混凝土配合比设计新法全计算法陈建奎.docx
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混凝土配合比设计新法全计算法陈建奎
混凝土配合比设计新法-全计算法
1.现代混凝土概念或理念二•配合比全计算法设计的数学模型三•砂率和用水量计算公式四•混凝土配合比设计步骤五•配合比设计工程应用实例六•结论
一.现代混凝土概念或理念
现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组成的多相聚集体,并能满足“高工作性、高早强增强和高耐久性”的基本要求。
现代混凝土应包括高性能混凝土、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。
以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法不能满足现代混凝土配合比设计的要求。
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,多掺细掺料;
(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。
肌」髙性能滉凝土
盼0-高强泯凝土FLC-S态泯凝土PUG-塑性混凝土
抗压强度(Mpi)
图1混凝土配合比组成图
2.配合比全计算法设计的数学模型
以强度为基础的传统
混混凝土配合比设计是混凝土材料科学和工程应用中最基本的问题。
配合比设计方法(即假定容重法和绝对体积法)已不能满足现代混凝土配合比设计的要求。
现
代混凝土配合比“全计算法”设计是以“工作性、强度和耐久性”为基础建立的普适数学模
型,并推导出混凝土用水量和砂率的计算公式。
进而将此二式与水胶(灰)比定则相结合就能
实现混凝土配合比和组成的全计算,故称谓全计算法。
全计算法的创建和推广应用几近十年,受到广泛的关注,取得良好的技术经济效益。
近期在总结混凝土工程应用实践的基础上编制了“现代混凝土配合比全计算法设计软件”(国家版权局计算机软件著作权登记号
2005SR00529)。
这样使“全计算法”更加实用化、科学化和智能化。
全计算法不仅适用于所有现代混凝土的配合比设计和计算,而且能检验和验证其它配合比的正确性。
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+bxi+cx2+fx3+gx4+hx5+ix6+jx7⑴
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+Vs⑷
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)pX1000(4—2)
式中:
p-石子空隙率,取决于石子堆积方式、颗粒形状和级配。
h-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60MpaHPC时,Ve=350、Vs+Vg=650、Vs:
Vg=2:
3,W=160kg/m3。
其干砂浆体积为:
Ves=1000—Vw—Vg=1000—160—390=450(1/m3)
p=0.3954,
因此Ves减小(h
h=(0.45—0.3954)/0.3854=0.138
碎石最大粒径$
(mm)
19
25
31.5
40
$2
361
635
992
1600
~2~a=$/361
1
1.73
2.73
4.43
1/a=361/$2
1
0.58
0.36
0.226
h=0.138X1/a
0.138
0.08
0.05
0.03
Ves(l/m3)
450
427
415
407
3
Ves(l/m)(取值)
450
430
420
405
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,
减小)。
表1中列举了Ves与石子最大粒径的关系。
表1Ves与石子最大粒径的关系
中砂(Mx=2.60〜2.80)
将表1中h=0.138X1/a=0.138X361/2=50/$2代入式(4-2)得到:
23
Ves=(1+50/$)pX1000(l/m)(4—3)。
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);
"石子间空隙率"是(1+h)p。
3•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=350l/m3;
FLC或其它混凝土:
Ve=305〜3351/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。
3.砂率和用水量计算公式1.砂率计算公式
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式:
(Ves_Ve十W)Ps
(1000-Ves-W)「g(Ves-VeW)匚
这是砂率计算的通式。
当PS~Pg时(即Ps=2.65,pg=2.70),上式简化为:
存)
35
30
25
20
系数
0.341
0338
1335
0331
用水量计算公式的物理
意义公式(9)、(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;
⑷引气量越大,混凝土用水量越少。
4.混凝土配合比设计步骤
1.配制强度:
fcu.p>fcu.o+1-645(T或fcu.p=fcu.o+10
2•水胶比:
1fcu.pf
B
Afce
式中:
fcu.p――混凝土配制强度(Mpa);
fee水泥实测强度(Mpa);fce=1.13xfce.o
fce.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
石子斐型
JGJ/T55-Q6
JGJ55-3000
A
B
A
B
碎石混蚤土
0.4S
0.52
0.4^
0.07
卵石$諏土
0.50
0.61
0.^
0.33
3.用水量:
V&—Va
.■0.335
K/B
式中:
对于HPC:
Ve=350l/m3对于FLC:
Ve=305〜3351/m3;
非引气混凝土:
Va=15l/m3;
引气混凝土:
Va=30〜50l/m3(含气量3%〜5%)。
4.胶凝材料用量:
C+FA=W/(W/B)=Q
FA=aQ
C=Q(1—a)
式中:
a—FA的掺量(%)
C—水泥用量(kg/m3)
FA—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)xSPG=D—W—C—F—S
式中:
Ves—干砂浆体积,取决于石子最大粒径(见表1)
(kg/m3)。
D—混凝土容重(2360〜2440kg/m3)
式中:
W、C、F、S和G—分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量
6.复合超塑化剂(CSP)掺量:
(12)
式中:
卩—浓度40%的CSP掺量(%)
Wo-坍落度7〜9cm的基准混凝土用水量,与石子最大粒径有关:
192531.5(mm)
215210205(kg/m3)
W—配制混凝土的用水量(kg/m3)
△n—坍落度从7〜9cm提到16〜24cm所需的减水率增量
△n=0.005XSlo—0.04
Slo—配制混凝土的初始坍落度16〜24cm。
7.配合比的调整和试配
5.配合比设计工程应用实例
1.恒景花园D楼工程混凝土配合比及试配试验
A.C60HPC配合比计算
20cm,
银羊42.5Mpa硅酸盐水泥、n级FA(珠电)、中砂、碎石(1cm〜3cm)、坍落度18cm现场搅拌、泵送。
(1)配制强度:
fcu.p=60+15=75(Mpa)
(2).水胶比:
W/B=1/(75/28.5+0.52)=0.32
(3).用水量:
(350—15)/(1+0.335/0.32)=164(kg/m3)
(4).胶凝材料用量:
C+FA=164/0.32=513(kg/m3)
FA=513X0.20=103(kg/m3)
C=531—103=410(kg/m3)
(5).砂率及集料用量:
SP=(420—350+164)/650X100%=36%
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%
3
SS=(2440—513—164)X0.40=705(kg/m)
3
G=1763—705=1058(kg/m3)
(6),CSP掺量:
pi-C2°^0^164-+004)X9.17^-18%
BC40FLC
(1)配制强度:
fcu.p=40+15=55(Mpa)
(2).水胶比;
1
=55/28.5+052=Q41
(3).用水量:
350-15q6p
w=1+Q333yQ4t=132(kg/m》(取1SOkgta3)
(4).胶凝材料用量:
3
C+FA=180/0.41=439(kg/m)
3
FA=493X0.23=101(kg/m3)
3
C=493—10仁338(kg/m)
UEA=493X0.10=44(kg/m)(外掺)
Ve=180+338/3.15+101/2.5+44/2.7+15=359(L)
180
叫铝94445
(5).砂率及集料用量:
掺UEA:
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%
3
S=(2400—439—44—180)X0.40=695(kg/m)
3
G=1743—695=1042(kg/m)
普通FLC:
420一343十180
sp・—X曲聃
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=41%
3
S=(2400—439—180)X0.41=730(kg/m)
3
G=1781—730=1051(kg/m)
(6),CSP掺量:
现将A和B试配结果列入表4中。
表4FLC试配结果
普烦
w
c
FA
UFA
S
G
Vi佗
SF(/4)
CSP-7
豳怜)
g
3d
7d
飞d
164
410
103
f
610
1D93
032
38
L8
1
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