自密实混凝土设计方法

浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法

2006-06-05 19:48:06

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浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法

余志武潘志宏谢友均刘宝举

（中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075）

摘要：与普通混凝土相比，自密实混凝土配合比计算涉及的因素多，除了要满足强度要求外，对工作性更有很高的要求,因此，自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别。自密实混凝土至今没有形成统一的设计计算方法。本文对常用的自密实高性能混凝土配合比计算方法作了简单介绍，在对自密实高性能混凝土配合比计算参数如水胶比、浆集比、粗细骨料体积等方面作了一些探讨的基础上，结合固定砂石体积计算法，对全计算法进行了改进。改进后的计算方法更能符合自密实高性能混凝土的特点并且计算简单，使用方便，该方法对自密实混凝土的配制和应用推广有一定的意义。

关键词：高性能混凝土；自密实混凝土；配合比计算；配合比设计

中图分类号：文献标示码：A

COMMENTS ON MIX CALCULATION METHOD OF SELF COMPACTING HIGH PERFORMANCE

CONCRETE

Yu Zhiwu Pan Zhihong Xie Youjun Liu Baoju

(Civil and Architecture College, Central South University)

Abstract: Comparing with mix calculation of ordinary concrete, mix calculation of self -compacting concrete (SCC) deals with more factors. Not only the demand of strength should be met, but also the requirements for workability should be met well, so SCC is different from ordinary concrete. Up to now, there is no uniform mix method of SCC. In this paper, mix calculation method in common use is introduced concisely. Based on discussions of mix design parameters such as water binder ratio, paste aggregate ratio, and volume content of fine and coarse aggregation, and referred to the fixed volume content of aggregate method, the modified overall calculation method is presented. It can well satisfy the demands of the trait of SCC, and the application of the method is simple and convenient. The method proposed in this paper is beneficial to the popularization of SCC .

Keywords: high performance concrete, self compacting concrete, mix calculation, mix design

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。

众所周知，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

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[10]

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:

（1）

式中：V e、V a分别为浆体体积和空气体积，单位m3；ρc、ρf分别为水泥比重和粉煤灰比重，单位kg/m3；为胶水比；为掺合料（粉煤灰）体积掺量百分比。

砂率公式:

（2）

式中：V es为干砂浆体积,单位m3；ρs、ρg分别为砂、石表观密度，单位kg/m3。

3.3固定砂石体积量法与全计算法算例比较

笔者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％，采用固定砂石体积量法与全计算法计算结果见表1。

4. 自密实高性能混凝土配合比的主要参数

4．1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：f cu,p为混凝土试配强度，f ce为水泥实际强度,单位为MPa。对碎石混凝土，A取0.48，B取0.52；对卵石混凝土，A取0.50，B取0.61。

同济大学[12]提出的用于高性能混凝土的水胶比公式形式与（3）式同，但A、B取值不同。对碎石混凝土A取0.304，B取-0.62；对卵石混凝土A取0.296，B取-0.71。

表2

混凝土强度等

级按文献[11]水胶

比

按文献[12]水胶

比

吴中伟推荐

值

按文献[11]体积水胶

比

按文献[11]体积水胶

比

备

注

30 0.45 0.48

0.36-0.4

1.40 1.50

碎

石0.44 0.48 1.38 1.51

卵

石

40 0.36 0.34

0.33-0.37

1.13 1.07

碎

石0.36 0.34 1.13 1.07

卵

石

50 0.31 0.28

0.29-0.32

0.97 0.86

碎

石0.31 0.27 0.98 0.86

卵

石

60 0.27 0.23

0.28-0.31

0.85 0.72

碎

石0.28 0.23 0.86 0.71

卵

石

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。水泥浆体试验用的截锥圆模如图1。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βρ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]，列于表2。

图1

图2

当采用笔者的材料参数时，应用式（3）分别按规程和同济大学的A、B值计算C30-C60混凝土水胶比并将算得的重量水胶比换算为体积水胶比，见表2。

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。4.2 浆集比

按照Mehta和Aitcin[9]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％。

4.3 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28％－35％,松堆体积为50％－60％，砂在砂浆中体积含量为40％－50％。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。

5.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。笔者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，提出以下计算步骤和公式：

（1）配制强度

（4）

式中：f cu,0为混凝土设计强度，单位MPa，σ为混凝土强度标准差。

（2）水胶比

（5）

（3）石子用量

（6）

式中：α取0.5-0.6，为石子堆积容重,单位kg/m3。

（4）砂用量

（7）

式中：β取0.40-0.50；V m为砂浆体积，。

（5）用水量

采用（1）式，其中。

（6）胶凝材料组成与用量

,

（8）

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。

当采用笔者试验的原材料时，按照以上方法和固定砂石体积法计算强度等级C30-C60混凝土的配合比见表3。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。笔者在此计算结果的基础上进行正交设计，配制混凝土，进行了自密实高性能混凝土的力学性能研究。

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见表4。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。

6.自密实高性能混凝土配合比计算的计算机化

当前计算机的应用已经渗透到我们日常生活与工作的方方面面，计算机的应用也是混凝土研究和应用发展的一个重要方向，配合比设计这种重复和繁琐的工作非常适合计算机来做。笔者根据固定砂石体积法和改进的全计算法的原理在Excel软件中制作了自密实混凝土配合比计算模板。如图3，在该模板中的数据输入区中输入原材料参数即可自动计算混凝土配合比，可用于自密实混凝土试配和调整。当然，这还只是简单的计算机应用。在大量试验的基础上，找到各种因素对自密实高性能混凝土工作性和力学性能、长期性能的影响作用，再考虑经济性，采用计算机进行优化，就能在自密实高性能混凝土各种矛盾的性能和要求中取得平衡，达到矛盾的统一，使得以较小的花费最大程度地满足对人们混凝土性能的要求成为可能。如果结合混凝土生产过程中质量控制和分析方法，用计算机进行投料控制，实时调整混凝土的配比，就有可能实现混凝土从试验配制到搅拌生产过程计算机化，这些方面的研究和开发都大有可为。

图3

7.结语

直接将高性能混凝土配合比计算的全计算法用于计算自密实高性能混凝土时，算得的砂率和浆集比都偏低，难以满足自密实的要求。针对自密实混凝土的特点，笔者结合固定砂石体积含量计算法，改进了全计算法。在自密实混凝土的配合比计算中，改进的全计算法与固定砂石体积含量法取得了统一，并且在改进后的全计算法中仍通过用水量计算公式将浆体体积与传统的水胶比定则联系起来，混凝土配合比的参数可全部定量按公式计算，计算公式和步骤简单，公式的物理意义明确，能比较容易为工程技术人员接受。

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[18] 李志明,李继华,元汉友.粉煤灰免振捣高性能混凝土的研究应用[J].山东建筑工程学院学报,1999,(12) [作者简介]余志武（1955－），中南大学土木建筑学院教授，博士生导师，结构工程专业；潘志宏（1970－），中南大学硕士研究生，结构工程专业；谢友均（1964－），中南大学土木建筑学院教授，材料学专业；刘宝举（1970-），中南大学土木建筑学院讲师，材料学专业。

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