自密实高性能混凝土配合比的设计简介.doc

自密实高性能混凝土配合比的设计简介 摘 要：简要介绍了国内外对自密实高性能混凝土配合比设计的研究状况和自密实高性能混凝土配合比计算的固定砂石体积含量计算法和全计算法关键词： 自密实 高性能 混凝土 配合比 1.引言自密实高性能混凝土是在低水胶比下具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣靠自重流平并充满模型和包裹钢筋的新型高技术混凝土，采用这种技术能生产出均匀质量的优良混凝土。自密实高性能混凝土最主要的性能是在自重作用下无需振捣，自行填充模板空间，可用于难以浇筑甚至无法浇筑的结构。自密实形成的混凝土结构具有良好的力学性能和耐久性能。自密实高性能混凝土由于免振，可节省劳动力和电力，提高施工效率，免除振捣所产生的噪音给环境造成的危害，且能解决传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密列难以振捣等问题，可保证钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，并能大量利用工业废料做掺合料，降低混凝土的水化热，提高耐久性，具有显著的技术、经济和社会效益。配制混凝土首先要确定混凝土配合比。目前混凝土配合比设计的方法一般都是先计算，再试验调整，因此，配合比计算是确定自密实高性能混凝土配合比的第一个环节。自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别，至今没有形成统一的设计计算方4法。在任何情况下都能通用的混凝土配合比是不存在的，但针对自密实高性能混凝土特点和规律的配合比计算方法应该是能够找到的，探讨自密实高性能混凝土配合比计算方法对自密实混凝土的研究和应用有着重要的意义。2.国内外对自密实高性能混凝土配合比设计的研究 近年来国内外对自密实混凝土技术的研究已引起了广泛的重视，并取得了重要的进展，特别是在自密实混凝土的配合比设计方面1993年，最早提出自密实高性能混凝土的日本东京大学冈村甫教授(Hajime Okamura)介绍了自密实高性能混凝土的配合比设计方法1，他的主要观点如下：首先对浆体和砂浆进行试验以检测超塑化剂、水泥、细骨料和火山灰质掺合料之间的相容性，然后进行自密实高性能混凝土的配合比试验。这种方法的优点是避免了重复进行同样的混凝土质量控制试验，节省了时间和劳动力。这种方法的缺点是：1）在自密实高性能混凝土配合比设计之前，要对砂浆和浆体进行质量控制，而许多混凝土预拌厂商并没有做这些试验所需的设备。2）配合比设计方法和过程对于实际应用过于复杂。冈村甫教授还提出了简单的自密实高性能混凝土配合比例2：1）粗骨料的用量固定为固体体积的50。2）细骨料的用量固定为砂浆体积的40%。3）体积水灰比取决于水泥的性质，假定为0.9到1.0。4）超塑化剂的用量和最终的水灰比根据确保混凝土自密实能力的需要来决定。这些可作为自密实高性能混凝土配合比的校核原则。另外，JRMCA提出了冈村甫方法的简化版本自密实高性能混凝土标准化配比设计方法3，该方法可用于大掺量细粉掺和料和水胶比小于0.30的场合。日本预拌混凝土联合会提出固定砂石体积含量的方法计算高流动自填充混凝土配合比4。法国路桥实验中心(LCPC) 开发了基于BTRHEOM流变仪和RENE LCPC软件的自密实高性能混凝土配合比设计方法5，但不购买软件，该方法很难为他人使用。瑞典水泥和混凝土研究院（CBI）基于堵塞体积率和钢筋净距与粒径粒度比率之间的关系提出了自密实高性能混凝土的配合比设计方法6，因为仅采用粗骨料和浆体拌合的混凝土很容易导致严重的离析，使用该方法怎样进行评价性试验还不是很清楚。 自密实高性能混凝土的独特优点，近年来引起了国内研究者的兴趣。国内的一些研究机构和高等院校对自密实高性能混凝土的材料和结构性能进行了研究，取得了可喜的成绩。国内外研究者们按照预定的目标，根据试验、经验和一定的数学方法提出了一些配合比，这些配比比较零散，而且研究者一般只对配合比的设计提出一些原则而较少对配合比的由来加以介绍。由于原材料和配制工艺以及工作性评价方法的差异，人们得到的配合比数据差异较大，进行试验验证时复演性差。台湾有人根据最大密度理论和富余浆体理论提出了密实拌合物计算法则7，但是该方法和混凝土拌合物通过钢筋的能力或抵抗离析的能力之间的关系还未见报道。从大陆自密实高性能混凝土研究的文献上看，自密实混凝土配合比计算方法一般有两类：直接引用高性能混凝土配合比计算的一些方法和固定砂石体积含量的计算方法。下文将对采用高性能混凝土配合比计算的一种方法全计算法和固定砂石体积含量法计算自密实高性能混凝土配合比进行简单的介绍和计算对比。3.固定砂石体积含量计算法和全计算法简介3.1 固定砂石体积含量计算法 固定砂石体积含量计算法是根据高流动自密实混凝土流动性及抗离析性和配合比因素之间的平衡关系，在试验研究的基础上得到的一种能较好适应高流动自密实混凝土的特点和要求的配合比计算方法。这种方法日本预拌混凝土联合会4和吴中伟院士8都作过介绍。 固定砂石体积含量计算法的计算步骤如下： （1）设定每立方米混凝土中石子的松堆体积为0.5-0.55m3，得到石子用量和砂浆含量。 （2）设定砂浆中砂体积含量为0.42-0.44得到砂用量和浆体含量。 （3）根据水胶比和胶凝材料中的掺合料比例计算得到用水量和胶凝材料总量。最后由胶凝材料总量计算出水泥和掺合料各自的用量。 3.2 全计算法 全计算法设计原理为：由假定的混凝土体积模型经过数学推导，得出HPC单方用水量和砂率的计算公式，再结合传统的水灰比定则，即可全面定量地得出混凝土中各组分的用量，这样便实现了自密实高性能混凝土配合比设计从半定量走向全定量的全计算。全计算法中混凝土配制强度和水胶比的计算与普通混凝土相同,经体积模型推导得出的用水量公式与砂率公式如下:用水量公式: 3.3 固定砂石体积量法与全计算法算例比较试验时采用的原材料参数为：水泥表观密度3120kg/m3，水泥实际强度46.9MPa，粉煤灰表观密度2480kg/m3，砂表观密度2727kg/m3，碎石堆积容重1430kg/m3，碎石表观密度2778kg/m3，粉煤灰体积掺量46。采用.固定砂石体积含量计算法和全计算法计算结果有较大差别 4.改进的全计算法从上面对自密实高性能混凝土配合比参数的分析中可以看到，全计算法用于自密实高性能混凝土有其不适合之处，需要加以改进。结合固定砂石体积含量法的特点，对全计算法用于计算自密实高性能混凝土配比进行改进。改进后的步骤和公示为：（1）配置强度式中:fcu ,0为混凝土设计强度,单位MPa 为混凝土强度标准差。（2）水胶比（3） 石子用量( 4 ) 砂用量 式中:取01400150 ;Vm 为砂浆体积,Vm = 1 - G/g 。( 5 ) 用水量采用(1) 式,其中Ve = Vm - S/s 。(6) 胶凝材料组成与用量 式中:x 为掺合料重量掺量,m(c) 为水泥用量,m(f) 为掺合料用量。 （7） 由混凝土流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性要求确定高效减水剂的用量。 当采用试验的原材料时，按照以上方法和固定砂石体积法计算强度等级C30-C60的混凝土，二种方法的配合比数值接近，取得了统一，并且改进的全计算法中用水量公式简单，物理意义明确。 对于工程中常用的强度等级为C30-C60混凝土，当分别采用文献15-18中的材料数据，按照改进的全计算法计算的配比与这些文献提出的配比比较误差在百分之五以内。需要说明的是，文献15-18 中对所提出配比的混凝土工作性和强度都进行过研究，能满足自密实混凝土的要求，可见，在此计算的基础上进行试验调整能得到需要的自密实混凝土，采用改进的全计算法计算自密实混凝土配合比是可行的。5.自密实高性能混凝土配合比的主要参数 51水胶比 一般都认为低强混凝土的水胶比和抗压强度关系也适应于高性能混凝土8,9。混凝土配比设计规程11的直线公式为（3）式中：fcu,p为混凝土试配强度，fce为水泥实际强度,单位为MPa。 日本预拌混凝土联合会4提出的高流动自填充混凝土的配合比设计方法中，通过水泥浆试验来确定体积水胶比。体积水胶比取为试验得到的约束水比的0.85倍。试验时分别取体积水胶比1.1，1.2，1.3，1.4测得相对流动度，连成直线外插得到如图2的即为约束水比。该方法立足于实际采用的材料，对不同的水泥有不同的结果，取定水胶比后，可根据实际需要通过掺合料调节混凝土强度。高性能混凝土一般需要满足耐久性的要求，水胶比要小于0.4。吴中伟院士提出了高性能混凝土水胶比的参考范围8。 EFNARC规范和指南13中推荐的体积水胶比范围是0.8-1.10，比前文提到冈村甫提出的0.9到1.0稍大，从表2可以看到，按混凝土配比设计规程中水胶比公式算得的C40-C60的体积水胶比大致处在这一范围内，C30混凝土当有耐久性要求时，应按小于0.4取定水胶比，通过不同的掺合料用量来调整强度。 5.2 浆集比 按照Mehta和Aitcin9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，水泥浆与骨料的体积比为35：65，全计算法就是按此观点取定的浆集比值。但是由于自密实高性能混凝土自身的特点，它对流变性能要求很高，使得自密实高性能混凝土配比中应当有较小的骨料体积含量和足够的砂浆，按照固定砂石体积含量法计算的配合比中浆集比要明显高于35：65，见表1。文献14中提出的浆体体积比34-42。 5.3 粗细骨料体积及掺合料掺量 EFNARC规范和指南13中指出粗骨料体积约为拌合物的2835,松堆体积为5060，砂在砂浆中体积含量为4050。文献15推荐掺合料（粉煤灰）体积掺量约为30%-60%。从表1可以看到，全计算法算得的砂率随用水量的降低而降低，当强度等级高于C30时偏小；石子的松堆体积偏大，导致浆体含量较少。6 自密实高性能混凝土配合比优化由于自密实混凝土的胶结料用量较多、砂率较大等特点，若处理不妥其受力和变形性能方面可能存在一些不足。为了确保白密实混凝土结构的安全性和经济适用性，应该进一步优化其配合比：在实现混凝土靠自重均匀成型的情况下，降低胶结料用量、降低砂率以提高混凝土体积稳定性，同时提高自密实混凝土造价的合理性。自密实混凝土配合比的优化应注意以下几点：(1) 优选原材料，优化集料级配，降低胶结料用量，在保证白密实混凝土工作性的同时，尽量降低砂率。(2) 在混凝土拌合物中加入矿物细掺料，特别是掺入粉煤灰可以发挥其形态效应，增加混凝土的和易性，同时可以节约造价。(3) 根据所使用水泥品种的不同，精心选择合适的外加剂并进行适当的复合，得到符合具体工程要求的高效复合外加剂。(4) 自密实混凝土的工作性应采用坍落度、扩展度和带钢筋网片的L型流动仪联合测定，混凝土顺利穿过L型流动仪中的钢筋网并最终流平是测定自密实混凝土工作性的重要条件 7.结语自密实高性能混凝土相对于普通混凝土在工程应用方面具有明显的优良性能，国内外都有相关科研工作人员在进行自密实混凝土性能改善和配合比设计计算的研究。随着科学研究的不断进展，自密实高性能混凝土配合比计算将会有更多种方法，并向科学化、简单化、自动化方向不断取得新的进展。参考文献1 冯乃谦.高性能混凝土M.北京:中国建筑工业出版社,1996.362.2 吴中伟 廉慧珍.高性能混凝土M.北京:中国铁道出版社,1999.3 迟培云.现代混凝土技术M.上海:同济大学出版社,1999.46-604 张青 廉慧珍.自密实高性能混凝土配合比研究与设计J.建筑技术,:.5 韩先福 李清和.免振捣自密实混凝土的研制与应用J.混凝土,:.6 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,(4)7 GB JGJ/T55-96.普通混凝土配合比设计规程S.8 迟培云,吕平,周宗辉.现代混凝土技术M.上海：同济大学出版社,1999.9张志铭;自密实高性能混凝土的研究及应用现状J;福建建材;2009年02期10 段雄辉.免振捣自密实混凝土技术及工程实践J. 建筑技术 1997,(1).11 张青,廉惠珍,王蓟昌.自密实高性能混凝土配合比研究与设计J.建筑技术,1999,(1).12 韩先福,李清和.免振捣自密实混凝土的研制与应用J.混凝土.1996,(6).13胡瑞;蔡灿柳;季新年;张春晓;钢纤维自密实混凝土梁抗弯性能试验研究J;工程建设与设计;2006年09期14刘数华,方坤河,曾力,王晓燕;高掺量粉煤灰高强自密实混凝土试验研究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 rheology of fresh cement pastes 18Luping Tang Evaluation of methods for testing fresh self-compacting concrete 19Youjun Xie.Yangguang Li.Guangcheng Long Influence of aggregate on properties of self-compacting concrete 20P K Mehta.R W Building Durable Structures in the 21st Century