浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法

浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法余志武潘志宏谢友均刘宝举（中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075）摘要：与普通混凝土相比，自密实混凝土配合比计算涉及的因素多，除了要满足强度要求外，对工作性更有很高的要求,因此，自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别。自密实混凝土至今没有形成统一的设计计算方法。本文对常用的自密实高性能混凝土配合比计算方法作了简单介绍，在对自密实高性能混凝土配合比计算参数如水胶比、浆集比、粗细骨料体积等方面作了一些探讨的基础上，结合固定砂石体积计算法，对全计算法进行了改进。改进后的计算方法更能符合自密实高性能混凝土的特点并且计算简单，使用方便，该方法对自密实混凝土的配制和应用推广有一定的意义。关键词：高性能混凝土；自密实混凝土；配合比计算；配合比设计中图分类号：文献标示码：ACOMMENTSONMIXCALCULATIONMETHODOFSELFCOMPACTINGHIGHPERFORMANCECONCRETEYuZhiwuPanZhihongXieYoujunLiuBaoju(CivilandArchitectureCollege,CentralSouthUniversity)Abstract:Comparingwithmixcalculationofordinaryconcrete,mixcalculationofself-compactingconcrete(SCC)dealswithmorefactors.Notonlythedemandofstrengthshouldbemet,butalsotherequirementsforworkabilityshouldbemetwell,soSCCisdifferentfromordinaryconcrete.Uptonow,thereisnouniformmixmethodofSCC.Inthispaper,mixcalculationmethodincommonuseisintroducedconcisely.Basedondiscussionsofmixdesignparameterssuchaswaterbinderratio,pasteaggregateratio,andvolumecontentoffineandcoarseaggregation,andreferredtothefixedvolumecontentofaggregatemethod,themodifiedoverallcalculationmethodispresented.ItcanwellsatisfythedemandsofthetraitofSCC,andtheapplicationofthemethodissimpleandconvenient.ThemethodproposedinthispaperisbeneficialtothepopularizationofSCC.Keywords:highperformanceconcrete,selfcompactingconcrete,mixcalculation,mixdesign1.引言自密实高性能混凝土是在低水胶比下具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣靠自重流平并充满模型和包裹钢筋的新型高技术混凝土，采用这种技术能生产出均匀质量的优良混凝土。自密实高性能混凝土最主要的性能是在自重作用下无需振捣，自行填充模板空间，可用于难以浇筑甚至无法浇筑的结构。自密实形成的混凝土结构具有良好的力学性能和耐久性能。自密实高性能混凝土由于免振，可节省劳动力和电力，提高施工效率，免除振捣所产生的噪音给环境造成的危害，且能解决传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密列难以振捣等问题，可保证钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，并能大量利用工业废料做掺合料，降低混凝土的水化热，提高耐久性，具有显著的技术、经济和社会效益。众所周知，配制混凝土首先要确定混凝土配合比。目前混凝土配合比设计的方法一般都是先计算，再试验调整，因此，配合比计算是确定自密实高性能混凝土配合比的第一个环节。自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别，至今没有形成统一的设计计算方法。在任何情况下都能通用的混凝土配合比是不存在的，但针对自密实高性能混凝土特点和规律的配合比计算方法应该是能够找到的，探讨自密实高性能混凝土配合比计算方法对自密实混凝土的研究和应用有着重要的意义。2.国内外对自密实高性能混凝土配合比设计的研究1993年，最早提出自密实高性能混凝土的日本东京大学冈村甫教授(HajimeOkamura)介绍了自密实高性能混凝土的配合比设计方法[1]，他的主要观点如下：首先对浆体和砂浆进行试验以检测超塑化剂、水泥、细骨料和火山灰质掺合料之间的相容性，然后进行自密实高性能混凝土的配合比试验。这种方法的优点是避免了重复进行同样的混凝土质量控制试验，节省了时间和劳动力。这种方法的缺点是：1）在自密实高性能混凝土配合比设计之前，要对砂浆和浆体进行质量控制，而许多混凝土预拌厂商并没有做这些试验所需的设备。2）配合比设计方法和过程对于实际应用过于复杂。冈村甫教授还提出了简单的自密实高性能混凝土配合比例[2]：1）粗骨料的用量固定为固体体积的50％。2）细骨料的用量固定为砂浆体积的40%。3）体积水灰比取决于水泥的性质，假定为0.9到1.0。4）超塑化剂的用量和最终的水灰比根据确保混凝土自密实能力的需要来决定。这些可作为自密实高性能混凝土配合比的校核原则。另外，JRMCA提出了冈村甫方法的简化版本－―自密实高性能混凝土标准化配比设计方法[3]，该方法可用于大掺量细粉掺和料和水胶比小于0.30的场合。日本预拌混凝土联合会提出固定砂石体积含量的方法计算高流动自填充混凝土配合比[4]。法国路桥实验中心(LCPC)开发了基于BTRHEOM流变仪和RENELCPC软件的自密实高性能混凝土配合比设计方法[5]，但不购买软件，该方法很难为他人使用。瑞典水泥和混凝土研究院（CBI）基于堵塞体积率和钢筋净距与粒径粒度比率之间的关系提出了自密实高性能混凝土的配合比设计方法[6]，因为仅采用粗骨料和浆体拌合的混凝土很容易导致严重的离析，使用该方法怎样进行评价性试验还不是很清楚。自密实高性能混凝土的独特优点，近年来引起了国内研究者的兴趣。国内的一些研究机构和高等院校对自密实高性能混凝土的材料和结构性能进行了研究，取得了可喜的成绩。国内外研究者们按照预定的目标，根据试验、经验和一定的数学方法提出了一些配合比，这些配比比较零散，而且研究者一般只对配合比的设计提出一些原则而较少对配合比的由来加以介绍。由于原材料和配制工艺以及工作性评价方法的差异，人们得到的配合比数据差异较大，进行试验验证时复演性差。台湾有人根据最大密度理论和富余浆体理论提出了密实拌合物计算法则[7]，但是该方法和混凝土拌合物通过钢筋的能力或抵抗离析的能力之间的关系还未见报道。从大陆自密实高性能混凝土研究的文献上看，自密实混凝土配合比计算方法一般有两类：直接引用高性能混凝土配合比计算的一些方法和固定砂石体积含量的计算方法。下文将对采用高性能混凝土配合比计算的一种方法—全计算法和固定砂石体积含量法计算自密实高性能混凝土配合比进行简单的介绍和计算对比。3.固定砂石体积含量计算法和全计算法简介3.1固定砂石体积含量计算法固定砂石体积含量计算法是根据高流动自密实混凝土流动性及抗离析性和配合比因素之间的平衡关系，在试验研究的基础上得到的一种能较好适应高流动自密实混凝土的特点和要求的配合比计算方法。这种方法日本预拌混凝土联合会[4]和吴中伟院士[8]都作过介绍。固定砂石体积含量计算法的计算步骤如下：（1）设定每立方米混凝土中石子的松堆体积为0.5-0.55m3，得到石子用量和砂浆含量。（2）设定砂浆中砂体积含量为0.42-0.44得到砂用量和浆体含量。（3）根据水胶比和胶凝材料中的掺合料比例计算得到用水量和胶凝材料总量。最后由胶凝材料总量计算出水泥和掺合料各自的用量。3.2全计算法[10]全计算法设计原理为：由假定的混凝土体积模型经过数学推导，得出HPC单方用水量和砂率的计算公式，再结合传统的水灰比定则，即可全面定量地得出混凝土中各组分的用量，这样便实现了自密实高性能混凝土配合比设计从半定量走向全定量的全计算。全计算法中混凝土配制强度和水胶比的计算与普通混凝土相同，经体积模型推导得出的用水量公式与砂率公式如下：用水量公式:（1）式中：Ve、Va分别为浆体体积和空气体积，单位m3；ρc、ρf分别为水泥比重和粉煤灰比重，单位kg/m3；为胶水比；为掺合料（粉煤灰）体积掺量百分比。砂率公式:（2）式中：Ves为干砂浆体积,单位m3；ρs、ρg分别为砂、石表观密度，单位kg/m3。3.3固定砂石体积量法与全计算法算例比较笔者试验时采用的原材料参数为：水泥表观密度3120kg/m3，水泥实际强度46.9MPa，粉煤灰表观密度2480kg/m3，砂表观密度2727kg/m3，碎石堆积容重1430kg/m3，碎石表观密度2778kg/m3，粉煤灰体积掺量46％，采用固定砂石体积量法与全计算法计算结果见表1。4.自密实高性能混凝土配合比的主要参数4．1水胶比一般都认为低强混凝土的水胶比和抗压强度关系也适应于高性能混凝土[8,9]。混凝土配比设计规程[11]的直线公式为（3）式中：fcu,p为混凝土试配强度，fce为水泥实际强度,单位为MPa。对碎石混凝土，A取0.48，B取0.52；对卵石混凝土，A取0.50，B取0.61。同济大学[12]提出的用于高性能混凝土的水胶比公式形式与（3）式同，但A、B取值不同。对碎石混凝土A取0.304，B取-0.62；对卵石混凝土A取0.296，B取-0.71。表1混凝土强度计算方法水泥/kg砂/kg石/kg水/kg粉煤灰/kg砂率石松堆体积/m3浆体体积/m3C30固定砂石体积法302.75840.62786.50228.93205.000.520.550.41全计算法259.32903.52885.28196.08175.590.510.620.35C40固定砂石体积法338.63840.62786.50207.63229.290.520.550.41全计算法290.05853.78935.95177.84196.400.480.650.35C50固定砂石体积法364.51840.62786.50192.27246.810.520.550.41全计算法312.21817.91972.50164.69211.400.460.680.35C60固定砂石体积法386.82840.62786.50179.03261.920.520.550.41全计算法331.33786.971004.01153.34224.340.440.700.35表2混凝土强度等级按文献[11]水胶比按文献[12]水胶比吴中伟推荐值按文献[11]体积水胶比按文献[11]体积水胶比备注300.450.480.36-0.41.401.50碎石0.440.481.381.51卵石400.360.340.33-0.371.131.07碎石0.360.341.131.07卵石500.310.280.29-0.320.970.86碎石0.310.270.980.86卵石600.270.230.28-0.310.850.72碎石0.280.230.860.71卵石日本预拌混凝土联合会[4]提出的高流动自填充混凝土的配合比设计方法中，通过水泥浆试验来确定体积水胶比。体积水胶比取为试验得到的约束水比的0.85倍。水泥浆体试验用的截锥圆模如图1。试验时分别取体积水胶比1.1，1.2，1.3，1.4测得相对流动度，连成直线外插得到如图2的βρ即为约束水比。该方法立足于实际采用的材料，对不同的水泥有不同的结果，取定水胶比后，可根据实际需要通过掺合料调节混凝土强度。高性能混凝土一般需要满足耐久性的要求，水胶比要小于0.4。吴中伟院士提出了高性能混凝土水