全计算法在高性能混凝土(HPC)配合比设计中的应用

全计算法在高性能混凝土（HPC）配合比设计中的应用

发表时间：2018-11-17T14:51:12.850Z 来源：《基层建设》2018年第29期作者：邓建伟[导读] 摘要：本文讨论了高性能混凝土（HPC）配合比设计全计算法的应用及应注意的问题陕西通宇公路研究所有限公司陕西西安摘要：本文讨论了高性能混凝土（HPC）配合比设计全计算法的应用及应注意的问题关键词：HPC 配合比设计全计算法 Ve Ves 1.工程概况

青荣城际铁路是山东省内第一条区域性城际高速铁路，也是省内投资最大的单体铁路建设项目。这条铁路位于胶东半岛，连接青岛、烟台、威海三个主要城市，是构建半岛城市群间最重要的交通基础设施和最快捷运输通道。青荣城际铁路设计起点为青岛北站，终点为荣成站，线路长度298.971公里，其中桥梁164.696公里，占正线长度的55.09%。区间内混凝土647411方，是现场施工中非常重要的组成部分，混凝土配合比的经济优化、降本增效对推动技术进步、保证工程质量、降低工程成本都起着重要作用。

2.高性能混凝土（HPC）配合比设计要点

我标段HPC配合比设计以设计图纸、国家及铁道部颁布的技术标准、规范为依据，理论基础为王栋民、陈建奎教授所研究发展的高性能混凝土（HPC）配合比设计全计算法，根据施工现场所处原材料的实际质量情况，最终选取适合现场施工的理论配合比。

2.1高性能混凝土（HPC）配合比设计的基本原则 • 满足工作性的情况下，用水量要小 • 满足强度的情况下，水泥用量少，外掺料多掺 • 材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求 • 掺加新型高性能减水剂，改善与提高混凝土的多种性能 2.2高性能混凝土（HPC）全配合比设计的技术基础 • 混凝土各组成材料（包括固、液、气三相）具有体积加和性； • 石子的空隙由干砂浆来填充； • 干砂浆的空隙由水来填充； • 干砂浆由水泥、外掺料、砂和空气隙所组成。

该模型假定混凝土总体积为 1.0m 3（1000L），由水、水泥、外掺料、空气、砂、石部分组成，对应的体积分别为 V w，V c，V f，V a，V s，V g，

浆体体积（ Ve ）=V w+ V c+V f+V a 骨料体积（Vs+Vg）=1000- Ve

干砂浆体积（Ves ）= V c+V f+V a+ Vs 3.C50高性能混凝土（HPC）配合比设计实例

根据以上研究所建立的计算公式，结合现行规范确定混凝土配合比设计步骤如下（根据相关研究的观点，要使 HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料的体积比应为 35：65，故对 HPC 可取V e= 350，混凝土设计含气量3%）：原材料水泥采用山东山水P.O42.5低碱水泥，砂采用莱西市大沽河Ⅱ区中砂，细度模数2.8；石子采用莱西李权庄二级配碎石，最大粒径20mm；外加剂采用山东建科聚羧酸高性能减水剂，经试验减水率为26%，掺量（1.0%×胶体材料用量）；各原材料经检验符合《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》要求。

3.1配制强度

根据模型观点，单位体积石子的空隙被干砂浆填满，干砂浆体积Ves即为石子的松散孔隙率，因此可以根据石子的堆积密度和表观密度计算出干砂浆体积Ves。我标段采用最大粒径20mm的连续级配碎石，经试验测得表观密度为2700，堆积密度为1520，计算出Ves=437，但以上计算中未考虑混凝土含气量大于其自然状态下含气量（约1%）的情况，例如加入引气成份。因此笔者建议Ves的取值应考虑到这部分额外含气所增加的部分，可参考以下公式：

根据试配和施工情况可以看出，C50级高性能混凝土的配合比设计和现场拌合、施工是成功的，结果是令人满意的。因此，可见配合比设计与试配结果具有非常好的相关性。

4.总结及体会

总结如上研究，由设计强度可算出配制强度，由配制强度求得水胶比和用水量，从而得到胶凝材料用量，根据外掺料的比例组分可分别求得水泥用量和外掺料用量，根据砂率和用水量的关系式求出砂率，进而得到粗细骨料用量。

4.1关于浆体体积（Ve）及干砂浆体积（Ves）

4.1.1通过我标段实际HPC配合比的试配和调整工作，发现低标号或低坍落度混凝土的Ve都有小于350L的浆体体积，但具有良好的工作性和和易性，具体数据范围见下表：

表6 青荣铁路HPC配合比参数表 1

注：C30分为墩身和灌注桩，这两个配合比无论从坍落度、容重，还是含气量方面都有较大的差别，因此数据离散较大。F---粉煤灰；K---矿粉

可以看出对于高强度的HPC由于胶材用量大，浆体体积Ve基本在350L左右，而对于C50以下标号HPC，浆体体积Ve基本处于300-330L之间。

4.1.2根据配合比全计算法理论，可根据碎石的松散堆积密度和表观密度计算出干砂浆体积Ves，但要考虑混凝土含气量大于其自然状态

下含气量（约1%）的情况，例如加入引气成份。这是混凝土配合比全计算法在实际应用中应注意的一个问题。这也是在上例子中我们假定

Ves=457的原因。

表7 石子最大粒径与Ves的关系（我标段试验数据）

在计算中也涉及到水泥浆体体积 V e 和干砂浆体积 V es 的取值问题，但这些取值都有比较成熟的研究结果和清楚的物理意义。与传统的配和比设计中大量参数经过查表取值的经验方法比较，其科学性与定量性大大提高。

4.2关于外掺料掺量问题

根据配合比全计算法理论，水泥和外掺料的体积比Vc：Vf=3：1，换算为细掺料质量掺量为21%时，满足Ve =V w+V c+V f+V a，但试验研究证明：混凝土中粉煤灰掺量超过25%时，对混凝土的性能才会有明显的改善；而另一主要矿物掺和料-磨细矿渣通常在混凝土中的最佳掺量为30%-50%。因此经过现场实际的拌和调整，我们最终确定细掺料合适的掺量范围见下表：

表8 青荣铁路HPC配合比参数表2

在用配合比全计算法进行矿物细掺料的计算时，可结合水泥的性质、外掺料的性质权衡考虑，找到质量与成本的平衡点，再结合工程上的特殊要求，确定合适掺量。

4.3关于混凝土容重的问题

在试验中发现，用配合比全计算法算出的混凝土容重普遍偏低，而且设计标号越低越明显，此外随着引气成分的加入，混凝土含气量增加，密度会随之减小，根据密度与混凝土耐久性的关系，笔者认为根据混凝土设计含气量而适当提高混凝土的容重是合适的。

在计算砂石料时我们仍可以沿用JGJ55《普通混凝土配合比设计规范》中的方法，根据砂率采用体积法计算出砂石用量，效果较好，此外因为这种方法经验成熟，也是我们采用的原因之一。

5.结束语

综上论述可得出结论：全计算法建立了普遍适用的混凝土体积模型，以此推导出用水量公式和砂率计算公式，这是全计算配合比设计的基础，以此推导计算出其他组分用量，所有配合比的材料用量皆是通过计算得出因此称为全计算法，它使得HPC配合比设计从半定量走向定量、从经验走向科学，是混凝土配合比设计上的一大进步。由于工程实际中原材料复杂多变，施工环境千差万别，工程要求不尽相同，所以高性能混凝土配合比的设计是一个非常复杂的问题，涉及到很多其他的方面，还需要不断地探索研究。

参考文献：

[1]陈建奎、王栋民《对高性能混凝土的再认识及全计算配合比设计》

[2]侯桂华、王孟军《关于高性能混凝土配合比全设计法应用的探讨》