基于石子填充法的多組分混凝土配合比的設(shè)計(jì)

張勇

廣東華路交通科技有限公司 廣東廣州 510550

摘要：隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展，配合比設(shè)計(jì)方法也經(jīng)歷著變革，現(xiàn)行的以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)半定量的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代多組分混凝土的配合比設(shè)計(jì)要求。本文在分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論和混凝土體積組成石子填充模型，并由此提出來(lái)多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)的新思路，將混凝土中影響強(qiáng)度的因素進(jìn)行量化計(jì)算。

關(guān)鍵詞：多組分混凝土；強(qiáng)度理論；配合比設(shè)計(jì)；石子填充模型

前言

混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，混凝土由傳統(tǒng)的水泥、砂、石、水為主要組成，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨?、石、水泥、礦渣粉、粉煤灰、硅灰、水、外加劑等多組分組成。現(xiàn)階段混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）進(jìn)行，主要設(shè)計(jì)要求包括[1]：1）混凝土和易性良好，便于施工；2）混凝土強(qiáng)度滿足要求，耐久性好；3）在滿足上述兩項(xiàng)的要求下，選用最經(jīng)濟(jì)的材料組合。

本文在分析了現(xiàn)行普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論和混凝土體積組成石子填充模型，并由此提出了多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)新思路，為現(xiàn)代多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)提供借鑒。

1、現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

現(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法即《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011），主要有以下5個(gè)主要步驟[1]：1）由設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定試配強(qiáng)度；2）通過(guò)計(jì)算查表確定配合比設(shè)計(jì)中的基本參數(shù)（最大水膠比、最小水泥用量、單位用水量、砂率等）：3）計(jì)算配合比：由試配強(qiáng)度求出相應(yīng)的水膠比；查表選取單位用水量，并計(jì)算出單位水泥用量；查表選取砂率，計(jì)算砂石的單位用量，并提出試配配合比；4）試配，調(diào)整和易性，校核強(qiáng)度、密度，確定混凝土配合比；5）特殊要求混凝土配比設(shè)計(jì)：對(duì)泵送混凝土、大體積混凝土以及有抗?jié)B、抗凍要求的混凝土等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）中的大量參數(shù)主要靠查表選取，屬于以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計(jì)方法 [2]。這種基于經(jīng)驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)變量較少、考慮性能單一（主要滿足強(qiáng)度及工作性的要求），難以配制出組分復(fù)雜、高耐久性及其他具有特殊性能的混凝土。同時(shí)，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)十分困難，很難做到在滿足施工和易性、強(qiáng)度和耐久性要求下，采用最經(jīng)濟(jì)的材料組合[3]。

2、現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論和石子填充模型

硬化混凝土是一系列復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，其強(qiáng)度由粗骨料和硬化漿體兩部分提供。通常情況下要求粗骨料的強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的1.5倍，故混凝土強(qiáng)度主要取決于硬化漿體。硬化漿體強(qiáng)度由水泥水化形成的C-S-H凝膠、礦物摻合料的二次水化形成的凝膠以及微集料填充三部分組成。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其硬化漿體強(qiáng)度主要由水泥水泥水化形成的C-S-H凝膠和低活性的摻合料填充組成，強(qiáng)度主要取決于水泥。對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其硬化漿體強(qiáng)度主要由水泥水化形成的C-S-H凝膠，高活性的礦渣粉二次水化形成的凝膠，填充于孔隙中的超細(xì)摻合料等組成。因此在低強(qiáng)度等級(jí)范圍內(nèi)混凝土的強(qiáng)度主要與水泥強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)；在高強(qiáng)度等級(jí)范圍內(nèi)，由于粘結(jié)強(qiáng)度較大，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度主要與水泥強(qiáng)度、超細(xì)礦物摻和料密切相關(guān)，尤其是超細(xì)摻和料（礦粉，硅粉等）的微粉超疊加效應(yīng)表現(xiàn)的十分明顯 [4]。

現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論在吸取Powers的膠空比理論、A.A.Griffith脆性材料斷裂理論和晶體材料導(dǎo)出的的材料強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上，認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度與水泥石的理論強(qiáng)度、膠結(jié)材料的填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率、硬化砂漿的密實(shí)度成正比例[5]，并構(gòu)建了現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算公式。是混凝土對(duì)應(yīng)的硬化漿體的理論強(qiáng)度，它主要反映了膠凝材料的活性和水化形成的強(qiáng)度；u是膠凝材料的填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，主要反映了膠凝材料的微集料填充效應(yīng)，可依據(jù)摻合料的種類(lèi)、數(shù)量的不同計(jì)算它們對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響；m是硬化漿體的密實(shí)度，它主要反映了膠凝材料水化和混凝土拌合物的工作性的調(diào)整以及外加劑的使用造成密實(shí)度的變化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

硬化混凝土由粗集料和硬化砂漿兩部分組成，在混凝土拌合過(guò)程中，可以認(rèn)為粗集料作為砂漿的填充料，在強(qiáng)力振搗下均勻的填入具有一定強(qiáng)度等級(jí)的砂漿形成混凝土拌合物。當(dāng)粗集料的壓碎值較小時(shí)，粗集料的強(qiáng)度高于混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故認(rèn)為石子的填入只占了體積，不影響混凝土的強(qiáng)度，則混凝土的強(qiáng)度取決于硬化水泥砂漿的強(qiáng)度、膠凝材料填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率和硬化砂漿密實(shí)度。砂漿中砂子做六方緊密堆積，粒徑較小的膠凝材料完全填充于砂子堆積的空隙中形成砂漿，石子均勻填入砂漿中形成混凝土拌合物，硬化砂漿體積由膠凝材料體積、拌合用水體積和砂子體積組成，這種混凝土體積組成模型稱(chēng)為石子填充模型[6]。

3、基于現(xiàn)代強(qiáng)度理論和石子填充模型的混凝土配合比設(shè)計(jì)

在多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)中，配合比設(shè)計(jì)以使用純水泥的基準(zhǔn)混凝土為計(jì)算基礎(chǔ)，根據(jù)水泥的強(qiáng)度、需水量和表觀密度求出提供1MPa強(qiáng)度所需要的水泥用量，以此計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土所需水泥用量；其次根據(jù)摻合料的活性系數(shù)和填充系數(shù)用等活性替換和等填充替換求出各膠凝材料的用量及合理的分配比例；根據(jù)膠凝材料正好填充砂子的堆積空隙為依據(jù)，確定砂子用量，再根據(jù)混凝土體積組成石子填充模型（XS法）確定石子用量；最后根據(jù)膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，調(diào)整混凝土工作性的用水量，砂石表面潤(rùn)濕所需的用水量，計(jì)算出混凝土總的用水量。

3.1配制強(qiáng)度的確定

多組分混凝土的配制強(qiáng)度按現(xiàn)行規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）確定。

3.2水泥漿理論強(qiáng)度的計(jì)算

水泥強(qiáng)度的檢驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)膠砂試驗(yàn)的方法，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的水泥膠砂試件破型試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)砂并沒(méi)有破壞，硬化水泥漿體被壓力破壞。我們認(rèn)為水泥水化形成的理論強(qiáng)度等于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的水泥標(biāo)準(zhǔn)膠砂強(qiáng)度R28除以水泥在標(biāo)準(zhǔn)膠砂中體積VC0?？赏ㄟ^(guò)以下公式求得：

（3.2.1）

式中：C0——標(biāo)準(zhǔn)膠砂中水泥的用量；

S0——標(biāo)準(zhǔn)膠砂中標(biāo)準(zhǔn)砂的用量；

W0——標(biāo)準(zhǔn)膠砂中水的用量；

——水泥的密度；

——標(biāo)準(zhǔn)砂的密度；

——水的密度；

（3.2.2）

式中：R28——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)膠砂28天抗壓強(qiáng)度；

——標(biāo)準(zhǔn)膠砂中水泥的體積比；

3.3水泥基準(zhǔn)用量的確定

水泥加水?dāng)嚢韬筮_(dá)到充分反應(yīng)水化形成漿體的合理水膠比為標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)應(yīng)的水膠比，這一水膠比對(duì)應(yīng)的水有兩個(gè)作用：1）保證水泥充分水化；2）保證水泥顆粒達(dá)到充分水化所需的勻質(zhì)性。水膠比過(guò)大，硬化后會(huì)留下孔隙，水膠比過(guò)小，達(dá)不到顆粒充分的勻質(zhì)性，因此最好控制在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)應(yīng)的水膠比。

依據(jù)石子填充模型，當(dāng)混凝土中水泥漿體體積達(dá)到100%時(shí)，混凝土強(qiáng)度等于水泥的理論強(qiáng)度值，即R=，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿的表觀密度可以通過(guò)一下公式求出：

（3.3.1）

式中：——標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿的表觀密度

——水泥的密度；

——水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

提供1MPa強(qiáng)度對(duì)應(yīng)水泥用量由下式計(jì)算：

（3.3.2）

配制強(qiáng)度為的混凝土基準(zhǔn)水泥用量為C0

（3.3.3）

3.4摻合料用量的確定

在多組分混凝土設(shè)計(jì)中，保持摻合料反應(yīng)活性和填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率折算后與未摻摻合料的純水泥相等，摻合料可由下式求得：

（3.4.1）

（3.4.2）

式中：C/、F、K、Si——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的用量

、、、——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的活性系數(shù)

、、、——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的填充填充系數(shù)

3.5 用水量的確定

混凝土總的用水量大致可以分為三部分：1）膠凝材料完全水化用水；2）調(diào)整混凝土拌合物工作性的用水量；3）粗細(xì)骨料達(dá)到飽和面干所需的潤(rùn)濕水。

3.5.1膠凝材料完全水化用水W1

1）試驗(yàn)法

在已知水泥、粉煤灰、礦粉和硅粉的比例后，按已知比例復(fù)合膠凝材料，采用測(cè)定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的方法求得復(fù)合膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量W0，在此水膠比下，求得膠凝材料完全水化所需水量W1.

2）計(jì)算法

計(jì)算出水泥、粉煤灰、礦粉和硅粉的準(zhǔn)確用量后，按照膠凝材料的需水量系數(shù)通過(guò)加權(quán)求和計(jì)算得到膠凝材料完全水化所需水量W1.

（3.5.1）

3.5.2調(diào)整混凝土拌合物工作性的用水量W2

依據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)指南，每增加1mm坍落度所需水量為0.5kg，則用于調(diào)整混凝土工作性的用水量為0.5Tkg。

3.5.3粗細(xì)骨料達(dá)到飽和面干所需的潤(rùn)濕水W3

對(duì)于干燥的粗細(xì)骨料，在混凝土拌合過(guò)程中其表面在物理吸附作用下吸水達(dá)到飽和面干狀態(tài)，且這部分潤(rùn)濕水并不影響骨料的體積變化，即。這部分水的用量等于粗粒骨料各自的用量乘于達(dá)到飽和面干時(shí)各自的吸水率。

3.5.4摻入外加劑后總的用水量W

當(dāng)摻外加劑時(shí)，外加劑的分散作用釋放了水泥顆粒團(tuán)聚包裹的水，改善了混凝土的工作性，同時(shí)膠凝材料由于未來(lái)得及完全水化，膠凝材料完全水化用水也起到改善混凝土拌合物流動(dòng)性的作用，但骨料潤(rùn)濕所需的用水量并不受外加劑摻入的影響，故摻入外加劑后實(shí)際用水量：

（3.5.2）

3.6細(xì)集料用量S的確定

在砂子用量計(jì)算時(shí)，我們采用膠凝材料完全填充砂子空隙，同時(shí)砂子達(dá)到飽和面干的潤(rùn)濕水既不改變體積也不影響砂子的堆積狀態(tài)，因此砂子用量通過(guò)砂子緊密堆積空隙率p求得：

（3.6.1）

3.7粗集料用量G的確定

由于粗細(xì)骨料達(dá)到飽和面干狀態(tài)所需要的潤(rùn)濕水W2只起到潤(rùn)濕作用，并不影響混凝土的體積，故石子的體積，則石子用量

4.結(jié)語(yǔ)

由上可知，基于現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度理論和石子填充模型的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，能夠得出混凝土配合比設(shè)計(jì)中水泥、摻合料、細(xì)集料、粗集料、拌合用水量等組成材料的準(zhǔn)確計(jì)算公式；構(gòu)建了水泥強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系；實(shí)現(xiàn)了多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)和強(qiáng)度的科學(xué)定量計(jì)算，利于混凝土生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制；同時(shí)利于混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足施工和易性、強(qiáng)度和耐久性要求下，采用最經(jīng)濟(jì)的材料組合，提高了混凝土企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本控制。

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4.優(yōu)化后的措施為保溫蓄熱法

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，采用麻袋+雙層薄膜+棉被（不少于150mm厚）的覆蓋蓄熱保溫措施。當(dāng)混凝土表面抹平之后，混凝土初凝之后，馬上在其表面覆蓋保溫材料。為使混凝土表面不直接暴露在大氣中，覆蓋材料前，用噴霧器灑水。另混凝土澆筑完成且初凝后，將電梯井蓄滿水進(jìn)行保溫?，F(xiàn)測(cè)得混凝土內(nèi)表溫差在15至18度之間，保溫效果顯著。

5.溫控效果

（一）里表溫差是指砼內(nèi)部溫度峰值與砼表層50～100mm以下位置的溫度差值。

（二）大氣溫差是指砼表層50～100mm以下位置的溫度砼與覆蓋層內(nèi)的溫度差值。

五、橋梁工程承臺(tái)大體積混凝土溫度影響分析

由于混凝土是由水泥、砂石等材料組成的非勻質(zhì)材料，雖然具有較高的抗壓強(qiáng)度及良好的耐久性，但在施工結(jié)束投入使用過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂。特別是對(duì)于大體積混凝土，由于混凝土結(jié)構(gòu)尺寸較大，表面系數(shù)小，在水化熱的作用下，產(chǎn)生了大量的熱量，大體積混凝土表面結(jié)構(gòu)的熱量可以迅速散失，但是內(nèi)部由于熱傳導(dǎo)不良，水泥水化所釋放的水化熱難以散發(fā)，在內(nèi)部蓄積起來(lái)，致使混凝土“內(nèi)熱外冷”，形成較大的內(nèi)外溫差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成較為復(fù)雜的膨脹或收縮應(yīng)力，當(dāng)砼的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗由該溫度引起的應(yīng)力時(shí)，便開(kāi)始產(chǎn)生溫度裂縫，這時(shí)就會(huì)造成混凝土表面開(kāi)裂的發(fā)生。因此，為了避免承臺(tái)大體積混凝土施工出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，必須做好大體積混凝土溫度的影響分析。

六、承臺(tái)大體積混凝土施工溫度控制措施

對(duì)于天氣環(huán)境惡劣和晝夜溫差大的地區(qū)，要根據(jù)溫度和混凝土的情況對(duì)保溫措施作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證溫差的變化在控制的范圍之內(nèi)。

1.選擇適宜的溫度環(huán)境進(jìn)行大體積混凝土澆筑施工

盡可能避免混凝土長(zhǎng)距離的運(yùn)輸和泵送，并避免在較高的溫度下施工。盡可能的選擇環(huán)境溫度相對(duì)較低的晚上或者是早晨進(jìn)行，以降低大體積混凝土的澆筑溫度。

2.在承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)部埋設(shè)循環(huán)冷卻水管

為降低混凝土的內(nèi)外溫差，可通過(guò)在承臺(tái)構(gòu)件內(nèi)部預(yù)埋冷卻循環(huán)水管的方式帶走混凝土內(nèi)部水化熱，從而降低內(nèi)部熱量的聚集。循環(huán)冷卻水管一般選用薄壁鐵管，采取回形布置的方式，按照水平管間距 100 cm，垂直間距 60 cm 左右進(jìn)行循環(huán)冷卻水管的布置。一般情況下，在循環(huán)冷卻水管上覆蓋一層混凝土之后就應(yīng)該通水降溫，通過(guò)這種連續(xù)供水的方式，降低大體積混凝土內(nèi)部的溫度。

3.做好大體積混凝土溫度的監(jiān)控

在承臺(tái)大體積混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)在混凝土內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器對(duì)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)以及內(nèi)外溫差進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于大體積混凝土的溫度監(jiān)控一般是在混凝土澆筑施工作業(yè)之后的升溫階段以及溫度峰值持續(xù)階段，間隔 1—2 小時(shí)測(cè)溫一次。利用溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)控，并綜合采取調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水管水流速度等措施，對(duì)大體積混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)行控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差趨于穩(wěn)定后即可停止測(cè)溫。

七、結(jié)束語(yǔ)

在橋梁承臺(tái)施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照工程施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行作業(yè)管理，同時(shí)采取優(yōu)化混凝土配比、使用外摻劑、布置循環(huán)冷卻管等輔助措施，避免溫度裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而提高大體積混凝土工程的整體施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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