高性能混凝土(HPC)配合比设计新法--全计算法
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（1） （2） （3）
取 925 kg / m3 ； — —取决于水泥的种类， 但可取 4 左右 . J— 强度与水灰比 m （ W） （c） 成反比的这种观点仍然是大 /m 多数配合比设计方法的基础 . 后人为简化计算， 取水胶比倒 数， 导出近似的直线公式 （c） m ［ - B］ f cu， p = A f ce （ W） m — —混凝土的配制强度； — —水泥的实测强度； 式中， f cu， f ce— p— （c） m （ D） （ W） ］ ； — —回归 — — —灰水比 ［或胶水比 m /m A， B— （ W） m 对 卵 石 混 凝 土， 系数， 对碎石混凝土， A = 0 . 48， B = 0 . 52， A = 0 . 50， B = 0 . 61 . 该式成为混凝土配合比设计中计算强度的基础
［1］ 的水灰比定则 ： 对于一定材料， 强度仅取决于一个因素， 即
水灰比 . 这一定则可以用下列公式表示：
!c =
a ［m （ w） （c） ］ /m 61 . 5
式中， — —某一定龄期的抗压强度； — —经验常数， 一般 a— !c—
Received date：1999 - 10 - 05 . （1940 ~ ） ，maIe，prOfesser . Biography：Chen Jiankui （ 1965 ~ ） ，seniOr engineer，dOctOr Correspondent： Mr . Wang DOngmin student .
. 近
到目前为止， 最 80 年来混凝土配合比设计方法也几经发展， 为常用的两种方法是绝对体积法和假定密度法 . 这两种方 法都是以经验为基础的半定量设计方法 . 本工作的特点在于建立了普遍适用的混凝土体积模型， 经数学推导得出用水量和砂率计算公式， 以此为基础建立了 混凝土全计算配合比设计新方法 .
收稿日期： 1999 - 10 - 05 . 作者简介： 陈建奎 （1940 ~ ） ， 男， 教授； ， 男， 高工， 博士生 . 通讯联系人： 王栋民 （1965 ~ ）
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（1 . 武汉工业大学北京研究生部， 北京
北京 100024； 2 . 中国建筑材料科学研究院，
100024）
prOperties are imprOved. COrrespOndingIy，HPC mix design is aIsO mOre cOmpIicated. SeveraI HPC mix design methOds have been put fOrward bOth in China and abrOad，aII Of them are semi guantitative design methOds based On experience. The vOIume mOdeI appIicabIe tO every kind Of cOncrete is first prOpOsed in the paper. On the basis Of the mOdeI， fOrmuIas fOr the water cOntent and sand ratiO in cOncrete are estabIished by scientific deductiOn. These twO fOrmuIas reveaI the intrinsic pOsitive reIatiOnship and Ob ective Iaw between the cOmpOnents Of cOncrete. These twO fOrmuIas， cOmbining with the famOus ， can determine the traditiOnaI “ water - cement ratiO Iaw ” cOntent Of every kind Of cOmpOnents in cOncrete tOtaIIy and guantitativeIy， and are incIuded in the sO - caIIed “ OveraII caIcuIatiOn mix design” . This research resuIt makes the cOncrete mix design frOm a semi guantitative design tO a tOtaIIy guantitative design based On scientific caIcuIatiOn rather than empirecaI caIcuIatiOn and is a great Ieap in the histOry Of mix design. Because Of the generaIized appIicabiIity Of the mOdeI， the design methOd is appIicabIe nOt OnIy tO HPC，but aIsO tO Ordinary cOncrete，high strength cOncrete，fIOwing cOncrete and Other cOncrete as weII. Key words： high perfOrmance cOncrete；mix design；OveraII caIcuIatiOn 混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最 重要的一个问题 . 早在 1919 年 Abrams 就发表了混凝土强度
（ 1.
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摘
简
报
高性能混凝土 （ HPC） 配合比设计新法— — —全计算法
陈建奎1 ， 王栋民2
要： 高性能混凝土 （ HPC） 是一种具有高耐久性、 高施工性能、 高
强度的 “三高” 混凝土， 被称为是 21 世纪混凝土 . 混凝土达到高性能 最重要的技术手段是使用复合超塑化剂和超细矿物质掺合料 . 与普 混凝土均匀性、 致密性提高、 性 通混凝土相比， HPC 原材料组分增加， 能改善 . 相应地， HPC 配合比设计亦更为复杂 . 国内外已经提出几 基本上都是以经验为基础的半定量设计方 种 HPC 配合比设计方法， 法 . 本文首次建立了普遍适用的混凝土体积模型， 经科学推导求得 这两个公式揭 了 HPC 混凝土用水量计算公式和砂率 S P 计算公式， 示了混凝土组成材料内在的客观规律和必然联系 . 这两个公式结合 传统的水灰 （胶） 比定则， 即可全面定量地确定混凝土各组成材料用 量， 实现 HPC 混凝土全计算配合比设计 . 这项研究成果使混凝土配 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 高强混凝土、 上一次较大的改进 . 该设计方法也适用于普通混凝土、 流态混凝土及其它混凝土 . 关键词： 高性能混凝土； 配合比设计； 全计算 中图分类号： T U 528 文献标识码： A 文章编号： （2000） 0454 - 5648 02 - 0194 - 05
［2］
式中， （ L） ； （ L） ； V e 为浆体体积 V eS 为干砂浆体积 V W 为用水 量 （ L） ； 细掺料 （如 FA） 、 空 V c， V f， V a， V S 和 V g 分别为水泥、 气、 砂子和石子的体积用量 （ L） . 由式 （3） 得： （ V c + V f + V a） V S = V eS 由式 （1） 得： Vc + Vf + Va = Ve - VW 将式 （5） 代入式 （4） V S = V eS - V e + V W 则砂子质量： S = （ V eS - V e + V W ） ・ !S 式中， 为砂的视密度 （ ） kg / L . !S 由式 （2） 得： V g = 1000 - V e - V S 将式 （6） 代入式 （7） 得 V g = 1 000 - V eS - V W 则石子质量： G = （1 000 - V eS - V W ） ・ !g （4） （5） （6） （6’ ） （7） （8） （8’ ）
具有体积加和性； （ 2）石子的空隙由干砂浆来填 气、 液 3 相） 充； （3）干砂浆的空隙由水来填充； （ 4）干砂浆由水泥、 细掺 料、 砂和空气隙所组成 . 其中干砂浆和干砂浆体积的概念以及基本观点第 （ 2） 、 （3） （ 、4） 条均为本文作者在国内外首次提出， 并由此奠定了 混凝土配合比全计算设计的技术基础 . 传统配合比设计的绝对体积法认为： 在混凝土中石子的 空隙由水泥砂浆来填充， 水泥砂浆中砂的空隙由水泥浆来填 充， 水泥的空隙由水来填充 . 美国 Mehta 和 Aitcin 教授
1
普遍适用的混凝土体积模型
我们的基本观点如下： （1）混凝土各组成材料 （包括固、
（ kg / L） 式中， . !g 为石子的视密度 S 故砂率 S P 是 X 100% S+ G （ V eS - V e + V W ） !S SP = X 100% （ V eS - V e + V W ） （1000 - V eS - V W ） !S + !g （9） 这是砂率计算的通式 . 当 !S = !g 时 （ !S = 2 . 65 kg / L， !g = ） ， 2 . 65 ~ 2 . 70 kg / L Sp = V eS - V e + V W X 100% 1 000 - V e （10）
第 28 卷第 2 期
陈建奎等： 高性能混凝土 （ HPC） 配合比设计新法— — —全计算法1 浆体体积 V e = V W + V c + V f + V a 集料体积 V S + V g = 1 000 - V e 干砂浆体积 V eS = V c + V f + V a + V S
・ 195 ・
第 28 卷第 2 期 2000年4月
硅
百度文库
酸
盐
学
报
VOI. 28， NO. 2 ApriI ， 2000
JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
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［3］
式可见， 砂率随着用水量的增加而增加。 由 （10） 在 HPC 配合比计算时， （10） 式中浆体体积 V e 和干砂浆 体积 V eS尚需具体确定 . 根据美国 Mehta 和 Aitcin 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， 其水泥浆与骨料的体积比 应为 35 1 65， 故对 HPC， 可取 V e = 350 L； 对流态混凝土 FLC， 经过 我 们 大 量 试 验 研 究 与 工 程 实 践， 认为 Ve值也以取 在对高性能混凝土 （ HPC） 较为理想 . 350 L， 干砂浆体积确定如下 . 对于一定粒径的碎石， 视密度为 !0 ， 堆密度为 !D， 石子 空隙率 （ P） 为 （11） P = 1 -! !0 根据图 1 模型的观点 （ 2） ， 石子的空隙由干砂浆来填充 .
— — NEW MIX DESIGN METHOD FOR HPC— OVERALL CALCULATION METHOD
Chen Jiankui 1 ， Wang Dong min 2 Bei ing POstgraduate SchOOI， Wuhan University Of 100024） TechnOIOgy， 100024； 2 . China BuiIding MateriaIs Academy， Bei ing Abstract： High PerfOrmance COncrete （ HPC ） is a kind Of cOncrete with high durabiIity， high strength and high wOrkabiIity，and has been named as“ 21th century cOncrete” . The mOst impOrtant technicaI means tO make cOncrete with high perfOrmance is tO use cOmpOsite superpIasticizer and super fine mineraI admixture. As tO Ordinary cOncrete， HPC uses mOre raw materiaIs as its cOmpOnents，it’ s unifOrmity and density are raised and it’ s
取 925 kg / m3 ； — —取决于水泥的种类， 但可取 4 左右 . J— 强度与水灰比 m （ W） （c） 成反比的这种观点仍然是大 /m 多数配合比设计方法的基础 . 后人为简化计算， 取水胶比倒 数， 导出近似的直线公式 （c） m ［ - B］ f cu， p = A f ce （ W） m — —混凝土的配制强度； — —水泥的实测强度； 式中， f cu， f ce— p— （c） m （ D） （ W） ］ ； — —回归 — — —灰水比 ［或胶水比 m /m A， B— （ W） m 对 卵 石 混 凝 土， 系数， 对碎石混凝土， A = 0 . 48， B = 0 . 52， A = 0 . 50， B = 0 . 61 . 该式成为混凝土配合比设计中计算强度的基础
［1］ 的水灰比定则 ： 对于一定材料， 强度仅取决于一个因素， 即
水灰比 . 这一定则可以用下列公式表示：
!c =
a ［m （ w） （c） ］ /m 61 . 5
式中， — —某一定龄期的抗压强度； — —经验常数， 一般 a— !c—
Received date：1999 - 10 - 05 . （1940 ~ ） ，maIe，prOfesser . Biography：Chen Jiankui （ 1965 ~ ） ，seniOr engineer，dOctOr Correspondent： Mr . Wang DOngmin student .
. 近
到目前为止， 最 80 年来混凝土配合比设计方法也几经发展， 为常用的两种方法是绝对体积法和假定密度法 . 这两种方 法都是以经验为基础的半定量设计方法 . 本工作的特点在于建立了普遍适用的混凝土体积模型， 经数学推导得出用水量和砂率计算公式， 以此为基础建立了 混凝土全计算配合比设计新方法 .
收稿日期： 1999 - 10 - 05 . 作者简介： 陈建奎 （1940 ~ ） ， 男， 教授； ， 男， 高工， 博士生 . 通讯联系人： 王栋民 （1965 ~ ）
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（1 . 武汉工业大学北京研究生部， 北京
北京 100024； 2 . 中国建筑材料科学研究院，
100024）
prOperties are imprOved. COrrespOndingIy，HPC mix design is aIsO mOre cOmpIicated. SeveraI HPC mix design methOds have been put fOrward bOth in China and abrOad，aII Of them are semi guantitative design methOds based On experience. The vOIume mOdeI appIicabIe tO every kind Of cOncrete is first prOpOsed in the paper. On the basis Of the mOdeI， fOrmuIas fOr the water cOntent and sand ratiO in cOncrete are estabIished by scientific deductiOn. These twO fOrmuIas reveaI the intrinsic pOsitive reIatiOnship and Ob ective Iaw between the cOmpOnents Of cOncrete. These twO fOrmuIas， cOmbining with the famOus ， can determine the traditiOnaI “ water - cement ratiO Iaw ” cOntent Of every kind Of cOmpOnents in cOncrete tOtaIIy and guantitativeIy， and are incIuded in the sO - caIIed “ OveraII caIcuIatiOn mix design” . This research resuIt makes the cOncrete mix design frOm a semi guantitative design tO a tOtaIIy guantitative design based On scientific caIcuIatiOn rather than empirecaI caIcuIatiOn and is a great Ieap in the histOry Of mix design. Because Of the generaIized appIicabiIity Of the mOdeI， the design methOd is appIicabIe nOt OnIy tO HPC，but aIsO tO Ordinary cOncrete，high strength cOncrete，fIOwing cOncrete and Other cOncrete as weII. Key words： high perfOrmance cOncrete；mix design；OveraII caIcuIatiOn 混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最 重要的一个问题 . 早在 1919 年 Abrams 就发表了混凝土强度
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摘
简
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高性能混凝土 （ HPC） 配合比设计新法— — —全计算法
陈建奎1 ， 王栋民2
要： 高性能混凝土 （ HPC） 是一种具有高耐久性、 高施工性能、 高
强度的 “三高” 混凝土， 被称为是 21 世纪混凝土 . 混凝土达到高性能 最重要的技术手段是使用复合超塑化剂和超细矿物质掺合料 . 与普 混凝土均匀性、 致密性提高、 性 通混凝土相比， HPC 原材料组分增加， 能改善 . 相应地， HPC 配合比设计亦更为复杂 . 国内外已经提出几 基本上都是以经验为基础的半定量设计方 种 HPC 配合比设计方法， 法 . 本文首次建立了普遍适用的混凝土体积模型， 经科学推导求得 这两个公式揭 了 HPC 混凝土用水量计算公式和砂率 S P 计算公式， 示了混凝土组成材料内在的客观规律和必然联系 . 这两个公式结合 传统的水灰 （胶） 比定则， 即可全面定量地确定混凝土各组成材料用 量， 实现 HPC 混凝土全计算配合比设计 . 这项研究成果使混凝土配 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 高强混凝土、 上一次较大的改进 . 该设计方法也适用于普通混凝土、 流态混凝土及其它混凝土 . 关键词： 高性能混凝土； 配合比设计； 全计算 中图分类号： T U 528 文献标识码： A 文章编号： （2000） 0454 - 5648 02 - 0194 - 05
［2］
式中， （ L） ； （ L） ； V e 为浆体体积 V eS 为干砂浆体积 V W 为用水 量 （ L） ； 细掺料 （如 FA） 、 空 V c， V f， V a， V S 和 V g 分别为水泥、 气、 砂子和石子的体积用量 （ L） . 由式 （3） 得： （ V c + V f + V a） V S = V eS 由式 （1） 得： Vc + Vf + Va = Ve - VW 将式 （5） 代入式 （4） V S = V eS - V e + V W 则砂子质量： S = （ V eS - V e + V W ） ・ !S 式中， 为砂的视密度 （ ） kg / L . !S 由式 （2） 得： V g = 1000 - V e - V S 将式 （6） 代入式 （7） 得 V g = 1 000 - V eS - V W 则石子质量： G = （1 000 - V eS - V W ） ・ !g （4） （5） （6） （6’ ） （7） （8） （8’ ）
具有体积加和性； （ 2）石子的空隙由干砂浆来填 气、 液 3 相） 充； （3）干砂浆的空隙由水来填充； （ 4）干砂浆由水泥、 细掺 料、 砂和空气隙所组成 . 其中干砂浆和干砂浆体积的概念以及基本观点第 （ 2） 、 （3） （ 、4） 条均为本文作者在国内外首次提出， 并由此奠定了 混凝土配合比全计算设计的技术基础 . 传统配合比设计的绝对体积法认为： 在混凝土中石子的 空隙由水泥砂浆来填充， 水泥砂浆中砂的空隙由水泥浆来填 充， 水泥的空隙由水来填充 . 美国 Mehta 和 Aitcin 教授
1
普遍适用的混凝土体积模型
我们的基本观点如下： （1）混凝土各组成材料 （包括固、
（ kg / L） 式中， . !g 为石子的视密度 S 故砂率 S P 是 X 100% S+ G （ V eS - V e + V W ） !S SP = X 100% （ V eS - V e + V W ） （1000 - V eS - V W ） !S + !g （9） 这是砂率计算的通式 . 当 !S = !g 时 （ !S = 2 . 65 kg / L， !g = ） ， 2 . 65 ~ 2 . 70 kg / L Sp = V eS - V e + V W X 100% 1 000 - V e （10）
第 28 卷第 2 期
陈建奎等： 高性能混凝土 （ HPC） 配合比设计新法— — —全计算法1 浆体体积 V e = V W + V c + V f + V a 集料体积 V S + V g = 1 000 - V e 干砂浆体积 V eS = V c + V f + V a + V S
・ 195 ・
第 28 卷第 2 期 2000年4月
硅
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酸
盐
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VOI. 28， NO. 2 ApriI ， 2000
JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "# """"""#
［3］
式可见， 砂率随着用水量的增加而增加。 由 （10） 在 HPC 配合比计算时， （10） 式中浆体体积 V e 和干砂浆 体积 V eS尚需具体确定 . 根据美国 Mehta 和 Aitcin 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， 其水泥浆与骨料的体积比 应为 35 1 65， 故对 HPC， 可取 V e = 350 L； 对流态混凝土 FLC， 经过 我 们 大 量 试 验 研 究 与 工 程 实 践， 认为 Ve值也以取 在对高性能混凝土 （ HPC） 较为理想 . 350 L， 干砂浆体积确定如下 . 对于一定粒径的碎石， 视密度为 !0 ， 堆密度为 !D， 石子 空隙率 （ P） 为 （11） P = 1 -! !0 根据图 1 模型的观点 （ 2） ， 石子的空隙由干砂浆来填充 .
— — NEW MIX DESIGN METHOD FOR HPC— OVERALL CALCULATION METHOD
Chen Jiankui 1 ， Wang Dong min 2 Bei ing POstgraduate SchOOI， Wuhan University Of 100024） TechnOIOgy， 100024； 2 . China BuiIding MateriaIs Academy， Bei ing Abstract： High PerfOrmance COncrete （ HPC ） is a kind Of cOncrete with high durabiIity， high strength and high wOrkabiIity，and has been named as“ 21th century cOncrete” . The mOst impOrtant technicaI means tO make cOncrete with high perfOrmance is tO use cOmpOsite superpIasticizer and super fine mineraI admixture. As tO Ordinary cOncrete， HPC uses mOre raw materiaIs as its cOmpOnents，it’ s unifOrmity and density are raised and it’ s