与细掺料的体积掺量X有关。计算表明，X变化对该系数的影响不大(见表2)。因此在用式(11)计算用水量时，该系数通常采用0.335。表2X对系数的影响xC)35302520系数03410.3380.3350.331i用水量计算公式的物理意义公式(9)、(IO)和(11)表明:(1)混凝土的用水量取决于强度和水胶比，混凝土强度越高，水胶比越小，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)浆体体积越小，用水量越少；(4)引气量越大，混凝土用水量越少。4.混凝土配合比设计步骤3.

12、1.配制强度:fcu.pfcu.o+1-645或fcu.p=fcu.o+104.2,水胶比:W/-1/B的忧,PIB式中：fcu.p一一混凝土配制强度(MPa);fee水泥实测强度(MPa);fce=1.13fce.ofce.o一一水泥强度等级(MPa);W/B水胶比；A、B一一回归系数(见表3)表3A、B的取值王子类至JGJ/T55-96JGJ55-2000ABAB碎rGfRS土0英0.32。级0.07明石$璇土0500.610.480.334. 3.用水量:式中：对于HPC：Ve=3501m3对于F1C：Ve=3053351m3;W,Ve-Va-0.3351tW/B非引气混凝土：Va=15

13、1m3;引气混凝土：Va=30501m3(含气量3%5%)。4.4. 胶凝材料用量：C+FA=W(WB)=QFA=QC=Q(I-Q)式中：QFA的掺量()C一水泥用量(kgm3)FA一矿物细掺料(如粉煤灰)用量(kgm3)4.5.砂率及集料用量：sp,Ves-VeWMIOOO-VeX1o0%S=(D-W-C-F)SPG=D-W-C-F-S式中：Ves干砂浆体积，取决于石子最大粒径(见表1)D一混凝土容重(23602440kgm3)式中：W、C、F、S和G分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量(kgm3)04.6.复合超塑化齐IJ(CSP)掺量：=但需+AGX917%(12)式中：U浓度40%的

14、CSP掺量(%)Wo一坍落度79cm的基准混凝土用水量，与石子最大粒径有关：192531.5(mm)215210205(kgm3)W配制混凝土的用水量(kgm3)可一坍落度从79cm提到1624cm所需的减水率增量=0.005S1o-0.04S1O一配制混凝土的初始坍落度1624cn4.7.配合比的调整和试配【学员问题】混凝土配合比试配试拌与调整方法？【解答】试拌与调整的步骤如下：(1)进行混凝土配合比试配时应采用工程中实际使用的原材料。混凝土的搅拌方法，宜与生产时使用的方法相同；(2)混凝土配合比试配时，每盘混凝土的最小搅拌量应符合表146的规定；当采用机械搅拌时，其搅拌量不应小于搅拌机额定搅拌量的1/4；(3)按计算的配合比进行试配时，首先应进行试拌，以检查拌合物的性能。当试拌得出的拌合物坍落度或维勃稠度不能满足要求，或粘聚性和保水性不好时，应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。然后提出供混凝土强度试验用的基准配合比；(4)混凝土强度试验时至