基于规程的混凝土配合比全计算及智能化设计ppt课件.ppt

基于规程的混凝土配合比全计算及智能化设计 0摘要 本文所介绍的混凝土配合比设计方法完全基于大家非常熟悉的 传统的JGJ55 2000 普通混凝土配合比设计规程 JGJ55的优点是 设计思路清晰简单 具有较强的实用性 适用性 易于理解并接受 但缺点是 配制强度 用水量和砂率等关键参数的确定 始终采用的是凭经验半定量或查表选取法 对设计者的经验技能要求较高 让初学者感到难以适用 也无法实现全计算及智能化设计 本文依据JGJ55相关规定 通过数学推导和多元非线性回归分析 得到混凝土配制强度 用水量以及砂率的准确定量计算公式 并创建了Excel设计模板 从而实现了传统混凝土配合比设计方法的全计算及智能化 该设计方法完全忠实于规程 又超越规程 简捷 直观 规范及实用 可称之为规程全计算法 1引言 混凝土配合比设计就是根据所选用原材料的性能和对混凝土的技术要求 通过计算 试配和调整等步骤 求出各项材料的组成比例 以便制得既经济又符合质量要求的混凝土 影响混凝土配合比的因素主要有两部分 一是原材料的性能二是混凝土的技术要求完整的混凝土配合比设计包括三大过程 计算 试配和调整 混凝土配合比设计应遵循如下基本原则 要使混凝土拌和物具有适应施工条件的工作性能 主要为流动性和凝结时间等要求 满足混凝土结构设计的强度要求 必要时混凝土还应满足抗冻性 抗渗性等各种使用环境下的耐久性要求 在满足技术要求的前提下 要节约使用水泥和降低工程成本 以达到经济合理效果 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 是实现混凝土性能的一个重要过程 也是保证混凝土质量的重要环节 合理的混凝土配合比设计不仅能满足结构设计和施工要求 而且也能有效地降低工程成本 因此如何准确 科学及快捷地进行混凝土配合比设计 是每一位混凝土工程技术人员所要面临的首要问题 更是我们预拌混凝土企业技术人员应掌握的核心技能 这是因为现代预拌混凝土组分较多 材料质量波动较大 混凝土性能要求多变 所以要求技术人员应根据上述变化及时 快速 科学准确地设计出混凝土配合比 对于混凝土企业而言 即使是同一等级的混凝土 其配合比也多达数十种 以适应不同的需求 因此掌握混凝土配合比设计技能 选择一个好的配合比设计方法及其软件至关重要 传统混凝土配合比设计方法的主要依据 就是现行国家行业标准JGJ55 2000 普通混凝土配合比设计规程 在此基础上先设计出基准混凝土配合比 然后再结合其它掺合料以及特种混凝土的应用技术规程的相关规定 即可进行高性能或特种混凝土的配合比设计 有关掺合料以及特种混凝土常用的标准如 JGJ28 86 粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程 GBJ146 1990 粉煤灰混凝土应用技术规范 DBJ T01 64 2002 混凝土矿物掺合料应用技术规程 GB50119 2003 混凝土外加剂应用技术规范 GB T50476 2008 混凝土结构耐久性设计规范 JGJ T178 2009 补偿收缩混凝土应用技术规程 CECS203 2006 自密实混凝土应用技术规程 等等 上述规程或规范主要规定了矿物掺合料或外加剂的使用方法 最佳或最大掺量范围 混凝土的最大水灰 胶 比 以及最小或最大水泥 胶凝材料 用量等等 满足混凝土可泵性 耐久性等性能的关键参数指标限值 如 GB T50476 2008 混凝土结构耐久性设计规范 规定 再比如对于自密实混凝土配合比的设计 CECS203 2006 自密实混凝土应用技术规程 规定 尽管如此 对于这些高性能或特种混凝土的配合比设计 其关键参数的取值 设计步骤 方法仍基于现行国家行业标准JGJ55 2000 普通混凝土配合比设计规程 只不过设计好后 要对最大水灰 胶 比 以及最小或最大水泥 胶凝材料 用量等指标进行复核 如不符合要求 应对用水量或矿物掺合料用量等参数进行调整 JGJ55设计思路清晰简单 易于理解 统一了普通混凝土配合比设计方法 突出问题在于 虽然二十多年来历经了多次修订 但对于配制强度 用水量和砂率等关键参数的确定 始终采用的是凭经验半定量或查表选取法 没能给出准确的定量计算公式 所以对设计者的技能经验要求较高 让初学者无所适从 感到难以适用 又因没有定量计算公式无法顺应潮流实现全计算和智能化设计 以及缺乏科学性而倍受非议 因此近年来很多专家学者依据自己研究得出的数学模型及理论 又重新创建了各种新的混凝土配合比设计方法 并对基准混凝土和掺合料混凝土的配合比设计进行了整合 以实现混凝土配合比设计的全计算及智能化 如 全计算法 多组分法 最佳浆骨比法 密实系数法 富裕浆体量法等等 但这些方法仍处于推广完善阶段 并非完美无缺 个别参数的取值仍基于JGJ55 特别对于初学者而言 这些方法不像JGJ55那样易于理解 掌握 本文完全基于JGJ55的有关规定建立数学模型 通过严格的数学推导和多元非线性回归分析 得到了混凝土配制强度 用水量和砂率的准确定量计算公式 再与相关规程规定的其它公式组成联立方程 同样实现了传统混凝土配合比设计方法的全计算 在此基础上又创建了Excel设计模板 得以实施配合比智能化设计 该设计方法简捷 直观 规范及实用 既完全忠于规程 又超越规程 特将该设计方法称之为规程全计算法 本论文发表在全国中文核心期刊2008年第10期 混凝土 杂志上 2混凝土配合比设计参数确定原则及基本步骤 传统混凝土配合比设计核心工作 就是要确定配制强度 水灰比 用水量 砂率等4个关键参数 后三个参数主要反映了混凝土4个组分的关系和作用 现代高性能混凝土普遍掺入矿物掺合料和高效减水剂 更多地关注混凝土的施工性 体积稳定性 经济环保性 配合比设计时强调对水胶比 浆骨比 矿物掺合料用量等参数的复核 控制 2 1配合比设计参数确定原则 配制强度 根据设计强度等级 混凝土生产质量水平 以及评定条件等因素计算 配制强度高 强度保证率高 经济性差 但如果任意降低配制强度 评定不合格的风险较大 对于同一强度等级混凝土 混凝土生产质量水平高的企业 可以在不降低强度保证率的前提下 采取较低的配制强度 以降低成本 确定原则 在满足强度保证率和评定合格的前提下 选择较小的配制强度 以满足经济性要求 最终取决于企业混凝土生产质量水平高低 水灰 胶 比 根据设计要求的混凝土强度 耐久性以及水泥 胶凝材料 强度计算 水灰 胶 比大 浆体浓度低 混凝土施工性好 但密实性差 强度低 耐久性差 确定原则为 在满足混凝土设计强度和耐久性的前提下 选用较大水灰比 较小的水胶比 以节约水泥 增加矿物掺合料用量 降低混凝土成本 提高耐久性 经济性和环保效益 单位用水量 主要根据坍落度要求和粗细骨料品种及最大粒径确定 另外还取决于减水剂的减水率 在水灰比一定的前提下 单位用水量大 混凝土坍落度大 施工性好 但水泥用量大 经济性差 耐久性差 任意加大用水量 则会引起离析 泌水 降低和易性和强度 确定原则为 在满足施工和易性的基础上 尽量选用较小的单位用水量 以节约水泥 现代混凝土则应尽可能发挥高效减水剂的作用 用较小的单位用水量获得较高的施工性 强度和耐久性 砂率 主要根据水灰 胶 比 坍落度 粗细骨料品种及最大粒径确定 砂率小 混凝土施工性差 但体积稳定性好 确定原则为 在满足和易性的基础上选择较小的砂率 以提高混凝土的抗裂性能 另外 应特别注意粗骨料级配对砂率以及混凝土经济性的影响 良好的级配可以有效降低砂率 节约胶凝材料用量 提高混凝土的施工性 体积稳定性和经济性 级配好的砂石 其空隙率小 需要填充空隙的砂和水泥用量较少 相应的水和外加剂的用量较少 配制的混凝土流动性好 强度较高 耐久性较好 经济性高 反之要增加成本 这也是当前最经济水泥用量配合比设计的技术路线 选择砂石最佳级配 据文献报道 碎石空隙率由47 减少至41 8 每方混凝土将减少水泥用量约50公斤 降低成本10余元 降低成本非常显著 而这不需要太多的额外投入 只需要对料仓 设备工艺及流程进行改造 在实际工作中 直接采购的粗骨料绝大多数是单粒级 需要大小不同骨料搭配成连续粒级使用 搭配原则为 符合级配要求 且堆积密度最大 空隙率最小 浆骨比 是指混凝土中浆体体积 水和胶凝材料体积 与粗细骨料体积的比值 属于混凝土耐久性能控制指标 并不直接用于配合比设计 对于浆骨比的控制 是针对近年来高强高性能混凝土开裂现象越来越普遍而重视起来的 水胶比一定时 浆骨比大 混凝土施工性好 但体积稳定性差 开裂风险高 确定原则 在满足施工性的前提下 取尽可能小的浆骨比 配合比设计好后如发现浆骨比不符合要求 可通过高效减水剂降低单位用水量参数而实现 在GB T50476 2008 混凝土结构耐久性设计规范 中是通过控制胶凝材料最大用量而实现对浆骨比的控制 矿物掺合料用量 取决于混凝土凝结时间 强度 耐久性要求 以及工程性质 环境和施工养护条件 矿物掺合料可以改善混凝土施工性 强度 耐久性 特别是降低成本 但如使用不当 也会造成混凝土凝结时间延长 强度偏低 碳化大等严重质量问题 因此GB T50476 2008 混凝土结构耐久性设计规范 对矿物掺合料最大用量有限制 2 2配合比设计基本步骤 依据JGJ55要求 混凝土配合比设计基本步骤如下 第一步要根据混凝土性能和评定要求 事先通过试验或数理统计分析 确定如下主要原始参数 混凝土设计强度 坍落度 强度标准差 评定允许最小值 水泥28天强度及密度 砂石细度模数 最大粒径 表观密度 矿物掺合料取代水泥量 超量系数 密度 外加剂减水率 掺量及含气量 混凝土拌合物的假定重量 重量法 第二步确定混凝土配制强度 第三步计算混凝土水灰比 第四步选取每立方米混凝土中的用水量 第五步计算每立方米混凝土中水泥用量 第六步选取混凝土砂率 第七步计算每立方米混凝土中砂石用量 第八步计算每立方米矿物掺合料用量 第九步耐久性指标复核 试配 调整 大家注意 JGJ55中第二步 第四步及第六步用的是 确定或选取 而非 计算 因此 要想实现全计算 配制强度 用水量和砂率都需要重新建立准确的计算公式 3计算公式数学模型的建立 3 1配制强度计算公式JGJ55第3 0 1条规定 配制强度应按下式计算 配制强度虽然有计算公式 但使用的是 号 而不是单一 号 并不能直接准确计算出配制强度 该公式是建立在确保fcu k的保证率不低于95 的基础上 1 645为保证率达到95 时的概率度 并且与评定方法有关 对于 大于 符号的使用条件 JGJ55第3 0 2条规定 但配制强度究竟提高多少时 既能满足经济性 又能满足fcu k的保证率不低于95 且评定合格 标准并没有给出定量确定办法 因此在实际混凝土配合比设计时 大家都习惯于简单地使用式 等于 符号确定混凝土配制强度 忽视标准规定的 大于 符号的使用条件 从而导致配制强度偏低 易造成混凝土强度评定为不合格 最常见的是强度最小值不能满足评定要求 例如 统计方法评定允许的强度最小值 依据现行国家标准GB T50107 2010 混凝土强度检验评定标准 的规定最小为0 85fcu k 对于C30混凝土当 取5MPa时 配制强度 30 1 645 5 38 2 可以算出此时fcu k的强度保证率为95 0 85fcu k 25 5 的强度保证率高达99 5 接近100 0 85fcu k强度保证率为99 5 的概率度为2 545 而采用非统计法评定 如验收批试件组数不足10组 时 那么评定允许的强度最小值为0 95fcu k 如果配制强度仍取38 2 可以算出0 95fcu k 28 5 的强度保证率降为97 4 即强度最小值不能满足评定要求的风险加大了 如果要想将0 95fcu k的强度保证率提高到99 5 那么配制强度必须提高到41 2 因此根据JGJ55相关规定可以认为 只有采用统计方法评定时 才能使用 等于 符号确定混凝土配制强度 此时能够保证fcu k的强度保证率达到95 同时也能够保证混凝土实际强度最小值基本满足统计方法评定的要求 即0 85fcu k的强度保证率接近100 否则应提高配制强度 据此以确保强度最小值满足评定要求 保证率接近100 为原则 可以将配制强度计算公式做如下变形推导 本公式首次确立了混凝土配制强度与满足强度评定要求之间的定量关系 更加实用并且科学合理 最大限度地避免了混凝土强度评定为不合格现象的发生 仍以C30混凝土为例 当 取5MPa时 比较一下在不同评定条件下 采用新旧两种不同配制强度计算方法时 强度标准值和评定允许最小值的保证率差异 3 2用水量计算公式对于水灰比在0 40 0 80范围内每立方米塑性混凝土用水量的确定 JGJ55给出如下表所示的数值选取表 表中的数据是由大量试验结果获得的 经近二十多年的应用 证明基本上符合实际 事实上试验结果是最准确的 比直接由理论公式推导出的结果更符合实际 分析这些数据可知 各变量之间关系是非线性关系 并且表中数据只是给出某一范围 需根据条件凭经验选取 无法定量分析 若所查数值不在规定范围内 就需用内插法取值 既麻烦又易使取值不精确 同时又让缺乏经验的初学者感到难以适用 为了实现准确计算 必须建立用水量与坍落度和粗骨料最大粒径之间的回归方程 将表中的用水量作为因变量 混凝土坍落度和粗骨料最大粒径作为自变量 根据粗 中 细砂和卵石 碎石的不同情况 对表中的数据进行插值处理 选用多元非线性幂函数方程 建立如下混凝土用水量计算数学模型 应用Excel软件运行多元非线性回归分析程序 可得出6种不同砂石条件下混凝土用水量回归系数如表4所示 表4中全相关系数大于0 98充分表明 用水量与坍落度和粗骨料最大粒径之间有着高度显著的非线性相关关系 求得的回归方程非常有效 利用式 5 即可准确计算出在粗 中 细砂和卵石 碎石 以及任意大小混凝土坍落度和粗骨料最大粒径情况下的混凝土用水量 对于流动性和大流动性混凝土的用水量计算 将设计坍落度直接代入式 5 得到的结果 与JGJ55规定的以坍落度90mm的用水量为基准 按坍落度每增加20mm用水量增加5Kg得到的结果基本吻合 说明式 5 同样适用于流动性和大流动性混凝土的用水量计算 所以对掺外加剂时的混凝土用水量计算公式调整如下 由于现代混凝土的坍落度大小主要通过外加剂调节 所以式 6 同样适用于水灰比小于0 40的混凝土用水量计算 这样一来 混凝土用水量就可以通过式 6 就可以准确计算出来 3 3砂率计算公式坍落度为10 60mm混凝土的砂率确定 JGJ55给出如下表所示的数值选取表 采用与建立混凝土用水量计算数学模型相同的办法 将表中的砂率作为因变量 混凝土水灰比和粗骨料最大粒径作为自变量 同样根据粗 中 细砂和卵石 碎石的不同情况 对表中的数据进行插值处理 建立如下混凝土砂率计算数学模型 应用Excel软件运行多元非线性回归分析程序 同样可得出6种不同砂石条件下混凝土砂率回归系数如表6所示 利用式 7 即可准确计算出在粗 中 细砂和卵石 碎石 以及任意大小混凝土水灰比和粗骨料最大粒径情况下的混凝土砂率 对于坍落度大于60mm混凝土的砂率计算 根据JGJ55的有关规定 式 7 可调整为 即坍落度按每增加20mm 砂率增加1 的幅度予以调整 从上述推导过程中可以看出 混凝土配制强度 用水量和砂率的数学模型及其计算公式的建立 是完全基于JGJ55的有关规定而推导出来的 将上面推导出的计算公式 4 8 与相关规程规定的其它公式组成联立方程 可依此精确计算出每立方米混凝土中各组分用量和相互比例 使得规程规定的混凝土配合比设计方法也实现了全计算 故将该设计方法称之为基于规程的混凝土配合比全计算法 简称规程全计算法 4规程全计算法设计方法及步骤举例 以最常用的泵送粉煤灰混凝土的配合比设计为例 详细介绍规程全计算法设计方法及步骤如下 第一步 确定原始参数假设 设计强度等级C30 坍落度180mm 强度标准差5MPa 非统计法评定 允许最小值28 5MPa 水泥胶砂28天强度46MPa 密度3000Kg m3 中砂 表观密度2650Kg m3 碎石最大粒径31 5mm 表观密度2680Kg m3 粉煤灰取代水泥量15 超量系数1 5 密度2200Kg m3 外加剂减水率18 掺量1 5 含气量1 第二步 计算混凝土配制强度fcu o 28 5 1 645 0 15 30 5 5 41 2 第三步 计算混凝土水灰比W C 0 46 46 41 2 0 46 0 07 46 0 495 之所以这样建议 是因为水泥强度也是波动的 并且符合正态分布 根据鲍罗米公式可知水泥强度与混凝土强度为线性关系 假设当42 5级水泥28天强度为48MPa 对应C50混凝土28天强度为55MPa 当水泥强度下降10 时 为43 2MPa 仍合格 混凝土强度也将下降10 为49 5MPa 已经不合格了 所以水泥强度建议取保证率为95 的强度值 第四步 计算掺外加剂时每立方米混凝土中的用水量mwa 199 688 1800 138 31 5 0 178 1 18 181 第五步 计算每立方米基准混凝土中的水泥用量mco 181 0 495 366 第六步 计算基准混凝土砂率 s 62 539 0 4950 453 31 5 0 091 180 60 20 39 第七步 计算每立方米基准混凝土中的砂石用量JGJ55中计算砂石用量有两种方法 重量法和体积法 重量法基本原理为 当混凝土所用原材料固定且密度稳定时 混凝土的表观密度接近某一定值 即mcp 混凝土的总重量等于各组成材料重量之和 体积法基本原理为 1m3混凝土的总体积等于各项原材料体积和其中所含的空气体积之总和 用重量法设计得到的结果 混凝土体积易产生较大偏差 但计算比较简单 体积法设计得到的结果 混凝土体积较精确 但计算比较繁琐 重量法在我国应用得相对较多 据说全世界也只有我国还在采用重量法设计混凝土配合比 重量法应用的前提条件为 混凝土所用原材料固定且密度稳定 每方混凝土假定重量与实际接近 否则宜采用体积法设计混凝土配合比 特别是现代加矿物掺合料的多组分混凝土配合比设计 宜采用体积法 如用体积法计算砂石用量 联立方程如下 366 3000 mgo 2680 mso 2650 181 0 01 1mso mso mgo 0 39mso 719mgo 1113 至此 不掺加粉煤灰的基准混凝土理论配合比已设计出来 366 719 1113 181在此基础上 依据JGJ28 86 粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程 继续设计泵送粉煤灰混凝土理论配合比 第八步 计算每立方米粉煤灰混凝土中的水泥用量mcf 366 1 15 311 第九步 计算每立方米混凝土中的粉煤灰用量mf 1 5 366 311 82 第十步 计算每立方米粉煤灰混凝土中的砂用量msf 719 311 3000 82 2200 366 3000 2650 668 第十一步 计算每立方米粉煤灰混凝土中碎石和水用量mgf 1113mwf 181 第十二步 计算每立方米粉煤灰混凝土中外加剂用量maf 311 82 0 015 5 9 至此 泵送粉煤灰混凝土理论配合比设计工作基本结束 311 82 668 1113 181 5 9 第十三步 耐久性指标复核 调整对于泵送混凝土 JGJ55提出如下要求 对本例来说 胶凝材料总量393 300 水胶比0 46 0 60 砂率38 完全符合JGJ55要求 如胶凝材料和水胶比不符合要求 可以通过增大粉煤灰超量系数调整 直至符合JGJ55要求 至此 理论配合比设计工作全部结束 第十四步 试配 调整最后需要强调的是 理论配合比全部设计好后 应进行试配 试配是混凝土配合比设计中的重要环节 试配的目的是验证理论配合比的可行性 最终得到具有良好的施工性 耐久性 强度适中 经济合理的试验室配合比 混凝土试配项目次序的为 拌合物性能 得到基准配合比 强度 体积校正 得到试验室配合比 每个项目经过试配 调整符合设计要求后 方可再安排下一个项目的试配和调整 发展了100多年的混凝土科学仍然还是一门实验科学 而不是计算科学 原材料质量性能对混凝土性能的影响很大 无论采用多么科学 先进的方法进行配合比设计 对每一种原材料各质量性能对混凝土性能的影响因素 考虑得都不可能十分全面 如细骨料的含泥量 粗骨料的级配 胶凝材料与外加剂的相容性等等 再加上原材料质量性能的波动性 及其彼此之间的相互影响 都有可能造成根据理论配合比生产的混凝土 其实际性能与预期设计目标有一定的差距 甚至于相差甚远 完全相同的混凝土配合比 由于水泥产地变化而造成出机坍落度的差异为40 55mm 但由于砂产地变化而造成出机坍落度的差异高达100 115mm 产生差异的根源就在于 徐州湖砂的含泥 泥块 量平均高达6 左右 而扬州江砂的含泥 泥块 量仅1 左右 所以为了满足同样坍落度要求 同样的外加剂在扬州的掺量为1 左右 而在徐州地区就必须要调整到2 左右 因此 无论多科学 先进的方法设计出来的配合比都只能是理论配合比 都必须要经过试配验证 必要时应根据试配结果对理论配合比进行适当调整后 方可使用 完整的混凝土配合比设计包括计算 试配和调整三大过程 好的设计方法和软件只能解决快速 准确设计出理论配合比 不能代替试配 当然 如果原材料质量稳定 各因素考虑比较全面 设计参数选取合理 理论配合比与实际一般出入不大 可以大幅度减少试配量 在以上理论配合比设计过程中 配制强度 水灰比 用水量 砂率以及各组分用量等均基于规程的规定 并通过公式计算而定量确定 最终设计出混凝土配合比 故将该设计方法称之为规程全计算法 当然 在计算中与其它任何先进设计方法一样 还是