基于普通混凝土配合比设计规程的配合比设计优化

基于普通混凝土配合比设计规程的混凝土配合比设计优化摘要：依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011，通过理论计算所得相关参数，结合骨料总级配曲线（富勒曲线）简化混凝土配合比设计步骤。关键词：配合比设计材料参数富勒级配曲线体积法固定用水量配合比全计算法砂率修正确定引言《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011中公式计算和参数选择太冗繁复杂，不能直观反应配合比设计过程中的问题。在混凝土实际施工中当砂石料有变化时，因操作人员经验欠缺不敢调整配合比数据，或者调整不当，易造成混凝土质量不合格。本文结合《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011，简化几个参数的选择计算，编制了一个计算程序，使配合比设计更加直观高效。1.通过试验获得以下材料参数及碎石掺配比例水泥（拟定比例胶凝材料掺配）28天实测强度，水泥（及粉煤灰等外掺料）的密度，砂石饱和面干比重，水和减水剂密度，砂石松散堆积密度。根据集料筛分数据，计算出细度模数，定出粗集料的掺配比例，使之符合级配要求。石子掺配要遵循“高强偏细化，低强偏粗化”，若使用31.5mm粒径的大石，比例不宜超过70%。根据胶凝材料的种类和限制范围，确定各种胶凝材料的种类。2.配置强度的计算(JGJ55-2011)（1）标准差取值：按照表1取值表1混凝土强度标准值≤C20C25～C45C50～C55（MPa）4.05.06.03.混凝土配合比计算3.1水胶比计算遵循水胶比和强度成反比的原则，简化水胶比计算公式，强度和胶水比近似成线性关系，更加直观。（2）简化成公式：（3）式中：——混凝土配置强度（MPa）；——水泥（胶材）28天实测强度（MPa）；——胶水比（水胶比的倒数）；——回归系数，按表二取值。表2粗集料种类碎石0.530.20卵石0.490.13这个公式可以直接计算指定水胶比情况下的强度值，便于日常混凝土的控制与优化。3.2用水量W采用固定用水量法，普通混凝土的用水量一般在155-200Kg/m3.混凝土强度越高，选择的用水量越低。配比设计之初，暂时不考虑减水剂中的水。3.3计算胶凝材料用量B胶材总量等于用水量W乘以胶水比B/W：（4）每种胶材的数量应符合不同规范对胶材的限值，比如：胶材最小不得少于280Kg/m3;水泥用量不得超过500Kg/m3。3.4砂率SP的计算确定采用配合比全计算法计算确定，再根据砂的细度模数进行修正。混凝土是多相聚集体，混凝土的普适体积模型如下图：表3W水体积Va空气体积Vc水泥体积Vf外掺料体积Vs细集料体积Vg粗集料体积Ve浆体体积Ves干砂浆体积砂密度碎石密度碎石合成后的堆积密度（5）（6）（7）（8）（9）（10）可推导公式：（11）设时，（11）可简化成下式：（12）通常石子粒径越大，其比表面积越小，所需干砂浆体积Ves越小。在砂细度模数2.60-2.80时，流动性混凝土的浆体体积Ve一般在305-335L/m3；大流动性混凝土335-350L/m3；美国P.K.Metha和P.C.Aitcin教授观点认为Ve=350L/m3.Vs+Vg=650L/m3时，是高性能混凝土的最佳浆集比例。实际生产的碎石，孔隙率P一般在42%-45%之间，即Ves在420-450L之间。当最大粒径19mm时，Ves可取450；最大粒径25mm时，Ves取430；最大粒径31.5mm时，Ves取420。另外，砂率大小和砂子细度模数有极大关系，混凝土的生产控制中发现，当超过2.60-2.80范围，细度模数每增减0.1，砂率相对应的增减0.5-1%进行调整。3.5假定混凝土含气量为1.5-2%，根据用水量、水灰比、各胶材比例、砂率、碎石比例等参数，采用体积法，计算各原材用量（减水剂除外）。3.6对砂率及碎石比例进行修正3.6.1采用多种级配碎石或连续级配时，每方混凝土中骨料筛分通过率曲线和标准富勒曲线对比，对砂率和碎石比例进行微调，使实际曲线在标准曲线附近，线型基本平顺，无明显折线。1907年富勒及汤姆森提出：固体粒料粒径分布定义的理论方程式及其分布曲线。方程式为：（13）式中：h——系数（0.3～0.5）；P——某粒径颗粒的过筛百分比；d——某颗粒的粒径（mm）；D——该级配组的最大颗粒的粒径（mm）。（1）其中h值越小表示集料中的细集料越多，水泥混凝土中h值取0.5。（2）富勒曲线图中，可以直观的查看总骨料的通过率。可判别粒料的粗细性。越靠近标准曲线，说明大小颗粒呈连续级配分布，其相互填充愈密实，孔隙率愈小。35%砂率时曲线，曲线偏离标准曲线44%砂率时曲线，曲线靠近标准曲线（3）标准曲线是富勒公式导出的理论级配图，颗粒为理想中的圆形颗粒。实际上骨料绝大多数为不规则颗粒，但是级配的架构走势，仍需参照富勒曲线的趋势组合级配。所以混凝土集料的组合只要类似和贴近富勒曲线即可。3.6.2实际生产中，料源紧张，可能存在使用单粒级粗集料和断级配碎石的情况，其整体筛分曲线是不符合富勒曲线的（有折线），这种集料在实际生产中注意以下两问题：（1）砂率确定：按照紧密堆积密度试验操作方法，使砂紧密填充在紧密碎石的空隙中。然后筛分，分别称量砂石重量并计算砂率。使用这个砂率的混凝土流动性差，应适量增大砂率，乘以系数1.1～1.2使砂填满空隙并有富裕。（2）适量增加胶凝材料用量来保证砂浆体的强度。3.7减水剂用量的确定：寻找达到要求塌落度的减水剂的掺量。首先在试拌中使用比推荐掺量稍小的量，查看检测混凝土坍落度，逐渐调整减水剂的掺量，直至混凝土坍落度符合要求。原则是坍落度满足施工即可，不可追求过大坍落度，以保证混凝土强度和耐久性。我们平时说的减水剂其实是复合型的混合物，包含减水成分、缓凝成分、增稠（保坍）成分和引气成分四大类。减水成分是种表面活性剂，在搅拌过程中，吸附在水泥颗粒表面，把水泥颗粒吸进去的部分水释放出来，变成自由水。这样混凝土才具有流动性。所以混凝土坍落度的大小取决与置换出自由水的量，也就是取决于减水剂的掺量。液体减水剂中的水，也应该算进混凝土用水量中。调整配合比时，应相应减少混凝土的用水量。确定减水剂用量后，应进行重新试拌验证。对比减水剂后掺法和同掺法的差异，观察混凝土的流动性，观察混凝土静置有无泌浆泌水现象，检测坍落度、含气量、凝结时间、容重等指标。不符合要求时，求助减水剂厂家技术人员根据掺量要求对减水剂的四大成分进行调整并对配合比参数进行调整。良好的混凝土应翻拌松软，不抓底，不板结，浆体对石子包裹性好，有良好的粘聚性，凝结时间满足施工时间要求；大流动性混凝土还应有良好的扩展度和流速。找减水剂掺量的方法，具有方便快捷，不用考虑含泥量或粉煤灰中含碳量影响，以达到设计坍落度为目的，具有很强的操作性。需注意，许多试验人员认为配合比数值确定后，其他就是减水剂厂家的事情了，有的甚至套用其他工地的配合比数值，这是很片面的做法。宏观上混凝土是胶凝材料、砂、粗骨料、水和减水剂组成；但微观上是很复杂：胶材的细度、吸水率、烧失量等指标，砂的细度模数和含泥量等指标，碎石的粒径、吸水率、含泥量、针片状等指标，减水剂中四种成分的类型及掺量，这些任何一种指标有变化，都对其他指标造成影响。比如：胶材烧失量和骨料含泥量的变化就会影响减水剂掺量，从而影响混凝土的含气量和凝结时间；砂细度模数的变化会影响到砂率变化，从而影响混凝土的粘聚性和流动性。所以，在配合比设计和调整时，应该综合考虑，综合调整。4.混凝土的试配、调整和确定按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》第六章执行，不作详细赘述。（1）《规程》6.1.5中，宜采用三个不同的配合比，其中一个是6.1.4中确定的配合比，另外两个配合比的水胶比宜较试拌配合比分别增加或减小0.05，用水量与试拌配合比相同，砂率可分别增加或减少1%。分别试拌成型试件进行强度试验。（2）根据6.1.5的三个试配强度，绘制强度和胶水比的关系图或插值法确定略大于配置强度的胶水比，重新计算配合比。根据实测容重与计算容重的校正系数，调整配合比各材料用量。实测容重与计算容重之差的绝对值要在配比计算容重的2%范围内，不用调整。5.设计实例某工地采用42.5纯水泥，3.14细度模数的砂，4.75～12.5mm和9.5～25.4mm碎石和Sika高性能聚羧酸减水剂配制不同标号混凝土。5.1以设计C30水下混凝土配合比为例，进行步骤说明灌注桩需提高强度富余量，按C35设计。（1）输入材料基本数据和集料筛分结果表4材料基本数据水泥（胶材）28d实测强度42.5水泥密度(g/cm3)3.15粉煤灰密度(g/cm3)2.1矿粉密度(g/cm3)2.8砂饱和面干密度(g/cm3)2.554.75-12.5mm饱和面干密度(g/cm3)2.79.5-19mm饱和面干密度(g/cm3)2.79.5-25.4mm饱和面干密度(g/cm3)2.7水密度(g/cm3)1.0减水剂密度(g/cm3)1.05碎石堆积密度(g/cm3)1.55砂石综合密度(g/cm3)2.65表5集料筛分数据分析粒径砂石质量(Kg)25.4019.1012.509.504.752.361.180.600.300.150.089.5-25.4712.1100.073.017.04.01.00.30.30.30.30.30.3累计筛余(%)0.027.083.096.099.099.799.799.799.799.799.70.0192.3591.1683.7705.0710.0710.0710.0710.0710.0710.09.5-19.10.0100.0100.055.06.01.01.01.01.01.01.00.5累计筛余(%)0.00.045.094.099.099.099.099.099.099.099.50.00.00.00.00.00.00.00.00.00.04.75-12.5305.2100.0100.0100.072.04.01.01.01.01.01.00.1累计筛余(%)0.00.00.028.096.099.099.099.099.099.099.90.00.085.5293.0302.2302.2302.2302.2302.2304.90.075-4.75799.3100.0100.0100.0100.0100.083.055.031.012.05.02.7累计筛余(%)000·00174569889597（2）输入配合比强度、均方差、设计含气量、选用用水量、胶材比例、碎石比例等表6配合比相关参数设计强度fcu.k(MPa)35均方差MPa（≤C20取4；C25-C45取5；≥C50取6）5设定含气量（%）2选择用水量(Kg)185水泥掺量（%）100粉煤灰掺量（%）0矿粉掺量（%）0减水剂掺量（%）1.24.75-12.5碎石（%）309.5-19.1碎石（%）09.5-25.4碎石（%）70细度模数（2.6-2.8）3.14回归系数A0.53回归系数B0.2配置强度fcu.o(MPa)43.23计算砂率(%)42.11（3）查看粗集料合成图，在要求范围内。调整比例，最好在限制范围的中值，但是要考虑砂中超过4.75mm颗粒的含量折算成小石。（4）参考计算的水胶比，结合经验选定水胶比经验取值表7水灰比计算值与经验取值灰水比C/W2.119水灰比W/C0.472水灰比经验取值0.47（5）灌注桩需要很好的流动性，Ve浆体体积选335，最大粒径为25.4mm，Ves选用430，计算出砂率为42.1%，又因砂细度模数为3.14，超出2.6-2.8范围0.3，砂率取42+3×0.5=43.5%≈44%，计算出实际干砂浆体积为438.4L，两者计算值和选用值相差不大，所以选用砂率为44%。表8砂率计算取值孔隙率(%)42.59Ve浆体体积（305-335）(L)335Ves干砂浆体积（420-450）(L)430实际浆体体积(L)334.46实际干砂浆(L)438.43细度模数（2.6-2.8）3.14计算砂率(%)42.11修正后的砂率取值(%)44(6)用体积法自动计算出各材料用量，查看相对应的富勒曲线对比图。集料总体筛分曲线在标准曲线附近，无明显折线。表9未含外加剂配合比计算值砂石重量1828.61--胶材总量393.62材料水泥粉煤灰矿粉砂4.75-12.5碎石9.5-19.1碎石9.5-25.4碎石用水量减水剂用量含气体积用量(Kg/m3)3940079930507121850--材料密度(g/cm3)3.152.12.82.552.72.72.711.05--体积(L)124.9600315.53113.780265.49185020实际配合比(Kg/m3)3940080530707171850.0--（7）根据配合比进行试验室试拌，采用后掺法，找到满足坍落度要求的减水剂掺量1.2%。扣除减水剂中的水，配合比数据自动根据体积法重新计算。表10含外加剂的计算配比数值砂石重量（Kg）1816.69--胶材总量393.62材料水泥粉煤灰矿粉砂4.75-12.5碎石9.5-19.1碎石9.5-25.4碎石用水量减水剂用量含气体积用量(Kg/m3)3940079930507121854.72--密度(g/cm3)3.152.12.82.552.72.72.711.05--体积(L)124.9600313.47113.040263.761854.5020实际配合比(Kg/m3)3940079930507121804.7--重新试拌，检测，成型试件。（8）保持用水量不变，在水胶比0.47的基础上分别增加或减小0.05，为0.42和0.52.砂率可分别增加或减少1%，输入计算程序，快速得到试拌配合比。分别试拌成型试件进行强度试验。三个试配强度，绘制强度和胶水比的关系图或插值法确定略大于配置强度的胶水比，重新计算配合比。根据实测容重与计算容重的校正系数，调整配合比各材料用量。表110.42水胶比计算值灰水比C/W2.119水灰比W/C0.472水灰比经验取值0.42孔隙率(%)42.59Ve浆体体积（305-335）(L)335Ves干砂浆体积（420-450）(L)430实际浆体体积(L)344.83实际干砂浆(L)441.54细度模数（2.6-2.8）3.14计算砂率(%)42.11修正后的砂率取值(%)43砂石重量(Kg)1789.2胶凝材料总量(Kg)440.48材料水泥砂4.75-12.5mm碎石9.5-19mm碎石9.5-25.4mm碎石用水量用量(Kg/m3)4407694080612185表120.52水胶比计算值灰水比C/W2.119水灰比W/C0.472水灰比经验取值0.52孔隙率(%)42.59Ve浆体体积（305-335）(L)335Ves干砂浆体积（420-450）(L)430实际浆体体积(L)317.94实际干砂浆(L)441.26细度模数（2.6-2.8）3.14计算砂率(%)42.11修正后的砂率取值(%)45砂石重量(Kg)1860.45胶凝材料总量(Kg)355.77材料水泥砂4.75-12.5mm碎石9.5-19mm碎石9.5-25.4mm碎石用水量用量(Kg/m3)35683740906141855.2各配合比及强度一览表表13不同强度等级配合比标号水灰比 每方材料用量（Kg/m3）坍落度(mm)强度（MPa）水泥砂小石中石大石水减水剂7d28dC150.802508963037081991.0120-16017.623.4C200.7