chap3-高性能混凝土配合比设计

1、第三章 高性能混凝土的配合比 Chap3 Mix design of high performance concrete,1.计算配制强度fcu,0,fcu,ofcu,k+1.645,式中 fcu,o砼的配制强度（MPa）； fcu,k设计要求的混凝土强度等级（MPa）； 混凝土强度标准差（MPa）： 1.645 混凝土强度保证率为95%时的概率系数；,第一节 普通混凝土的配合比设计,2.水灰比,第一步：初步确定水灰比(W/C)1 (W/C)1=afce/(fcu,o+abfce) 式中 a、b回归系数，应根据工程所使用的水泥、集料和通过试验建立的水灰比与砼强度关系式确定。对碎石砼可取a =0

2、.46，b =0.07；对卵石混凝土可取a =0.48，b =0.33。 fce水泥的实际强度(MPa)，若未知水泥实际强度时，fce=cfce,g 式中 fce,g为水泥强度等级值(MPa)； c水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定,若无实际资料时，取=1.13。,第二步：确定水灰比限值（W/C）2,第三步：确定水灰比W/C W/C=min(W/C)1 ,(W/C)2),3.单位用水量W0,4.单位水泥用量C0,第一步：计算水泥用量C1,第二步：确定水泥用量限值C2以满足混凝土的耐久性,0,第三步：确定C0 C0=max(C1 ,C2),5.确定砂率s,6.粗细集料用量S0、G0,

3、法一（体积法）： 根据下列方程组计算,式中 G0、S0单位立方米砼中粗、细集料用量（kg/m3）； 砼的含气量百分数，不用引气型外加剂时取1； C水泥的密度（kg/m3）； g、S粗、细集料的表观密度（kg/m3）； s砂率（%）。,法二（假定容重法）:按下列方程组计算,式中：mcp每立方米混凝土拌合物的假定重量（kg/m3）,7.若掺外加剂，则外加剂用量A0为：,A0=KAC0 式中 KA外加剂的掺量（%）,9.修正用水量、水泥用量、细集料用量,1修正用水量：W0=Wo（1-Jw） 式中，Jw外加剂减水率（%），若外加剂无减水作用，则Jw=0,2修正水泥用量：C0=(Co-AP)（1-i）

4、式中 AP为膨胀剂的用量，AP=CoKAP (其中KAP为膨胀剂的掺量(%),3修正细集料用量：,11.试配调整,12.基准配合比,13.施工配合比,第二节 高性能混凝土拌合物配制的目标,高性能混凝土是指采用常规材料和生产工艺，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,与强度的相关性；灰水比一经确定，不能随意变动。,可塑状态混凝土总体积为水、胶凝材料、砂、石的密实体积之和。,在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小用水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定的、经济的混凝土。,为降低混凝土的温升、提供混凝土抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝

5、土早期强度要求的前提下，应尽可能减少胶凝材料中的水泥用量。,第三节 高性能混凝土拌合物配合比参数的选择,一、混凝土配合比法则（吴中伟1955提出的，高性能混凝土仍然适用）,二、配制强度,按下式确定试配强度 fcu,o fcu,k+3 式中：fcu,o混凝土试配强度（MPa） fcu,k设计强度标准值（MPa） 标准差（商品混凝土搅拌站= 4.5 MPa）,三、配合比参数的选择,1.水胶比,高性能混凝土中由于掺入了高效减水剂和活性矿物掺合料，使得用于描述其强度与水胶比之间关系的强度公式成为一个技术关键。,在北美，普遍采用Abrams水灰比定理。对纯水泥混凝土，水灰比与强度之间的反比关系以下式表示

6、：,f混凝土的抗压强度；X水灰比（体积比）； K1，K2实验参数，其大小取决于除水灰比之外的其它因素，如原材料性能，实验龄期以及所采用的度量单位等,Abrams公式描述了在混凝土原材料，特别是水泥确定的条件下混凝土强度与其水灰比之间的关系。对不同的原材料，将存在不同的K1、K2值。当部分水泥被掺合料取代后，Abrams公式同样适用，只不过需将公式中的水灰比改为水胶比，这一推广的前提条件是胶结料的组成比例固定不变。,法国F.de.Larrard等将Feret公式进行推广，得到如下的混凝土强度公式：,式中f28c混凝土28天圆柱体特征抗压强度； KG 集料类型决定的系数； RC 水泥强度，即由份砂

7、、份水泥、半份水(重量比)制成的砂浆的28天强度； A 每方混凝土中引入的空气体积(升)； (0.5)火山灰性系数； K2=0.2LF/C (0.07)填充料活性系数； W，C，PFA，SF，LF和BFS分别为混凝土中水，水泥，粉煤灰，硅粉，石灰石微填料和矿渣的含量 。,推广后的Feret式假定等量的矿渣和水泥将具有同样的28天强度效应，实际上，这种假设在大多数情况下是不合适的，即BSF前面的系数不为，甚至为一变量，其大小与所用矿渣、水泥的性质以及矿渣的掺量有关。,澳大利亚Ken W.Day在他的混凝土配比设计系统中采用如下强度公式：,式中 混凝土的含气量（%）,当混凝土强度，水泥用量在一定范

8、围内(一般小于550kg/m3)时采用第一表达式，而在此范围之外时，采用第二表达式，这主要是由于混凝土强度并不随水泥用量的增大而无限制地提高。 当水泥种类改变时，他采用强度修正系数以考虑强度的变化。,当掺入活性矿物掺合料时，他采用“等效水泥用量(Ceq)”以取代上述表达式中的C： 式中 Ceq等效水泥用量；C实际水泥用量；C1等掺合料的用量；K1等由实验得到的系数，一般地，对粉煤灰为0.9-1.2；对矿渣为0.9-1.2；对硅粉为3-4。 实际上，对某种确定的掺合料，K1等系数不仅随掺合料的性质而变化，而且随掺合料用量，混凝土龄期等的变化而变化。,华南理工大学的欧阳东提出了六组分混凝土强度公式

9、。他的理论基础是超塑化剂和掺合料对混凝土强度影响重大，超塑化剂强度效应的根源在于水灰比的改变，因而超塑化剂的因素在混凝土强度公式中是不直接体现的，强度公式中的水灰比因素即包含了超塑化剂对强度的影响；而掺合料不是通过水灰比变化来影响水泥材料的强度的，它的强度效应根源在于材料固相本征性质的改变。因此，掺合料的因素应直接体现在混凝土强度公式中。,为和我国的技术规定JGS55相衔接，欧阳东采用Bolomey公式来发展含掺合料因素的强度公式。从水泥组成的观点来看，混凝土的掺合料可视作水泥的组成部分水泥混合材。这样六组分的混凝土系统可视作五组分的混凝土系统，其中水泥组分由原来的纯水泥(C)转换为另一种水泥

10、B(B=C+M)，在这种情形下，Bolomey强度公式对此系统适用，此时Bolomey强度公式：,（x）数据最好的取得途径则是：在掺合料成为规格化的商品之后，（x）（按不同水泥类别分别测试）作为最重要的参数之一，由掺合料的制造商提供。,式中（x）称之为掺合料强度效应函数，x是掺合料的掺量。当配制混凝土的水泥品种稳定，水灰比变化不大时，（x） 主要与掺合料的品种、质量和掺量有关，当对于某一特定的掺合料， （x）是掺量(x)的函数，此时，积累的（x）数据可以长期使用，也可以与使用同类型水泥、掺合料的其他人共享。,水胶比宜0.38,第四节 确定高性能混凝土拌合物配合比的方法,1.美国混凝土协会（AC

11、I）的方法,其211委员会制订的“使用粉煤灰和硅酸盐水泥的HPC设计指南”，指出了一种掺粉煤灰的HPC混凝土配合比设计和优化的方法。,此法适用于抗压强度在41-83MPa之间的普通容重非引气混凝土，主要是采用一系列不同胶凝材料比例和用量进行试拌，从而得到最佳配合比。,其步骤如下：a、坍落度和混凝土强度的选择；b、选择集料最大粒径；c、选择最佳集料用量；d、估算拌合水用量；e、选择水胶比；f、计算胶凝材料用量；g、计算基准拌合物配合比；h、计算掺粉煤灰的拌合物配合比；i、试拌调整及选择最佳配合比,2.法国路桥中心实验室(LCPC)提出的方法,法国路桥中心对高强混凝土的研究是走在世界前沿上的。其提

12、出的配比设计方法基于三个主要假设： a、对合定的原材料，混凝土强度主要取决于胶结浆体的特性，且可用广义Feret公式描述混凝土强度与水灰比、用水量、水泥用量、掺合料用量、水泥强度以及集料类型等因素之间的关系； b、当混凝土的集料组成固定时，其工作性取决于两个因素：一是胶结浆体的体积；二是胶结浆体的流动性； c、当满足强度和工作性时，需要胶结浆体时少时的砂率称为最优砂率，当换成另一种等体积、等粘度的浆体后，该最优砂率保持不变。,该配比设计方法的主要思想是：在模型材料上进行大量的实验，即用胶结浆体进行流变试验，用砂浆进行力学试验。这样可避免用直接的的方法优化高强混凝土配比参数时所需进行的大量试配工

13、作。,LCPC还开发了高强、高性能混凝土配合比设计的计算机辅助软件。引入数学模型和计算机大大减少配合比设计所需的实验次数并节约了时间。其思想是建立若干个数学模型，各自表述某种工程性能和混凝土组成的关系，然后将这些模型组合起来。他们编制了一套BETONLAB软件作为一个“电子实验室”，可较好地预测给定要求（包括经济性）的最佳配合比。,3. P.K.Mehta的半经验半试验性方法,美国的P.K.Mehta提出的配比设计方法是一种半经验半试验性的方法。,其基本要点是： 1对适当的粗集料，为得到高的体积稳定性，胶结浆体与集料的体积分别占35%和65%为宜； 2根据混凝土强度等级确定用水量； 3混凝土的

14、胶结料组成有三种选择： a、纯水泥；b、水泥+矿渣(或粉煤灰)，体积比为75：25；c、水泥+粉煤灰+硅粉，体积比为75：15：10； 4高效减水剂的掺量可取1%； 5混凝土的粗细集料体积比对强度等级A可取3：2，对强度等级B-E可适当增大,Table The relationship between the average compressive strength and the maximum water weight and the volume ratio of coarse aggregate to fine aggregate,由于一些参数是经验性的，所以初次设计的配合比仅仅作为一

15、个参考，还需使用实际的原材料进行实验室试配，再根据所要求的工作性和强度调整配合比。,4. P.L.J.Domone等提出的方法,英国的P.L.J.Domone等提出的方法基于最大密实度理论。 最大密实度理论的出发点是混凝土的集料占据的相对体积应尽可能地多，集料颗粒之间的空隙由胶结浆体填充，水胶比是根据混凝土的设计强度确定的。 但是如果胶结浆体仅填满集料间的空隙，那么混凝土拌合物将不具备可工作性。为配出具有一定工作性的混凝土拌合物，需要加大胶结浆体的数量，增加的胶结浆体提供了集料颗粒之间的润滑作用，从而使拌合物具有可工作性。 另外，实际的最佳砂率还要考虑细集料的颗粒的表面积效应，即实际的最佳砂率

16、要小于集料颗粒堆积最密实时的砂率。,该方法的主要步骤如下： a、根据混凝土的28天强度与水胶比关系选择混凝土的水胶比。这一关系建立在以往的许多试验结果基础上。 b、选择高效减水剂的掺量。高效减水剂的掺量随混凝土水胶比的减少而增大。 c、利用专门设计的仪器量测不同砂率下集料颗粒堆积物的空隙含量，找到空隙率最小时的砂率。 d、试验研究集料堆积物的空隙含量与其表面积的综合效应。分两部分内容：一是研究多余浆体数量与拌合物坍落度之间的关系；二是研究集料表面积对所需的多余浆体的影响。 e、确定最优砂率。,由这些设计方法看出，HPC配比设计是一个复杂的过程，没有统一的条条框框。选择合适的原材料，优化配比参数

17、，或是根据合理的性能配比参数关系模型，有目的地进行少量的试配，然后由试配结果使关系模型中的参数具体化，便是高性能混凝土配比设计的合理途径。,现在配比设计的一个趋势,混凝土安全性专家系统,（1） 高性能混凝土配合比设计应根据混凝土结构工程要求，保证施工要求的工作性、结构混凝土强度与耐久性。 （2） 耐久性设计应以混凝土结构在使用环境中的劣化外力作用下，在设计使用年限内劣化不超过容许劣化状态为目标。 （3） 对混凝土结构作用的劣化外力有一般劣化外力和特殊劣化外力。温度、湿度、太阳辐射热以及混凝土中性化等，为一般劣化外力，是混凝土结构耐久性设计中必须考虑的。盐害、冻害以及酸性土壤，腐蚀性物质等对混凝

18、土结构的作用，为特殊劣化外力，按混凝土结构所处环境条件而定。,总原则：,抗碳化耐久性能设计,为确保混凝土抗碳化耐久性能，水胶比宜按下式确定： (2) 式中：水胶比（%） C钢筋砼的保护层厚度（cm）（室内的保护层厚度=室外保护层厚度+2cm） 劣化外力区分系数，室外为1.0，室内为1.7 t设计使用年限（年）,抗冻害耐久性设计,（1）根据冻害设计劣化外力的强弱，冻害地域可分成准冻害地区、一般冻害地区、重冻害地区。据此规定水灰比的最大值如表-1。,表-1 不同冻害地区混凝土水灰比最大值,（2）高性能混凝土抗冻性能测定按GB水泥混凝土抗冻性试验方法（快冻法）进行。根据混凝土结构所处环境、经受冻融循环次数来确定。耐久性指数与抗冻性关系按下式确定：,式中：N混凝