紧密堆积混凝土配合比设计方法研究Word格式文档下载.docx
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1.2研究背景
混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本且最重要的一个问题。
在过去一个多世纪里，混凝土配合比设计方法几经发展，形成了多种以宏观组成设计参数和力学强度为指标的设计体系。
传统的配合比设计方法是计算—试配法，其计算依据是在普通混凝土组成与性能一般规律的基础上，计算得到粗略配合比，再经试配调整得到以强度为主要指标的配合比，我国几十年来一直沿用这种方法[1]。
推荐图表法，其由地区主管部门积累大量数据，经试验、整理，将配合比的主要参数（用水量、水灰比、砂率及混凝土表观密度等）汇总列表，供技术人员选择使用，有时也列成配合比直接供人取用，一般使用前还需要再经适当试拌和调整。
数据积累法，即设计的混凝土配合比在施工后得到平均强度和施工标准差等指标，经过记录、统计，然后将实际结果（强度、标准差）与设计值（配制强度、预计标准差）比较分析，总结经验，以便下次设计修正、提高，这样经过不断实践，使配合比更加切合实际。
普通混凝土配合比设计方法通常通过合理确定水灰比、单位用水量和砂率三个基本参数，进而得出水泥、水、细集料和粗集料这四种主要组成材料的实际用量。
上述三个基本参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系。
水灰比对混凝土的强度和耐久性起着关键作用，在水灰比一定的条件下，单位用水量则反映了水泥浆与骨料之间的比例关系，单位用水量是控制拌合物流动性的主要因素；
而砂率对混凝土拌合物的和易性，特别是其中的黏聚性和保水性有很大影响。
配合比设计时，不同规程、标准和工程要求，对粗集料的最大公称粒径、岩性、针片状含量等原材料性质提出了明确要求，但是，对粗集料的级配及其结构组成的要求相对较弱。
在常见的三种级配结构中，水泥混凝土设计主要利用最大密度曲线理论计算确定连续密实级配。
最大密度曲线理论主要描述了连续级配的颗粒分布，即级配中某一矿质混合料在标准筛孔配成的套筛中进行筛析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有连续的（不间断的）性质，相邻粒径的粒料之间有一定的比例关系（按质量计），这种级配由大到小，逐级粒径均匀，并按比例互相搭配组成矿质混合料，特点是各级骨料均被次级的粒料撑开，充分密实[2]。
连续密实级配混凝土在极限荷载作用下，最易产生三种混凝土强度理论的其中一种破坏，即认为水泥石与骨料间的粘结因沿斜截面的剪应力而被破坏。
另外两种破坏理论为：
（1）正应力分布与水泥石和骨料模量之间的比例相对应，即认为应力集中在弹性模量较高的材料上，而在较弱的材料上卸荷，引起水泥石被拉断；
（2）受压时的横向膨胀导致骨料本身被拉断引起混凝土的破坏[3]。
一般认为，水泥石的强度、水泥石与骨料间的粘结力、骨料的强度构成了水泥混凝土的强度，现有水泥混凝土配合比设计方法中对前两者重视程度相对较高。
Kaplan[4]于1961年把断裂力学用于混凝土破坏分析时指出，除了水灰比、水泥标号外，粗骨料强度和级配结构对混凝土强度也有重要影响，良好的级配结构能够阻断裂缝的开展。
良好的粗集料结构不仅可以提高混凝土的强度，在荷载作用时，还可以充分发挥粗集料自身的强度；
同时，在配制强度一定时，可以节约水泥的用量，减低工程成本。
综上所述，水泥混凝土配合比设计时，若忽视粗骨料的级配所形成的结构对混凝土性能的影响，将影响着工程建设成本和工程质量。
虽然《水泥混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）[5]对原材料与混合料提出了严格技术要求，但对粗集料级配的要求相对较宽。
为此，本研究重点从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出粗集料紧密堆积结构组成，充分发挥集料的作用。
试验研究粗集料的结构组成、砂作为填充石的颗粒的比例、粉煤灰作为填充砂的颗粒比例，水泥净浆作为填充固结料等对水泥混凝土工作性与强度的影响，以技术合理、经济有效、可操作性强为原则，提出紧密堆积型水泥混凝土配合比设计方法。
研究成果可直接指导水泥混凝土设计与施工，保证工程质量，节约工程成本，有效利用有限资源，具有重要的工程现实意义。
1.3国外混凝土配合比设计方法研究概况
1.3.1国外混凝土配合比设计方法研究现状
国外混凝土配合比设计方法有ACI法（AmericanConcreteInstitute，美国混凝土协会法）、PCA法（PortlandCementAssociation，波特兰水泥协会）、BRE法（BRITISHEnviroment英国环境部的方法）以及法国的Dreux、Baron和Lesage方法等。
美国混凝土协会（ACI211）配合比设计方法，可能是目前世界上最流行的方法之一，其主要步骤：
（1）选择坍落度和集料最大粒径（MSA）
根据结构类型、尺寸、强度要求和混凝土使用环境按给定的经验表格进行选择。
（2）估计用水量和含气量
ACI方法认为用水量主要由MSA和要求的坍落度控制，而含气量取决于MSA。
因此，该方法对不同的坍落度和集料最大公称粒径所需拌和用水量及含气量的近似值以表格的形式给出，以供使用者选择。
（3）选择水灰比
根据耐久性规定的最大水灰比、抗压强度要求进行选择，见表1.1
表1.1最大水灰比
28天抗压强度/MPa
W/C
非引气混凝土
引气混凝土
45
0.38
－
40
0.42
35
0.47
0.39
30
0.54
0.45
注：
①摘自ACI211.1；
②抗压强度按照ASTMC31，以湿养护的Ф150mm×
300mm的圆柱体试验为准。
（4）计算水泥用量
由水灰比和用水量可以计算得出。
（5）估计粗骨料用量
首先以标准方法（干捣法）测得粗骨料容积随后，该值乘以表中系数，此系数取决于骨料最大粒径和砂的细度模数。
（6）计算细骨料用量
此值为拌和物单位体积与前几步骤中算得的各组分体积总和的差。
（7）调整
根据实际进行适当调整。
DMMCC是DesignMixmanualforConcreteConstruction提供的设计方法的简称，是美国几位教授于1982年编写的的混凝土配合比手册。
此手册为了提供一种便捷获得要求混凝土的方法，主要编写了270个表格，表格中的数据由LesslieD.Long等教授经35年、几千次的试验总结的配合比关系曲线转换而来的，有很高的可靠性和很广的应用性。
DMMCC法在水灰比、用水量等选择确定方面与ACI方法小异。
与其他的配合比设计方法不同的是，DMMCC配合比设计法在进行粗、细集料确定时，对混凝土进行分层次考虑，将砂浆对混凝土的影响考虑进来。
其基本的思路是将混凝土的组成分为粗集料和砂浆两个部分，由于粗集料的比表面积远远小于砂，且不同粒形和细度模数的砂比表面积差异很大，DMMCC法通过砂的空隙来反映砂的粒形和细度模数，并对不同空隙率的砂所需的水泥净浆体进行校正。
1.3.2国混凝土配合比设计方法研究现状
在我国，根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）（后面简称为《设计规程》）[6]可知，进行配合比设计时，首先要正确选定原材料品种，检验原材料质量；
然后按照混凝土技术要求进行初步计算，得到“计算配合比”；
经试验室试拌调整，“基准配合比”；
再经强度复核确定“试验室配合比”；
最后以现场原材料的实际情砂、石含水等）修正“实验室配合比”，从而得到“施工配合比”[7]。
其中，计算配合比的具体步骤如下，实验室配合比的确定如图1.1
（1）计算混凝土的配制强度；
（2）根据混凝土的配制强度及耐久性要求，按水灰比定则公式计算水灰比；
（3）根据施工要求的和易性指标（坍落度等）、粗骨料种类、最大粒径，选取单位用水量；
（4）根据计算的水灰比和选取的单位用水量，计算水泥用量，并考虑耐久性要求，按规定要求复核最小水泥用量；
（5）根据水灰比、粗骨料种类、最大粒径，选取合理砂率；
（6）利用重量法或体积法，计算砂子用量和石子用量。
图1.1普通混凝土实验室配合比确定流程
普通混凝土配合比设计方法是以经验为基础的半定量设计方法，水灰比、单位用水量和砂率三个参数中，只有水灰比按计算确定，而计算公式中有的参数也是由回归分析所得，其它两参数均需查表选择。
这些表格是人们长期以来生产普通混凝土的实践经验的总结，在一定程度上反映了普通混凝土配合比的一般规律。
在《设计规程》中，用来确定单位用水量和砂率值的表格的控制因素是碎卵石的最大粒径、坍落度和水灰比，其中的坍落度和水灰比的围难以满足大流动性和低水灰比混凝土的要求，也没有充分考虑高效减水剂和矿物掺合料对混凝土工作性的调节作用。
我国现行《公路水泥混凝土路面施工技术规》[8]中，道路混凝土配合比设计是以抗折强度为主要设计指标；
再根据鲍罗米（Bolomy）公式R=Af（C/W-B）（C/W为水灰比）的修正公式计算所需的水灰比；
然后选择砂率，计算单位用水量；
最后根据表观密度或绝对体积法确定相应的配合比[9]。
综上所述，我国配合比设计参数主要考虑了水灰比、砂率、用水量；
而对粗集料最大公称粒径、粒径、砂的粗细等其他因素则给定一个取值围，粗细集料级配的围认为符合要求即可。
而以ACI为代表的设计方法考虑的参数有水灰比、用水量、骨料最大粒径、单位体积混凝土中粗骨料在干燥捣实的状态下所占的体积、砂的细度模数、粗骨料捣实容重等。
这两种国外具有代表性的设计方法均未对粗集料的结构组成提出明确相关要求，在选定粗集料组成时，技术人员通常根据规推荐的粗集料围，按最论密度曲线确定粗集料级配，级配结构多为悬浮密实型，这种级配结构的混凝土在荷载作用下，容易在水泥石与集料粘结处产生破坏，而这种破坏是不可避免的，只能减少。
要减少粘结处的破坏最直接的办法是提高水泥石与集料的粘结力，而粘结力的大小与水泥标号、水泥用量、集料性质、水灰比等相关，提高水泥标号、增加水泥用量会增加工程成本，集料性质是相对不变的，改变水灰比会影响工作性等，所以要从间接方法减少水泥石与集料粘结处的破坏[10]。
根据Kaplan用断裂力学分析混凝土破坏原因可知，级配结构对混凝土强度有重要影响，良好的级配结构能够阻断裂缝的开展，提高混凝土的强度。
要减少或阻断裂缝发展的级配结构，只有让粗集料之间紧密排列、相互嵌锁，形成不规则网络形式，增大集料之间咬合力，消减应力在水泥石与集料粘结处的作用。
由此得知，开展粗集料级配结构研究，将是充分发挥粗集料自身的强度，提高混凝土强度重要的途径之一，也是节约水泥用量和降低工程成本的一个重要方面。
1.4主要研究容与技术路线
1.4.1主要研究容
本文从水泥混凝土的强度构成原理出发，借鉴体积法设计思想，提出粗集料紧密堆积结构组成和紧密堆积型混凝土理念，用振动填充试验方法，分析不同因素对粗集料紧密堆积结构组成的影响，以便于操作、实用可行为原则，提出级配组成设计方法。
通过坍落度试验，分析水灰比、砂率、填充比等对紧密堆积型混凝土工作性的影响。
对紧密堆积型混凝土的强度特性进行系统试验，分析不同参数与抗压强度的关系，得出关系表达式[11]。
综合工作性与强度特性研究成果，提出同时满足工作性与强度要求的紧密堆积型混凝土配合比设计方法。
具体研究容包括：
（1）粗集料紧密堆积级配组成研究；
（2）紧密堆积型混凝土工作性研究；
（3）紧密堆积型混凝土强度特性研究；
（4）紧密堆积型水泥混凝土配合比设计方法研究；
1.4.2技术路线
混凝土可看成由固液两相组成的四层体系。
可见,混凝土需要的组成材料颗粒从小到大依次为：
胶凝材料、砂、石。
水
胶凝材料
胶凝浆体
砂
砂浆
石子
混凝土
本课题实验分八大块，具体实验流程图如图1.2
1.集料的紧密密度试验
粉煤灰掺入砂的紧密密度实验；
5~20mm石子掺入20~31.5mm石子的紧密密度实验；
粉煤灰与砂的最佳掺配混合物掺入粗集料的最佳掺配混合物的紧密密度实验；
2.采用紧密堆积型混凝土配合比设计方法设计混凝土配合比；
3.配制紧密堆积型混凝土实验；
4.紧密堆积型混凝土工作性和强度实验；
5.采用普通混凝土配合比设计方法设计混凝土配合比；
6.配制普通混凝土实验；
7.普通混凝土工作性能和强度实验；
8.将普通混凝土和紧密堆积混凝土进行综合比较，并得出结论；
低水泥用量的混凝土配合比
混凝土配合比设计实验
紧密堆积混凝土配合比计算
粉煤灰与砂的最佳掺配混合物掺入石子的
最佳掺配混合物的紧密密度实验
粉煤灰掺入砂的紧密密度实验
选择掺量较好的一组
5~20mm石子掺入20~31.5mm石子的紧密密度实验
图1.2本实验的具体流程
第二章普通混凝土、紧密堆积混凝土
2.1普通混凝土配合比设计
2.1.1普通水泥混凝土（ordinarycementconcrete）
普通水泥混凝土是以通用水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为原材料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养护而得到的复合材料。
现代水泥混凝土中，为了调节和改善其工艺性能和力学性能，还加入各种化学外加剂（AimiXture）和磨细矿质掺合料（Additive）。
普通水泥混凝土具有原料丰富，便于施工和浇筑成各种形状的构件，硬化后性能优越、耐久性好，节约能源，成本低廉等优点。
所以普通混凝土广泛应用于工民建、道路与桥梁、矿山井巷等建筑工程中。
2.1.2普通水泥混凝土的组成设计
1.初步配合比的计算
（1）确定混凝土的配制强ƒcu.o
混凝土配制强度（ƒcu.o）应根据:
①设计要求的混凝土强度等级;
②施工单位质量管
理水平，按一下式确定。
ƒcu.o=ƒcu.k+1.645σ
式中:
ƒcu.o——混凝土的施工配制强（MPa）
ƒcu.k——混凝土立方体抗压强度标准值（即设计要求的混凝土强度等级）（MPa）
σ——由施工单位质量管理水平确定的混凝土强度标准差（MPa）
混凝土强度标准差宜根据同类混凝土统计资料计算确定，并符合下列规定:
（1）计算时，强度试件组数不少于25组;
（2）当混凝土强度等级为C20和C25级，其强度标准差计算值小于2.5MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于2.5MPa;
当混凝土强度等级等于或大于C30级，其强度标准差计算值小于3.0MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于3.0MPa。
（3）当无统计资料计算混凝土强度标准差时，其值按下表2.1的规定选用。
表2.1混凝土强度标准差σ值表
强度等级（Mpa）
低于C20
C20–C35
高于C35
标准值σ（Mpa）
4.0
5.0
6.0
（2）计算水灰比（W/C）
1）按混凝土要求强度等级计算水灰比和水泥实际强度
根据己确定的混凝土配制强度ƒcu.o，由下式计算水灰比:
ƒcu.o=Aƒce（C/W-B）
ƒcu.o—混凝土的配制强（MPa）
A，B—混凝土强度回归系数，根据根据使用的水泥和粗、细集料经过试验得出灰水比与混凝土强度关系式确定，若无上述试验统计资料时，可采用下表2.2数值;
表2.2混凝土强度回归系数
系数
品种
碎石
卵石
A
0.46
0.48
B
0.07
0.33
C/W—混凝土所要求的水灰比
ƒce—水泥28d抗压强度实测值（MP）a
ƒce=Y。
.ƒce.k
其中:
ƒce.k—水泥强度等级值（MP）a;
Y。
—水泥强度等级值的富余系数。
该值可按各地区实际统计资料确定。
通常取1.00一1.13。
2）按耐久性校核水灰比，如下表2.3
表2.3普通混凝土的最大水灰比和最小水泥用量（JGJ55一2000）
环境
条件
结构物
最大水灰比
最小水泥用量（㎏/m³
）
素混凝土
钢筋混凝土
预应力混凝土
1.干燥条件
正常的居住或办公房屋部件
不作规定
0.65
0.60
200
260
300
2.潮湿环境
无冻害
高湿度的室部件室外部件在非侵蚀性土壤和（或）水中的部件
0.70
225
280
有冻害
经受冻害的室外部件在非侵蚀性土和（或）水中且经受冻害的部件
0.55
250
3.有冻害和除冰剂的潮湿环境
经受冻害和除冰剂作用的室和室外部件
0.5
注:
1、当用活性掺合料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最小水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量。
2、配制C15级及其以下等级的混凝土，可不受本表限制。
（3）选定单位用水量（mw。
根据粗集料的品种、粒径及施工要求的混凝土拌和物稠度值（坍落度或维勃稠度），选择每立方米混凝土拌和物的用水量。
如下表2.4
表2.4混凝土的用水量选用表（kg/m3）
项目
指标
卵石最大粒径（mm）
碎石最大粒径（mm）
10
20
31.5
16
坍落度（mm）
10～30
35～50
55～70
75～90
190
210
215
170
180
195
160
185
150
175
220
230
205
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