自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究

郭 雯 張寧寧

近幾年來，自密實(shí)混凝土在我國逐漸得到應(yīng)用和推廣，所以我們必須花大力氣研究自密實(shí)混凝土的性能，科學(xué)的配制自密實(shí)混凝土。本文主要對(duì)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論和總結(jié)。從我國自密實(shí)混凝土研究的文獻(xiàn)上看，配合比計(jì)算方法一般有以下幾種，下面就這些方法進(jìn)行簡要的介紹和總結(jié)。

1 簡易配合比設(shè)計(jì)方法[1]

1)選定密實(shí)因數(shù)PF，計(jì)算粗、細(xì)骨料用量;2)根據(jù)混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算水泥用量;3)選定水灰比，計(jì)算水泥用水量;4)計(jì)算礦物摻合料用量;5)計(jì)算總用水量。

這種方法新穎獨(dú)特，簡單易行。砂率較大而粗骨料和膠凝材料用量較少，這有利于提高混凝土的流動(dòng)性和穿越鋼筋間隙的能力，而且節(jié)約成本。但該方法只適于配制中低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土。

2 全計(jì)算法[2]

其簡要計(jì)算步驟如下:1)確定試配強(qiáng)度;2)確定水膠比;3)計(jì)算用水量;4)計(jì)算膠凝材料用量;5)計(jì)算砂率及粗、細(xì)骨料的用量;6)確定外加劑摻量。

該方法是一種定量設(shè)計(jì)法，它推導(dǎo)出了高性能混凝土單方用水量和砂率的計(jì)算公式。采用該方法往往砂率較小而粗骨料用量較多，可以節(jié)省膠凝材料，但對(duì)拌合物的流動(dòng)性不利。

3 固定砂石體積含量方法

這種方法我國吳中偉院士和其他學(xué)者都曾做過介紹[3]，其簡要計(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 m3～0.55 m3，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。但水膠比和摻合料的用量如何確定沒做具體規(guī)定。

實(shí)際上，這也是一種基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比的方法。日本、荷蘭、法國、瑞典等國都有過類似的方法，EFNARC對(duì)此制訂了詳細(xì)的規(guī)范和指南，其中的配合比設(shè)計(jì)程序較國內(nèi)同類方法更為詳細(xì):

1)確定含氣量:一般為0.2%;有抗凍性要求時(shí)，確定更高含氣量(4%～6%);2)確定粗骨料體積:一般占總體積的28%～35%，松散體積為50%～60%;3)確定砂含量:砂的最佳體積含量為砂漿體積的40%～50%，決定于凈漿性能;4)確定凈漿的組成:凈漿的最佳組成為:水泥+粉煤灰+硅灰，可充分利用不同微粒特性，獲得最佳性能。水膠比根據(jù)強(qiáng)度、耐久性和抗?jié)B性要求決定，水膠比體積比一般介于0.8～1.0之間，最佳比例需要通過砂漿流動(dòng)度和V形漏斗試驗(yàn)來分析確定。目標(biāo)值為:流動(dòng)度達(dá)到24 cm～26 cm，漏斗流空時(shí)間達(dá)到7 s～11 s。

該方法與前述各種方法的最大區(qū)別在于，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)了按工作性要求設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土的原則。

4 改進(jìn)的全計(jì)算法[4]

1)確定自密實(shí)混凝土配制強(qiáng)度;2)確定自密實(shí)混凝土的水膠比;3)計(jì)算石子用量;4)計(jì)算砂用量;5)計(jì)算用水量;6)膠凝材料組成與用量的計(jì)算;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。

該方法中仍通過用水量計(jì)算公式將漿體體積與傳統(tǒng)的水膠比聯(lián)系起來，混凝土配合比的參數(shù)可全部定量按公式計(jì)算，計(jì)算公式和步驟簡單，公式的物理意義明確。

5 參數(shù)設(shè)計(jì)法

該方法是天津大學(xué)提出的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[1]，下面做一些簡要的介紹:

其中共涉及四個(gè)參數(shù):粗骨料系數(shù)α用于計(jì)算石子用量;砂撥開系數(shù)β用于計(jì)算砂用量;摻合料系數(shù)γ和水膠比W/B反映了漿體的組成，聯(lián)立方程可以得到各材料的具體用量。高效減水劑的用量視拌合物的工作性而定，不參與配合比計(jì)算，但其中的含水量應(yīng)在計(jì)算所得的用水量中予以扣除。

在這四個(gè)參數(shù)中，α，β分別體現(xiàn)了粗、細(xì)骨料對(duì)于混凝土性能的不同影響，它們同時(shí)還決定了砂率值、漿骨比和砂在砂漿中的體積含量，這就比單獨(dú)使用上面三個(gè)參數(shù)意義更豐富，控制作用更強(qiáng)。α，β的取值根據(jù)骨料質(zhì)量(如粒徑、顆粒形態(tài)、級(jí)配、細(xì)度模數(shù)等)和水膠比的變化而變化，這比固定砂、石體積含量法更符合實(shí)際情況。

6 四層體系設(shè)計(jì)法

這種方法由東南大學(xué)依據(jù)“最大堆積密實(shí)度理論”[5]，將自密實(shí)混凝土看成由固液兩相組成的四層體系。由圖1可以看出，自密實(shí)混凝土需要的組成材料顆粒從小到大的順序。

圖1 自密實(shí)混凝土需要的組成材料顆粒從小到大的順序

該方法擬以固定砂石體積含量的計(jì)算方法為基礎(chǔ)，采用設(shè)定單方混凝土中粗集料用量和砂漿中砂子體積含量范圍，根據(jù)“最大堆積密實(shí)度原理”，提出改進(jìn)的固定砂石體積含量理論計(jì)算法。其配合比設(shè)計(jì)步驟和公式如下:

1)配制強(qiáng)度;2)水膠比;3)計(jì)算每立方米混凝土粗骨料用量和粗骨料密實(shí)體積;4)計(jì)算每立方米混凝土砂漿密實(shí)體積、砂密實(shí)體積、膠結(jié)材料漿體密實(shí)體積;5)計(jì)算每立方米混凝土砂用量;6)計(jì)算膠凝材料的表觀密度;7)計(jì)算水和膠凝材料的密實(shí)體積;8)計(jì)算 1 m3混凝土中各材料用量(重量)。

7 骨料比表面法配合比設(shè)計(jì)步驟

該方法是浙江大學(xué)根據(jù)骨料比表面法和富余漿量理論研究[6]，確定了如下自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟:1)確定石子用量。單位石子絕對(duì)體積取0.28 m3～0.35 m3。2)測定石子、砂子的表觀密度、堆積密度并計(jì)算空隙率。計(jì)算砂率，砂的富余系數(shù)取1.20～1.25。3)計(jì)算骨料比表面積。4)計(jì)算骨料的總表面積。石子的比表面積由石子的計(jì)算比表面積乘以比表面積修正系數(shù)，石子的比表面積修正系數(shù)取1.0～1.15。5)確定自密實(shí)混凝土的配制強(qiáng)度。6)確定自密實(shí)混凝土的水膠比。7)根據(jù)石子和砂子的質(zhì)量、表觀密度、堆積密度、骨料的總表面積及自然粘附于骨料表面的水泥漿層厚度，計(jì)算漿體體積、填充體積、包裹體積。8)計(jì)算水泥漿富余系數(shù)。水泥漿富余系數(shù)建議取值范圍為1.5～1.56。9)確定膠凝材料用量。確定礦物摻合料摻量，結(jié)合水膠比，根據(jù)體積法計(jì)算可得膠凝材料用量。10)確定單位用水量。由膠凝材料用量和水膠比，可得自密實(shí)混凝土的單位用水量。11)確定高效減水劑用量。高效減水劑種類和用量根據(jù)外加劑與水泥相容性試驗(yàn)及水泥砂漿減水率試驗(yàn)確定。

該方法制作的自密實(shí)混凝土收縮性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能均較優(yōu)，并且有良好的抗?jié)B性能。該方法考慮到了骨料的性能，計(jì)算所得的配合比較合理，而且可以降低成本。

綜上所述，各種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法各有其針對(duì)性和側(cè)重點(diǎn)，配制自密實(shí)混凝土不能照搬照抄。但其中有許多設(shè)計(jì)思想值得借鑒，認(rèn)真對(duì)比各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，因此，應(yīng)用更廣泛、更合理的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法還有待進(jìn)一步探索。

[1] 吳紅娟，左金庫.自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[J].混凝土，2008(6):17-18.

[2] 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):51-52.

[3] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[4] 余志武，潘志宏，謝友均.淺談自密實(shí)高性能混凝土配合比的計(jì)算方法[J].混凝土，2004(7):48.

[5] 馬冬梅，吳文清，秦鴻根.自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的配制原理和配合比設(shè)計(jì)方法研究[J].中外公路，2008(4):25-26.

[6] 王海娜.自密實(shí)混凝土的骨料比表面法配合比設(shè)計(jì)及其基本性能研究[D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:17-25.

[7] 白震偉.自密實(shí)混凝土的研究與應(yīng)用初探[J].山西建筑，2007，33(13):165-166.