基于規(guī)范的泵送混凝土配合比選擇計(jì)算法

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（巴彥淖爾市翼智混凝土技術(shù)服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

基于規(guī)范的泵送混凝土配合比選擇計(jì)算法

張?jiān)疲瑥堃庵?/p>

（巴彥淖爾市翼智混凝土技術(shù)服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

為了探索按耐久性、工作性設(shè)計(jì)的泵送混凝土配合比，本文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，應(yīng)用“全計(jì)算法”的體積模型和關(guān)系式，通過用“膠材用量”、“漿體體積”、“干砂漿體積”代表水膠比、漿骨比、砂石比參數(shù)，建立了混凝土中石子、砂、水和膠凝材料各組份之間的聯(lián)系，提出一種基于規(guī)范的泵送混凝土配合比“選擇計(jì)算法”。該方法具有簡(jiǎn)捷、易學(xué)、適用的特點(diǎn)。試驗(yàn)表明：該方法設(shè)計(jì)的泵送混凝土配合比的耐久性、工作性指標(biāo)與期望值具有良好的一致性。

規(guī)范；混凝土配合比；膠材用量；漿體體積；干砂漿體積；選擇計(jì)算法

0 引言

混凝土配合比設(shè)計(jì)，是滿足工程設(shè)計(jì)與施工要求、保證工程質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)合理的重要前提，是混凝土原材料選擇、配合比計(jì)算、性能設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)體系中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)工程實(shí)際，在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范給出的耐久性、力學(xué)性能要求的前提下，結(jié)合對(duì)工作性、經(jīng)濟(jì)性的追求，人們可以探索適用的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

“全計(jì)算法”[2]和其它幾種基于工作性的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[1-5]都是以漿骨比為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是水膠比、砂石比參數(shù)的選擇和計(jì)算方法略有不同。用這幾種不同的方法分別進(jìn)行系列的（C15～C45）泵送混凝土試驗(yàn)，可觀察到它們的共同規(guī)律：水膠比相同、礦物摻合料摻率相同時(shí)，只要漿體體積相同，膠材用量、用水量就相同，混凝土的工作性、力學(xué)性也基本相同；隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，水膠比降低，膠材用量、石子用量及漿體體積增加，砂率相應(yīng)減小，而干砂漿體積幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此，研究膠材用量、漿體體積、干砂漿體積在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)探索以耐久性、工作性為目標(biāo)，選擇混凝土配合比的設(shè)計(jì)參數(shù)，有著重要意義。為此，本文提出一種基于 GB/T 50746－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》和 CCPA－S001－2012《結(jié)構(gòu)混凝土性能技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)用 “全計(jì)算法”體積模型和關(guān)系式，選擇膠材用量、漿體體積、干砂漿體積、礦物摻合料摻量、外加劑摻量為設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)的“選擇計(jì)算法”。

1 “選擇計(jì)算法”的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路線

“選擇計(jì)算法”的設(shè)計(jì)思路是：以 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]的設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，以GB/T 50476－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》和 CCPAS001－2012《結(jié)構(gòu)混凝土性能技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，應(yīng)用“全計(jì)算法”的體積模型和計(jì)算公式，以耐久性、力學(xué)性、工作性、經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，遵循“最小水泥用量、最小膠凝材料用量和最小漿骨比”原則，用“膠材用量”、“漿體體積”、“干砂漿體積”作水膠比、漿骨比、砂石比的最佳參數(shù)，進(jìn)行泵送混凝土配合比的設(shè)計(jì)。

“選擇計(jì)算法”是采用“選擇－計(jì)算－試配”的技術(shù)路線，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的混凝土性能技術(shù)要求，確定泵送混凝土的原材料和配合比各參數(shù)：根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件和施工季節(jié)，依據(jù) GB/T 50746－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》確定膠凝材料的組成，依據(jù) JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]規(guī)定，按最小水泥用量原則，選擇“礦物摻合料摻率”；根據(jù)膠凝材料及砂石料的品質(zhì)， 依據(jù)GB/T 50746－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按最小膠凝材料用量原則，選擇“膠材用量”；依據(jù) CCPAS001－2012《結(jié)構(gòu)混凝土性能技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，按最小漿骨比原則，選擇“漿體體積”；依據(jù)砂石料質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，按“全計(jì)算法”的數(shù)據(jù)表，選擇“干砂漿體積”；依據(jù)外加劑飽和摻量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇“外加劑摻量”；將配合比參數(shù)的初選值代入關(guān)系式，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行簡(jiǎn)單“計(jì)算”，使各種材料用量具體化后得到“計(jì)算配合比”；對(duì)計(jì)算配合比進(jìn)行和易性“試配”，提出“試拌配合比”；在試拌配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行混凝土強(qiáng)度和耐久性試驗(yàn)，并進(jìn)行表觀密度的檢測(cè)與校正，確定“設(shè)計(jì)（試驗(yàn)室）配合比”。

2 “選擇計(jì)算法”的設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)計(jì)算配合比是整個(gè)混凝土配合比設(shè)計(jì)的重要一步。配合比設(shè)計(jì)計(jì)算，是在掌握資料（原材料性能參數(shù)、基礎(chǔ)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)理論、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)等選取一些參數(shù)，計(jì)算各種成份的用量。以下是“選擇計(jì)算法”設(shè)計(jì)計(jì)算配合比的具體步驟。

2.1 礦物摻合料摻量的選擇

根據(jù)具體工程的技術(shù)要求，依據(jù) GB/T 50746－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄 B.1 確定膠凝材料的組成，按 JGJ55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中表 3.0.5-1規(guī)定，選擇鋼筋混凝土中礦物摻合料摻量，并結(jié)合自己實(shí)測(cè)多元復(fù)合膠砂強(qiáng)度數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表 3.0.5-1 鋼筋混凝土中礦物摻合料最大摻量

2.2 膠材用量的選擇

根據(jù)具體工程的技術(shù)要求，按 GB/T 50746－2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》 附錄 B.1.1“單位體積混凝土的膠凝材料用量宜控制在表 B.1.1 規(guī)定的范圍內(nèi)”，選擇膠凝材料的最大用量作為初選膠材用量，然后依次減少 20kg，取 3 個(gè)膠材用量進(jìn)行配合比的計(jì)算。

2.3 漿體體積的選擇

依據(jù) CCPA－S001－2012《結(jié)構(gòu)混凝土性能技術(shù)規(guī)范》[8]中 6.2 條“對(duì)于泵送混凝土，不同等級(jí)混凝土最大漿骨比可按表 3 選擇”的原則，初步選擇漿體體積，結(jié)合自己實(shí)測(cè)砂石混合空隙率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表 B.1.1 單位體積混凝土的膠凝材料用量

表 3 不同等級(jí)混凝土最大漿骨比和用水量

2.4 干砂漿體積的選擇

根據(jù)石子最大粒徑，按“全計(jì)算法”的數(shù)據(jù)表 4，進(jìn)行初步選擇，結(jié)合自己實(shí)測(cè)砂石空隙率、級(jí)配和細(xì)度模數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表 4 石子最大粒徑與 Ves的關(guān)系

2.5 外加劑摻量的選擇

根據(jù)同配合比砂漿外加劑飽和摻量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇外加劑摻量。初步選擇的外加劑摻量應(yīng)低于飽和摻量0.1%～0.2%。

2.6 各種材料用量的計(jì)算

“全計(jì)算法”創(chuàng)建的現(xiàn)代混凝土體積模型是：混凝土由水泥、礦物細(xì)摻料、砂、石、空氣、水和外加劑等組份構(gòu)成，在單位體積中：石子間的空隙由干砂漿填充，干砂漿中的空隙由水填充。其中：干砂漿由水泥、礦物細(xì)摻料、空氣和砂子組成，在一定體系中，干砂漿體積是常數(shù)；漿體體積由水、水泥、礦物細(xì)摻料和空氣體積組成；集料體積等于混凝土體積減去漿體體積。下列 (1)～(4) 式為“全計(jì)算法”體積模型的關(guān)系式。

用式 (1)～(4) 和外加劑用量計(jì)算公式 (5) 解聯(lián)立方程，可以得出“選擇計(jì)算法”計(jì)算混凝土各組份用量的計(jì)算式(6)～(12)。將初選參數(shù)值和各組分的表觀密度值，代入計(jì)算式 (6)～(12)，便可計(jì)算出混凝土各組分用量。

設(shè)計(jì)用水量：

其中：

Vw、 Vc、Vf、Va、Vs、Vg——分別表示水、水泥、粉煤灰、空氣、砂、石體積，不加引氣劑時(shí)，空氣體積按 Va＝10L/m3計(jì)算。

ρw、ρc、ρf、ρs、ρg——分別表示水、水泥、粉煤灰、砂、石的表觀密度。水的表觀密度按 ρw＝1kg/L 計(jì)算，砂、石的表觀密度為飽和面干狀態(tài)下的表觀密度。

mw、mc、mf、ms、mg、my——分別表示水、水泥、粉煤灰、砂、石、外加劑的用量。

W、Py—分別表示設(shè)計(jì)用水量、液體外加劑含固率。

3 “選擇計(jì)算法”的設(shè)計(jì)示例

以下以設(shè)計(jì) C45 大流動(dòng)性泵送混凝土配合比為示例，介紹“選擇計(jì)算法”的具體應(yīng)用。

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算配合比

3.1.1 配合比參數(shù)值的選擇

按以上 2.1～2.5，初步選擇 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土配合比參數(shù)值：漿體體積 Ve＝320L/m3，膠材用量 B ＝450kg/m3，干砂漿體積 Ves＝425L/m3，粉煤灰摻率 βf＝25%，外加劑摻率βy＝2.9%。試驗(yàn)材料中：P·O42.5 水泥，表觀密度為 ρc＝3.1kg/L；Ⅰ 級(jí)粉煤灰，表觀密度為ρf＝2.2kg/L；細(xì)度模數(shù) 2.75 的中砂，飽和面干表觀密度為 ρs＝2.67kg/L； 5～31.5mm 碎石，飽和面干表觀密度為 ρg＝2.70kg/L；減水率 20% 萘系外加劑，含固率為Py＝40% 。

3.1.2 各種材料用量及水膠比和砂率的計(jì)算

將配合比參數(shù)值和各種材料的表觀密度值代入 (6)～(12)式，求出 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土的計(jì)算配合比的各種材料用量及水膠比（W/B）、砂率（βs）如下：

水泥用量：mc＝B×(1－βf)＝450×(1－25%)＝338kg/m3

粉煤灰用量：mf＝B ×βf＝450×25% ＝112kg/m3

設(shè)計(jì)用水量：W＝Vw×ρw＝(Ve－mc/ρc－mf/ρf－Va)×ρw＝(320―338/3.1－112/2.2－10)×1 ＝150kg/m3

砂用量：ms＝Vs×ρs＝(Ves－Ve＋Vw)×ρs＝（425－320＋150)×2.67＝681kg/m3

石用量：mg＝Vg×ρg＝(1000－Vw－Ves)×ρg

＝(1000－150－681/2.67)×2.7＝1148kg/m3

外加劑用量：my＝B×βy＝425×2.9%＝13.1kg/m3

實(shí)際用水量：mw＝W―my(1―Py)＝150－13.1×(1－40%)＝142kg/m3

水膠比：W/B＝150/450＝0.33

砂率：βs＝ms/(ms＋mg)＝681/(681＋1148) ＝37.2%

將計(jì)算結(jié)果列表，見表 5。

3.2 提出試拌配合比

對(duì)計(jì)算配合進(jìn)行和易性試驗(yàn)，通過調(diào)整外加劑摻量，使混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到目標(biāo)值，就可提出試拌配合比。示例 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土試拌配合比見表 6。

表 5 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土的計(jì)算配合比 kg/m3

表 6 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土試拌配合比 kg/m3

3.3 確定設(shè)計(jì)（試驗(yàn)室）配合比

以試拌配合比為基準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度、耐久性試驗(yàn)，并測(cè)定混凝土的表觀密度。強(qiáng)度試驗(yàn)方案的配合比與試拌配合比的漿體體積、干砂漿體積、礦物摻合料摻率相同，膠材用量依次減少 20kg/m3，外加劑摻量根據(jù)同配合比砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，具體試驗(yàn)方案見表 7 。

表 7 C45 大流動(dòng)性泵送混凝土配合比強(qiáng)度試驗(yàn)方案 kg/m3

試驗(yàn)方案中每個(gè)配合比的水膠比都小于 0.4，用水量都小于 170kg/m3，符合規(guī)范中耐久性指標(biāo)要求；由于試驗(yàn)方案的漿體體積、干砂漿體積、粉煤灰摻量不變，只需對(duì)外加劑摻量作適當(dāng)調(diào)整，就可滿足工作性基本相同的要求；由此可見，“選擇計(jì)算法”設(shè)計(jì)的泵送混凝土配合比試驗(yàn)方案的耐久性、工作性指標(biāo)，與期望值具有良好的一致性。試驗(yàn)方案中膠材用量依次減少 20kg/m3后，用水量依次增加了7kg/m3；水膠比依次增加了 0.04、0.03，砂率依次增加了1%，這也符合傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)中砂率隨水膠比變化的規(guī)律。

依據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立“膠材組合—膠材用量（或水膠比）—混凝土抗壓強(qiáng)度”數(shù)據(jù)圖標(biāo)，在數(shù)據(jù)圖標(biāo)上找出配制強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的膠材用量（或水膠比），重新計(jì)算各種材料用量和校正混凝土表觀密度，便可確定設(shè)計(jì)（或試驗(yàn)室）配合比。

4 結(jié)語

（1）“選擇計(jì)算法”用“膠材用量”、“漿體體積”、“干砂漿體積”代表水膠比、漿骨比、砂石比參數(shù)進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì)，改變按強(qiáng)度設(shè)計(jì)混凝土配合比的傳統(tǒng)為按耐久性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了探索。試驗(yàn)證明，該方法設(shè)計(jì)的混凝土配合比，其耐久性、工作性指標(biāo)與期望值具有良好的一致性，通過調(diào)整膠材組成和用量就可以使力學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化。

（2）“選擇計(jì)算法”的技術(shù)基礎(chǔ)是基于現(xiàn)行規(guī)范和“全計(jì)算法”，簡(jiǎn)捷、易學(xué)且適用。因原材料具有地方特色且又不能預(yù)均化，使用該設(shè)計(jì)方法時(shí)，必須檢測(cè)原材料的性能參數(shù)。參考膠砂實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值調(diào)整礦物摻合料摻量，參考實(shí)測(cè)砂石混合空隙率調(diào)整漿體體積，參考實(shí)測(cè)石子空隙率調(diào)整干砂漿體積，可減少試配次數(shù)，提高設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確率。

（3）“選擇計(jì)算法”進(jìn)行泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，各參數(shù)取值范圍有規(guī)范和“全計(jì)算法”可依據(jù)。通過對(duì)文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，不難得出其它流變類型中漿體體積、干砂漿體積的合理取值區(qū)間，用“選擇計(jì)算法”設(shè)計(jì)其它流變類型的混凝土配合比也是可行的。對(duì)前人的研究成果進(jìn)行綜合加工，形成一套新的方法，也是一種有益的探索。

[1] 吳中偉．混凝土配合比簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)法[J]．土木工程學(xué)報(bào)，1955，2(4)：383-397．

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[4] 韓小華．基于工作性的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[D]．清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010．

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[7] GB/T 50746－2008．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]．

[8] CCPA—S001－2012．結(jié)構(gòu)混凝土性能技術(shù)規(guī)范 [S]．

[9] JGJ 55－2011．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程 [S]．

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Choosing calculation method of pumping concrete mix based on specification

Zhang Yun, Zhang Yizhi
(Bayannao'er wing intellectual Concrete Services Co., Ltd., Bayannaoer 015000)

To explore durability, workability of pumping concrete mix design, based on existing standards, "full calculation" volume models and correlations, by using "plastic material amount", "slurry volume", "dry mortar volume "represents the water-cement ratio, plasma bone ratio, sand ratio parameters, established contacts concrete coarse aggregate, fine aggregate, water, and between each component cementitious materials, proposed a specification-based pumping concrete mix "Select calculation method." The method has simple, easy to learn and suitable characteristics. It showed that the method of pumping concrete mix design durability, workability index is good agreement with the expected value.

pecification; concrete mix; rubber material usage; slurry volume; dry mortar volume; choosing calculation method

張?jiān)疲?982—），男，工程師，從事預(yù)拌混凝土檢測(cè)試驗(yàn)工作。