高性能混凝土配合比设计实践方案

高性能混凝土配合比设计实践方案传统混凝土配合比设计方法（如绝对体积法和假定容重法）是以强度为基础的半定量计算方法，不能全面满足现代混凝土的性能要求。

现代混凝土配合比全计算设计方法是以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型，通过严格的数学推导得到混凝土的用水量和砂率的计算公式，并且将此二式与水灰（胶）比定则相结合能计算出混凝土各组份（包括：水泥、细掺料、砂、石、含气量，用水量和超塑化剂掺量等）之间的定量关系和用量。

这项研究成果是混凝土配合比上一次大的改进。

由于模型的普遍适用性，全计算法不仅用于高性能混凝土的配比设计，而目还能用于流态混凝土、高强混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、商品混凝土以及防渗抗裂混凝土等现代混凝土的配合比设计。

关键词：配合比、全计算法、高性能混凝土。

一、高性能混凝土的配合比设计依据
高性能混凝土（简称HPC）是一种具有良好体积稳定性、高耐久性、高强度和高工作性能的混凝土,它是在大幅度提高常规混凝土性能基础上采用现代商品
混凝土技术，选用优质原材料，包括水泥、水、粗细集料以及矿物掺合料和高效外加剂配制而成的新型商品混凝土，具有高质量和高耐久性。

随着高强高性能混凝土在国内的广泛应用，以强度为设计指标的传统混凝土配合比设计方法已不能满足，高强高性能混凝土配合比设计的要求。

国内高性能混凝土配合比方法为全计算设计方法(简称全计算法)，国外称为Mehta.Aitcin高性能混凝土配合比设计方法(简称MehtasAitcin法)。

实践表明C80高强高性能混凝土的配合比设计符合以强度、工作性、耐久性为设计指标的混凝土配合比全计算法和Mehta、Aitcin法的要求。

二、高性能混凝上配合比设计思路及原则
高性能混凝土(HPC)与高强混凝土(HSC)最显著的差别是混凝土配合比综合考虑工作性、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，细掺料多掺；
(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。

因此，HPC的配合比设计比HSC更为严格合理。

二、两种体积模型计算配合比的差异及计算
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+bxι+cx2+fx3+βχ4+hx5+iχ6+jχ7(1)
图3普迂体积祖关模型
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+Va
Ve›Vw.Vc>Va^VS和Vg分别为水泥浆、水、水泥、空气、砂和石子的体
⅞R(l∕m3)0
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已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)
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、干砂浆体积VeS的确定
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)pXlOOO (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。

当采用最大粒径19mm的碎石配制60MpaHPCn、j,Vc=350、Vs+Vg=650、Vs：Vg=2:3,
W=160kg∕m3o
其干砂浆体积为：
Ves=IoOO-Vw-Vg=100O-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
中砂(MX=2.60-2.80)
将表1中h=0.138Xl∕a=0.138X36)∕φJ50∕<P代入式(4—2)得至!|：
Ves=(l÷50∕Φ2)p×1000(l∕m3) (4-3)0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)o3、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=3501/温；
FLC或其它混凝土：Ve=305〜335"m3。

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。

三、砂率，用水量计算公式
L 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
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:
归 ___________ Ve-Va _________
1+
(l-x)Pc÷×P f +B)
此式⑼为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。

式中Pc=3.15、
P L 2.51分别为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。

当x=0、即不掺细掺料时：
v
,Ve-Va 1+Q i 3Π1T
W/B
式中：W/B —水胶比。

当x=25%、即水泥与细掺料的体积比为75：25时:
式(9)中系数1∕[(1一x)P C +XP J 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0.335O
式:
SP =
(Ves-VeA-W) p s
(WOO-Ves-W) p f , +(Ves-Ve^-W)-p s
× 100%
这是砂率计算的通式。

当PSgPg 时(即P s=2. 65, P g=2. 70),上式简化为:
sp
,Ves-Ve+W
IOOO-Ve XL00%
砂率计算公式的物理意义此式(7)表明, (1)随着用水量增加而增大；
(7)
混凝土的砂率: (2)随着石子最大粒径的增大(或Ves 减小)而减小； (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. 60-2. 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)/(IOOO-Ve) ÷0. 075× (Mχ-2. 80) ]× 100%
2.用水量计算公式
fcu. p=Afce (-η^-B)
(8)
(10)
W=
Ve-Va
0.335 (11)
W/B
用水量计算公式的物理意义 式⑼、(10)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。

四、全计算法混凝土配合比设计步骤
1 .配制强度：
fcu.p ⅛fcu.O+1-645O 或fcu.p=fcu.o+10
2 .水胶比：w
∕r =-γ-^——
/Bfcu.p ιβ
Afce
式中：f cu ..,——混凝土配制强度(MPa);
墨 --- 水泥实测强度(MPa);fce=l.13×fce.o
fee.o ——水泥强度等级(MPa); W/B ——水胶比；
A 、
B ——回归系数(见表3)
表3A 、B 的取值
3.式中：对于HPC ：Ve=350l∕m3
对于FLC ：Ve=305-3351/m3； 非引气混凝±:Va=15l∕ι113;
引气混凝土:Va=30-501∕⅛3(含气量3%~5%)。

W= I 0.335 T
W/B
4.胶凝材料用量：
C+FA=W∕(W∕B)=Q
FA=αQ
C=Q(l-a)
式中：a-FA的掺量(%)
C—水泥用量(kg∕m3)
FA一矿物细掺料(如粉煤灰)用量(kg∕m3)
5.砂率及集料用量：
S=(D-W-C-F)XSP
G=D ----- C-F-S
W
式中：Ves一干砂浆体积，取决于石子最大粒径(见表1)
D一混凝土容重(2360~2440kg∕m3)
式中：W、C、F、S和G一分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量(kg∕m3)0
6.配合比的调整和试配
五、配合比设计实践
C80高性能泵送混凝土配合比设计
1、原材料的要求
1.1采用普通硅酸盐4
2.5R或硅酸盐52.5水泥。

1.2粉煤灰
采用I级粉煤灰，其性能指标见表2。

1.3矿渣
采用S75级矿渣粉，其性能指标见表3o
1.4外加剂
采用上海路加化工有限公司生产的新型高性能泵送剂(VF—5),其性能指标见表4o
1.5细骨料
采用人工砂，细度模数为2.8,II区砂。

2.6粗骨料
采用碎石，粒径为5~20mmO
2技术指标要求：
2.1强度：C80
2.2抗冻：F200(冻融环境F300)
2.3抗渗：P20以上
2.4 流动度：符合泵送要求
3. 556d 电通量小于IoOoC (氯盐环境小于800C)
3设计注意的几点要求
(1)基于控制水化热和收缩的抗裂要求以及耐久性要求，选择胶凝材料主要应注意以下几
点：
①水泥
强度等级应在42.5及以上；应限制使用早强型水泥；应控制碱含量≤0.6%；应控制熟料中的C3A 含量≤8%;应控制比表面积≤350m2∕kg 0
②粉煤灰
控制烧失量≤3%;控制需水量比100%；对于硫酸盐侵蚀环境，应限制粉煤灰CaO 含量
W10%。

③磨细矿粉
控制比表面积350-450m2/kg 。

(2)基于强度和耐久性要求，选择骨料应注意以下几点：
①粗骨料
母岩强度应达90MPa 以上；级配合理，粒形好，紧密空隙率宜≤40%,松堆密度大于
1500kg∕m3,压碎值≤10%,针片状W5除硬质、洁净碎石；控制吸水率≤2%,处于冻融环境应≤1%;非碱活性。

②细骨料
细度模数宜为2.6~3.0,含泥量W 2%,吸水率≤2%,硬质、洁净天然河砂；非碱活性。

(3)基于抗裂、耐久性、强度、施工性能要求，选择外加剂应注意：
外加剂与胶凝材料的相容性要好，减水率宜为25%以上，并适度引气，适度缓凝。

4.设计用硅酸盐52.5水泥 (D .配制强度: (2) .水胶比：
(3) .用水量:
350-30
(引气3%)
fcu. p=fcu. o+10=90 (Mpa)
w
½ = --!——=1/ [90/ (0. 48×1. 13X52.5) +0. 52] =0. 27 /B feu.p ι b
Afce
W/B
(4) .胶凝材料用量：C÷FA=W∕(W∕B)=143∕0.27=530(kg∕m3)
FA=530X0.20=106(kg∕m3) C=530-106=424(kg∕m3)
由于矿渣粉的用量为胶凝材料用量的25%,硅粉用量为胶凝材料总量的5%,所以计算得出： 硅酸盐水泥(PC)=530-133-27=370kg∕m3
(BFS)=0.25×530=133kg∕m3 硅粉(CSF)=0.05×530=27kg∕m3
(5) .砂率及集料用量：
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%S=(D-W-C-F)XSP=(2440-143-530)×0.40=707(kg∕m 3
)G=(D-W-C-F-S)=2440-143-530-707=1060(kg∕m 3
)
故：PC:BFS:CSF:W:G:S=370：133:27：143:1060：707
水胶比W∕B=O.27
(6) .配合比的调整与试配
六、结论
1.混凝土配合比全计算法设计是建立在普适“体积相关模型”的基础上，并且通过严格的数学推导得到用水量和砂率的计算公式。

将此二式与水胶比定则相结合实现了混凝土配合比和组成的全计算，解密了混凝土各组分之间的定量关系。

2.实践表明全计算法设计适用于高性能混凝土、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所有的现代混凝土。

并且可用于其它方法设计的配合比的检验和验证。

3与传统混凝土配合比设计方法相比，全计算法设计更简便、快捷、精确、实用和科学。

表8混凝土配合比全计算法设计与传统方法的对比
磨细矿渣粉
450-350 + 143 I(XX) -350
× 100% = 37%。