混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

鄧?斌

東莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

鄧?斌

東莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比設(shè)計(jì)是配制混凝土?xí)r涉及到的最基本也是最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題。只要有混凝土原材料和設(shè)備，就能配制混凝土，但原材料的種類、性質(zhì)和用量會(huì)影響混凝土的性能、質(zhì)量與成本，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。所以，混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)原材料的種類和性質(zhì)，確定其用量，使配制好的混凝土既有一定的經(jīng)濟(jì)性，又能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和耐久性。本文主要對(duì)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一定的研究。

混凝土；配合比；設(shè)計(jì)方法；研究進(jìn)展

1、傳統(tǒng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法是計(jì)算試配法，其計(jì)算準(zhǔn)則基于逐級(jí)填充原理，即水與膠材組成水泥漿，水泥漿填充砂的空隙組成砂漿，砂漿填充石子的空隙組成混凝土，設(shè)計(jì)原則遵循假定容重法或絕對(duì)體積法。計(jì)算得到粗略配合比后，再按照所確定的材料用量，制備混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28d齡期，最后再測(cè)試試件的有關(guān)性能；試件的性能若符合要求，即采用這組配合比；若不滿足要求，進(jìn)一步調(diào)整配合比。

絕對(duì)體積法認(rèn)為混凝土材料的1m3體積等于水泥、砂、石和水四種材料的絕對(duì)體積和所含空氣體積之和。假定容重法的原理基于絕對(duì)體積法，不同的是不以各種原材料的比重為依據(jù)，而完全借助于混凝土拌成物經(jīng)振搗密實(shí)后測(cè)定的濕容重為依據(jù)。前者較繁，但適用范圍廣，理論較完整，有實(shí)用價(jià)值。后者簡(jiǎn)便易行，但要有充分的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需測(cè)定大量的混凝土濕容重。這兩種方法都是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計(jì)方法，主要以滿足強(qiáng)度和工作性能為主，配合比設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，也比較成熟。

2、基于經(jīng)驗(yàn)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

混凝土配合比設(shè)計(jì)中，大量參數(shù)靠查表選值，屬于以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計(jì)方法。隨著物理、化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等現(xiàn)代方法和先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，混凝土科學(xué)技術(shù)正走上從經(jīng)驗(yàn)到理論、從定性到定量的發(fā)展道路。

相關(guān)專家對(duì)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，提出一種全計(jì)算方法，修正了傳統(tǒng)的絕對(duì)體積法。該方法的基礎(chǔ)之一是混凝土材料組成的四項(xiàng)假定：(1)混凝土組成材料(包括固液氣三相)具有體積加和性；(2)石子的空隙率由干砂漿來(lái)填充；(3)干砂漿的空隙率由水來(lái)填充；(4)干砂漿由水泥、細(xì)摻和料、砂和空氣隙組成。要使高性能混凝土同時(shí)達(dá)到最佳工作性和強(qiáng)度，水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為35：65；水泥與細(xì)粉料的體積比應(yīng)為75：25。由此導(dǎo)出高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的一系列解析計(jì)算式。按照他們提出的全計(jì)算法，對(duì)混凝土拌合物的設(shè)計(jì)，可以由公式計(jì)算得到。這有利于推進(jìn)計(jì)算機(jī)在配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3、基于緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

早在1955年就提出了基于最大密度或緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法：將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)砂石混合后的空隙率確定最佳砂石比，然后依據(jù)絕對(duì)體積原理通過(guò)試拌法確定水泥漿富余系數(shù)，再配制混凝土。

將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，然后分別對(duì)這兩個(gè)體系進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得最佳的混凝土配合比。利用這種方法設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，首先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量，然后將細(xì)骨料和粗骨料按不同的比例混合后測(cè)定空隙率，選空隙率最小時(shí)的比例為最佳砂石比，最后根據(jù)測(cè)定的最小空隙率確定水泥漿用量，在0%～10%的范圍內(nèi)選擇幾個(gè)不同的水泥漿富余系數(shù)。然后根據(jù)計(jì)算出的幾個(gè)混凝土配合比配制混凝土，測(cè)定每組混凝土的坍落度和力學(xué)性能，選定工作性能和力學(xué)性能都滿足要求的一組混凝土的配比作為最終配合比。

針對(duì)現(xiàn)行普通混凝土的常規(guī)技術(shù)性能要求，以現(xiàn)行的混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，研究了一種基于緊密堆積理論的配合比設(shè)計(jì)方法，這種方法的關(guān)鍵是通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出混凝土強(qiáng)度與最佳砂率之間的關(guān)系及混凝土強(qiáng)度與漿骨比之間的定量關(guān)系。此方法具有系統(tǒng)化、程序化的特點(diǎn)，依據(jù)此方法配制的混凝土在經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

對(duì)混凝土的緊密堆積理論做了系統(tǒng)的研究。提出了密實(shí)度系數(shù)的概念，指出可以用粗骨料最大粒徑和集灰比來(lái)表征密實(shí)度系數(shù)，隨后又提出了基于密實(shí)度系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，并用大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種方法既具有理論研究?jī)r(jià)值，也具有一定的工程適用性。

4、基于漿骨比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

漿骨比對(duì)新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有決定性作用。漿骨比是保證混凝土力學(xué)性能的核心因素，應(yīng)使用等漿體體積法對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，以保持漿骨比不變。

利用傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的配合比，盡管通過(guò)適配調(diào)整，也不一定是最優(yōu)的，他們通過(guò)骨料試配，得到最佳漿骨比及最緊密堆積的骨料，利用現(xiàn)有規(guī)律建立了基于最佳漿骨比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。采用漿骨比法確定了C70泵送混凝土配合比，這種方法工作量小，設(shè)計(jì)周期短，對(duì)和易性和耐久性的控制優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。

5、智能化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能夠節(jié)約原材料，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益。人們將正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計(jì)中，提出了優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。

其主要步驟為：1)進(jìn)行大量的混凝土試驗(yàn)及性能測(cè)試；2)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立混凝土組成和性能之間的預(yù)測(cè)方程，將其轉(zhuǎn)化成以矩陣表達(dá)的約束方程；3)建立以混凝土成本價(jià)格為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；4)用非線性規(guī)劃的單純形法求得各組成材料用量；5)根據(jù)骨料含水量及吸水率對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于使混凝土性能滿足要求的前提下，成本最低。

總而言之，雖然混凝土配合比受很多因素的影響與制約，目前的設(shè)計(jì)方法也存在很多的不足，但不可否認(rèn)這些方法都在一定程度上促進(jìn)了混凝土科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。相信各種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法會(huì)隨著混凝土科學(xué)研究的深入而得到不斷的改進(jìn)和發(fā)展，越來(lái)越完善。

[1]侯永利，鄭剛，梁青.大流動(dòng)性再生粗集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2016，02：364-368.

[2]祝文凱，楊善順，徐仁崇，戴鵬，王偉.再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法探究[J].商品混凝土，2016，12：45-47.