混凝土配合比设计新法全计算法.docx
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混凝土配合比设计新法全计算法
.
混凝土配合比设计新法-全计算法北京工业大学陈建奎教授
一.现代混凝土概念或理念
.配合比全计算法设计的数学模型
三.砂率和用水量计算公式
四.混凝土配合比设计步骤
五.配合比设计工程应用实例
六.结论
一.现代混凝土概念或理念现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组成的多相聚集体,并能满足“高工作性、高早强增强和高耐久性〞的根本要求。
现代混凝土应包括高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、防渗抗裂混凝土、水下浇筑混凝土和商品混凝土等。
以强度为根底的传统混凝土配合比设计方法不能满足现代混凝土配合比设计的要求。
综合考虑工作性、强度和耐久性。
其配合比设计的根本原那么
是:
(1)满足工作性的情况下,用水量要小;
(2)满足强度的情况下,水泥用量少,多掺细掺料;
(3)材料组成及其用量合理,满足耐久性及特殊性能要求;
(4)掺多功能复合超塑化剂(CSP),改善和提高混凝土的多种性能。
.
.
图1混凝土配合比组成图二.配合
比全计算法设计的数学模型
混混凝土配合比设计是混凝土材料科学和工程应用中最根本
的问题。
以强度为根底的传统配合比设计方法(即假定容重法和
绝对体积法)已不能满足现代混凝土配合比设计的要求。
现代混
凝土配合比“全计算法〞设计是以“工作性、强度和耐久性〞为
根底建立的普适数学模型,并推导出混凝土用水量和砂率的计算
公式。
进而将此二式与水胶(灰)比定那么相结合就能实现混凝土配
合比和组成的全计算,故称谓全计算法。
全计算法的创立和推广
应用几近十年,受到广泛的关注,取得良好的技术经济效益。
近
期在总结混凝土工程应用实践的根底上编制了“现代混凝土配合
比全计算法设计软件〞(国家版权局计算机软件著作权登记号
2005SR00529)。
这样使“全计算法〞更加实用化、科学化和智能
化。
全计算法不仅适用于所有现代混凝土的配合比设计和计算,
而且能检验和验证其它配合比的正确性。
.
.
1.现代混凝土的数学模型现代混凝土组成复杂,其中包括水泥、
矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等7个组分。
最简单处
理方法是用多项式表示:
F(x)=a+bx1+cx2+fx3+gx4+hx5+ix6+jx7
(1)A.传
统混凝土体积加合模型(图2)混凝土由水泥、砂、石、空气和水
组成,在单位体积中:
(1)石子的空隙由砂子填充;
(2)砂子的空隙由水泥浆填充;
(3)水灰比决定混凝土的强度。
由此说明:
Ve+Vs+Vg=1000
式中:
Ve=Vw+Vc+Va
Ve、Vw、Vc、Va、Vs和Vg分别为水泥浆、水、水泥、空
气、砂和石子的体积(l/m3)。
这种体积加合模型与水灰比定那么组成联立方程不能求解。
必
须参照有关标准中的统计数据才能计算混凝土配合比。
其坍落度
.
.
是通过用水量调整的。
以强度为根底的传统混凝土配合比设计方
法已不适用于现代混凝土的要求。
B.现代混凝土体积相关模型(图3)混凝土由水泥、矿物细掺料、
砂、石、空气、水和外加剂等组分构成,在单位积体中,
石子间的空隙由干砂浆填充;
干砂浆中的空隙由水填充;
水胶比决定混凝土强度。
根据此模型:
Vw+Ves+Vg=1000
(3)
其中、干砂浆由水泥、矿物细掺料、空气和砂子组成,即:
Ves=Vc+Vf+Va+Vs(4)
在一定体系中,干砂浆体积是常数。
Ves大小取决于石子的
最大粒径,石子粒径越大、比外表积越小,因此Ves越小。
Ves
——干砂浆体积(l/m3)
2.干砂浆体积Ves确实定干干砂浆体积由两局部组成,即石子
空隙率和拔开系数:
Ves=(1+h)p×1000(4-2)
式中:
p-石子空隙率,取决于石子堆积方式、颗粒形状和
级配。
h-拨开系数,取决于石子的比外表积和包裹层厚度。
粒子呈六方最密堆积时,空隙率为。
当采用最大粒径19mm的碎石配制60MpaHPC时,Ve=350、
Vs+Vg=650、Vs:
Vg=2:
3,W=160kg/m3。
其干砂浆体积为:
.
.
Ves=1000-Vw-Vg=1000-160-390=450(l/m3),
-
由于h取决于石子的比外表积,随着石子最大粒径增加比外表积减小,因此Ves减小(h减小)。
表1中列举了Ves与石子最大粒径的关系。
表1Ves与石子最大粒径的关系
碎石最大粒
19
25
40
径φ(mm)
φ2
361
635
992
1600
a=φ2/361
1
3
1/a=361/φ2
1
×
Ves(l/m3)
450
427
415
407
Ves(l/m3)(取
450
430
420
40
值)
5
中砂~2.80)
将表1中××361/φ2=50/φ2代入式(4-2)
得到:
Ves=(1+50/φ2)p×1000(l/m3)
(4-3)。
.
.
此式说明,干砂浆体积与石子最大粒径的平方成反比。
石子
空隙率——石子最密堆积时的空隙率(0.3954);"石子间空隙率"是(1+h)p。
3.浆体体积和集料体积另外、浆体体积由水、水泥、矿物细掺
料和空气体积组成,即:
Ve=Vw+Vc+Vf+Va(5)
对于不同类型的混凝土Ve取值:
HPC、HSC:
Ve=350l/m3;
FLC或其它混凝土:
Ve=305~335l/m3。
集料体积:
Vs+Vg=1000-Ve
(6)
将此模型能得到关系式(3)~(6)与水胶比定那么组成联立方
程,可求解混凝土各组分的用量,实现配合比全计算。
.砂率和用水量计算公式1.砂率计算公式
根据混凝土的普适体积相关模型(图-2)和有关参数可以得到
砂率计算公式:
.
.
(Ves
Ve
W)
s
100%
SP
(Ves
VeW)s
(1000VesW)
g
这是砂率计算的通式。
当ρs≈ρg时(即ρs=2.65,ρg=2.70),上式简化为:
砂率计算公式的物理意义此式(7)说明,混凝土的砂率:
(1)随着用水量增加而增大;
(2)随着石子最大粒径的增大(或Ves减小)而减小;
(3)随着浆体体积(Ve)增加而减小。
砂率计算公式适用于中砂~2.80)和连续级配的碎石,其它情况可按有关标准适当调整砂率。
采用粗砂或特细砂时:
SP=[(Ves-Ve+W)/(1000-Ve)+×(Mx-2.80)]
100%
用水量计算公式
根据水胶比定那么:
将式(8)与式(5)解联立方程,可求出用水量与配制强度的关
系:
此式(9)为计算各种不同掺量细掺料混凝土用水量的通式。
式
中ρc、ρf分别为水泥、矿物细掺料如(FA)的密度。
.
.当当x=0、即不掺细掺料时:
式中:
W/B-水胶比。
当x=25%、即水泥与细掺料的体积比为75:
25时:
式(9)中系数1/[(1-x)ρc+xρf]的大小与细掺料的体积掺量x
有关。
计算说明,x变化对该系数的影响不大(见表2)。
因此在用
(11)计算用水量时,该系数通常采用。
-2x对系数的影响
用水量计算公式的物理意义公式(9)、(10)和(11)说明:
混凝土的用水量取决于强度和水胶比,混凝土强度越高,水胶比越小,那么用水量越少;
矿物细掺料的品种(密度不同)和掺量影响混凝土的用水量;
浆体体积越小,用水量越少;
引气量越大,混凝土用水量越少。
四.混凝土配合比设计步骤1.配制强度:
≥fcu.o+1-645σ或fcu.p=fcu.o+10
.
1
2.水胶比:
W
BAfce
.B
式中:
f——混凝土配制强度(Mpa);
fce——水泥实测强度×
——水泥强度等级(Mpa);
W/B——水胶比;
A、B——回归系数(见表3)表3A、B的取值
用水量:
式中:
对于HPC:
Ve=350l/m3对于FLC:
Ve=305~
335l/m3;非引气混凝土:
Va=15l/m3;
引气混凝土:
Va=30~50l/m3(含气量3%~5%)。
胶凝材料用量:
C+FA=W/(W/B)=Q
FA=αQ
C=Q(1-α)
式中:
α-FA的掺量(%)
.
.
C-水泥用量(kg/m3)FA-矿物细掺料(如粉煤灰)用量(kg/m3)
5.砂率及集料用量:
S=(D-W-C-F)×SP
G=D-W-C-F-S
式中:
Ves-干砂浆体积,取决于石子最大粒径(见表1)
D-混凝土容重(2360~2440kg/m3)
式中:
W、C、F、S和G-分别为水、水泥、细掺料、砂和石子的用量(kg/m3)。
6.复合超塑化剂(CSP)掺量:
式中:
μ-浓度40%的CSP掺量(%)
Wo-坍落度7~9cm的基准混凝土用水量,与石子最
大粒径有关:
19
25
31.5(mm)
215
210
205(kg/m3)
W-配制混凝土的用水量(kg/m3)Δη-坍落度从7~9cm提到16~24cm所需的减水率
增量
.
.
Δη=×Slo-
Slo-配制混凝土的初始坍落度16~24cm。
配合比的调整和试配.配合比设计工程应用实例1.恒景花园D楼工程混凝土配合比及试配试验
配合比计算
银羊硅酸盐水泥、Ⅱ级FA(珠电)、中砂、碎石(1cm~
3cm)、坍落度18cm~20cm,现场搅拌、泵送。
(1)配制强度:
fcu.p=60+15=75(Mpa)
(2).水胶比:
(3).用水量:
(350-15)/(1+0.335/0.32)=164(kg/m3)
(4).胶凝材料用量:
C+FA=164/0.32=513(kg/m3)
FA=513×0.20=103(kg/m3)
C=531-103=410(kg/m3)(5).砂率及集料用量:
SP=(420-350+164)/650×100%=36%
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%S=(2440-513-164)×0.40=705(kg/m3)G=1763-705=1058(kg/m3)(6),CSP掺量:
BC40FLC
.
.
配制强度:
fcu.p=40+15=55(Mpa)
水胶比;(3).用水量:
(4).胶凝材料用量:
C+FA=180/0.41=439(kg/m3)FA=493×0.23=101(kg/m3)C=493-101=338(kg/m3)UEA=493×0.10=44(kg/m3)(外掺)
Ve=180++++15=359(L)(5).砂率及集料用量:
UEA:
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=40%S=(2400-439-44-180)×0.40=695(kg/m3)G=1743-695=1042(kg/m3)普通FLC:
由于采用单一粒级的碎石砂率应增加到SP=41%
.
.
=(2400-439-180)×0.41=730(kg/m3)G=1781-730=1051(kg/m3)
(6),CSP掺量:
现将A和B试配结果列入表4中。
表4FLC试配结果
2.普硅水泥,Ⅱ级FA(掺20%),中砂(Mx=2.80),碎石(1~3cm)配制各种强度的FLC计算配合比列入表5中。
固定用水量法设计FLC的配合比配合比设计步骤如下。
:
σ
(2)水胶比:
+B)
用水量:
在170~185Kg/m3范围选择。
(4)胶凝材料用量:
C+FA=W/(WB)=Q
FA=αQ
C=Q(1-α)
Ve计算:
Ve=Vw+Vc+Vf+Va=W/ρw+C/ρc+FA/ρf+Va
.
.
式中:
ρw,ρc,ρf,-分别表示水,水泥和粉煤灰的密度
,和2.50)
砂率及集料用量:
SP=(Ves-Ve+W)/(1000-Ve)×100%
S=(D-W-C-FA)×SPG=(D-W-C-FA)×(1-SP)表5FLC的计算配合比
(Ve=330L,Va=15,Ves=420L)
固定用水量法用于计算FLC实例
采用普硅525水泥(宝山),中细砂(Mx=2.50),碎石(5~31.5mm),
CL-2缓凝减水剂配制C20,C25和C30FLC,初始坍落度15~
18cm。
20FLC配合比计算如下:
×4=27
(2)W/C:
+(取0.58)
用水量:
W=185kg/m3
(3)C=185/0.58=319kg/m3;Ve=186+319/3.15+15=301
.
.
砂率及集料用量:
SP=(420-301+185)/(1000-301)×100%=43%由于砂子偏细应减小砂率(SP=40%)
S=(2400-185-319)×0.40=758
G=1896-758=1138
(6)CL-2掺量:
=[(205-185)/205+0.04]×8.34%=1.15%
C25,C30FLC配合比计算步骤相同,现将混凝土试配结果列入表
6。
表6FLC试配结果(固定用水量法)
注:
普硅525水泥,中砂,碎石(5~31.5mm)-7C15~C30流态混凝土试配结果注:
普硅423水泥,Ⅱ级FA,中砂,碎石(5~25mm)
此例证(表-7)预示了一个方向,采用复合超塑化剂配制低标
.
.
号的高性能混凝土,这对商品混凝土是十分重要的。
由于胶凝材料用量少,既提高了混凝土的综合性能,又大大降低了本钱。
.结论1.混凝土配合比全计算法设计是建立在普适“体积相关模型〞的根底上,并且通过严格的数学推导得到用水量和砂率的计算公式。
将此二式与水胶比定那么相结合实现了混凝土配合比和组成的全计算,解密了混凝土各组分之间的定量关系。
2.实践说明全计算法设计适用于高性能混凝土、高强混凝土、流
态混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、防渗抗裂混凝土、
水下浇筑混凝土和商品混凝土等所有的现代混凝土。
并且、可用于其它方法设计的配合比的检验和验证。
与传统混凝土配合比设计方法相比,全计算法设计更简便、快捷、精确、实用和科学。
(见表8)。
表8混凝土配合比全计算法设计与传统方法的比照
.
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- 混凝土 配合 设计 新法 算法
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