混凝土配合比设计新法全计算法陈建奎.pdf
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1、混凝土配合比设计新法全计算法 一. 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
2、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。 图 1 混凝土配合比组成图 二. 配合比全计算法设计的数学模型 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。以强度为基础的传统 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
3、)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+bx 1+c
4、x2+fx3+gx4+hx5+ix6+jx7 (1) 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、砂和石子的体积(l/m3)。 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
5、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(l/ 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
6、系数: Ves=(1+h)p1000 (42) 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/m 3。其干砂浆体积为: Ves=1000Vw Vg=1000 160390=450(l/ m 3) p=0.3954, h= (0.450.3954)/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
7、(h 减小 )。表 1 中列举了Ves与石子最大粒径的关系。 表 1 Ves 与石子最大粒径的关系 中砂 (Mx=2.60 2.80) 将表 1 中 h=0.1381/a=0.138361/ 2=50/2 代入式 (4-2)得到: Ves=(1+50/ 2)p1000 (l/m 3) (43)。 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、
8、HSC:Ve=350l/m3; FLC 或其它混凝土:Ve=305335l/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: %100 )()1000( )( sg s WVeVesWVes WVeVes SP 碎石最大粒径 (mm) 19 25 31.5 40 2 361 635 992 1600 a= 2 /361 1 1.73 2.73 4.43 1/a=3
9、61/ 2 1 0.58 0.36 0.226 h=0.1381/a 0.138 0.08 0.05 0.03 Ves(l/m 3) 450 427 415 407 Ves(l/m 3)(取值 ) 450 430 420 405 这是砂率计算的通式。 当sg时(即 s=2.65,g=2.70),上式简化为: 砂率计算公式的物理意义此式(7)表明,混凝土的砂率: (1)随着用水量增加而增大; (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
10、。采用粗砂或特细砂时: SP=(Ves VeW)/(1000 Ve)0.075(Mx 2.80)100% 2. 用水量计算公式 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: 此式 (9)为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。式中c=3.15、f=2.51 分别 为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。 当当 x=0、即不掺细掺料时: 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/(1x)c+xf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
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