基于石子填充法的多組分混凝土配合比的設計

張勇

廣東華路交通科技有限公司 廣東廣州 510550

摘要：隨著現代混凝土技術發展，配合比設計方法也經歷著變革，現行的以經驗為基礎半定量的混凝土配合比設計方法，已經不能滿足現代多組分混凝土的配合比設計要求。本文在分析了現行標準普通混凝土配合比設計方法的基礎上，介紹了現代混凝土強度理論和混凝土體積組成石子填充模型，并由此提出來多組分混凝土配合比設計的新思路，將混凝土中影響強度的因素進行量化計算。

關鍵詞：多組分混凝土；強度理論；配合比設計；石子填充模型

前言

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一，隨著材料科學的發展，混凝土由傳統的水泥、砂、石、水為主要組成，已經轉變為以砂、石、水泥、礦渣粉、粉煤灰、硅灰、水、外加劑等多組分組成。現階段混凝土配合比設計依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）進行，主要設計要求包括[1]：1）混凝土和易性良好，便于施工；2）混凝土強度滿足要求，耐久性好；3）在滿足上述兩項的要求下，選用最經濟的材料組合。

本文在分析了現行普通混凝土配合比設計方法的基礎上，介紹了現代混凝土強度理論和混凝土體積組成石子填充模型，并由此提出了多組分混凝土配合比設計新思路，為現代多組分混凝土配合比設計提供借鑒。

1、現行標準混凝土配合比設計

現行混凝土配合比設計的標準方法即《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011），主要有以下5個主要步驟[1]：1）由設計強度確定試配強度；2）通過計算查表確定配合比設計中的基本參數（最大水膠比、最小水泥用量、單位用水量、砂率等）：3）計算配合比：由試配強度求出相應的水膠比；查表選取單位用水量，并計算出單位水泥用量；查表選取砂率，計算砂石的單位用量，并提出試配配合比；4）試配，調整和易性，校核強度、密度，確定混凝土配合比；5）特殊要求混凝土配比設計：對泵送混凝土、大體積混凝土以及有抗滲、抗凍要求的混凝土等，應根據實際要求進行相應調整。

《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）中的大量參數主要靠查表選取，屬于以經驗為基礎的半定量設計方法 [2]。這種基于經驗的配合比設計方法設計變量較少、考慮性能單一（主要滿足強度及工作性的要求），難以配制出組分復雜、高耐久性及其他具有特殊性能的混凝土。同時，優化配合比設計十分困難，很難做到在滿足施工和易性、強度和耐久性要求下，采用最經濟的材料組合[3]。

2、現代混凝土強度理論和石子填充模型

硬化混凝土是一系列復雜物理化學反應的產物，其強度由粗骨料和硬化漿體兩部分提供。通常情況下要求粗骨料的強度不小于設計混凝土強度等級的1.5倍，故混凝土強度主要取決于硬化漿體。硬化漿體強度由水泥水化形成的C-S-H凝膠、礦物摻合料的二次水化形成的凝膠以及微集料填充三部分組成。對于低強度等級的混凝土，其硬化漿體強度主要由水泥水泥水化形成的C-S-H凝膠和低活性的摻合料填充組成，強度主要取決于水泥。對于高強度等級的混凝土，其硬化漿體強度主要由水泥水化形成的C-S-H凝膠，高活性的礦渣粉二次水化形成的凝膠，填充于孔隙中的超細摻合料等組成。因此在低強度等級范圍內混凝土的強度主要與水泥強度和粘結強度有關；在高強度等級范圍內，由于粘結強度較大，此時混凝土的強度主要與水泥強度、超細礦物摻和料密切相關，尤其是超細摻和料（礦粉，硅粉等）的微粉超疊加效應表現的十分明顯 [4]。

現代混凝土強度理論在吸取Powers的膠空比理論、A.A.Griffith脆性材料斷裂理論和晶體材料導出的的材料強度公式的基礎上，認為混凝土的強度與水泥石的理論強度、膠結材料的填充強度貢獻率、硬化砂漿的密實度成正比例[5]，并構建了現代混凝土強度理論的數學模型及計算公式。是混凝土對應的硬化漿體的理論強度，它主要反映了膠凝材料的活性和水化形成的強度；u是膠凝材料的填充強度貢獻率，主要反映了膠凝材料的微集料填充效應，可依據摻合料的種類、數量的不同計算它們對混凝土強度的影響；m是硬化漿體的密實度，它主要反映了膠凝材料水化和混凝土拌合物的工作性的調整以及外加劑的使用造成密實度的變化對混凝土強度的影響。

硬化混凝土由粗集料和硬化砂漿兩部分組成，在混凝土拌合過程中，可以認為粗集料作為砂漿的填充料，在強力振搗下均勻的填入具有一定強度等級的砂漿形成混凝土拌合物。當粗集料的壓碎值較小時，粗集料的強度高于混凝土的設計強度，故認為石子的填入只占了體積，不影響混凝土的強度，則混凝土的強度取決于硬化水泥砂漿的強度、膠凝材料填充強度貢獻率和硬化砂漿密實度。砂漿中砂子做六方緊密堆積，粒徑較小的膠凝材料完全填充于砂子堆積的空隙中形成砂漿，石子均勻填入砂漿中形成混凝土拌合物，硬化砂漿體積由膠凝材料體積、拌合用水體積和砂子體積組成，這種混凝土體積組成模型稱為石子填充模型[6]。

3、基于現代強度理論和石子填充模型的混凝土配合比設計

在多組分混凝土配合比設計中，配合比設計以使用純水泥的基準混凝土為計算基礎，根據水泥的強度、需水量和表觀密度求出提供1MPa強度所需要的水泥用量，以此計算出滿足設計強度等級混凝土所需水泥用量；其次根據摻合料的活性系數和填充系數用等活性替換和等填充替換求出各膠凝材料的用量及合理的分配比例；根據膠凝材料正好填充砂子的堆積空隙為依據，確定砂子用量，再根據混凝土體積組成石子填充模型（XS法）確定石子用量；最后根據膠凝材料的標準稠度用水量，調整混凝土工作性的用水量，砂石表面潤濕所需的用水量，計算出混凝土總的用水量。

3.1配制強度的確定

多組分混凝土的配制強度按現行規范《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）確定。

3.2水泥漿理論強度的計算

水泥強度的檢驗采用標準膠砂試驗的方法，當標準養護的水泥膠砂試件破型試驗時，標準砂并沒有破壞，硬化水泥漿體被壓力破壞。我們認為水泥水化形成的理論強度等于標準養護的水泥標準膠砂強度R28除以水泥在標準膠砂中體積VC0。可通過以下公式求得：

（3.2.1）

式中：C0——標準膠砂中水泥的用量；

S0——標準膠砂中標準砂的用量；

W0——標準膠砂中水的用量；

——水泥的密度；

——標準砂的密度；

——水的密度；

（3.2.2）

式中：R28——標準養護的標準膠砂28天抗壓強度；

——標準膠砂中水泥的體積比；

3.3水泥基準用量的確定

水泥加水攪拌后達到充分反應水化形成漿體的合理水膠比為標準稠度用水量對應的水膠比，這一水膠比對應的水有兩個作用：1）保證水泥充分水化；2）保證水泥顆粒達到充分水化所需的勻質性。水膠比過大，硬化后會留下孔隙，水膠比過小，達不到顆粒充分的勻質性，因此最好控制在標準稠度用水量對應的水膠比。

依據石子填充模型，當混凝土中水泥漿體體積達到100%時，混凝土強度等于水泥的理論強度值，即R=，此時標準稠度水泥漿的表觀密度可以通過一下公式求出：

（3.3.1）

式中：——標準稠度水泥漿的表觀密度

——水泥的密度；

——水泥的標準稠度用水量

提供1MPa強度對應水泥用量由下式計算：

（3.3.2）

配制強度為的混凝土基準水泥用量為C0

（3.3.3）

3.4摻合料用量的確定

在多組分混凝土設計中，保持摻合料反應活性和填充強度貢獻率折算后與未摻摻合料的純水泥相等，摻合料可由下式求得：

（3.4.1）

（3.4.2）

式中：C/、F、K、Si——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的用量

、、、——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的活性系數

、、、——分別為水泥、粉煤灰、礦粉、硅粉的填充填充系數

3.5 用水量的確定

混凝土總的用水量大致可以分為三部分：1）膠凝材料完全水化用水；2）調整混凝土拌合物工作性的用水量；3）粗細骨料達到飽和面干所需的潤濕水。

3.5.1膠凝材料完全水化用水W1

1）試驗法

在已知水泥、粉煤灰、礦粉和硅粉的比例后，按已知比例復合膠凝材料，采用測定水泥標準稠度用水量的方法求得復合膠凝材料標準稠度用水量W0，在此水膠比下，求得膠凝材料完全水化所需水量W1.

2）計算法

計算出水泥、粉煤灰、礦粉和硅粉的準確用量后，按照膠凝材料的需水量系數通過加權求和計算得到膠凝材料完全水化所需水量W1.

（3.5.1）

3.5.2調整混凝土拌合物工作性的用水量W2

依據混凝土配合比設計指南，每增加1mm坍落度所需水量為0.5kg，則用于調整混凝土工作性的用水量為0.5Tkg。

3.5.3粗細骨料達到飽和面干所需的潤濕水W3

對于干燥的粗細骨料，在混凝土拌合過程中其表面在物理吸附作用下吸水達到飽和面干狀態，且這部分潤濕水并不影響骨料的體積變化，即。這部分水的用量等于粗粒骨料各自的用量乘于達到飽和面干時各自的吸水率。

3.5.4摻入外加劑后總的用水量W

當摻外加劑時，外加劑的分散作用釋放了水泥顆粒團聚包裹的水，改善了混凝土的工作性，同時膠凝材料由于未來得及完全水化，膠凝材料完全水化用水也起到改善混凝土拌合物流動性的作用，但骨料潤濕所需的用水量并不受外加劑摻入的影響，故摻入外加劑后實際用水量：

（3.5.2）

3.6細集料用量S的確定

在砂子用量計算時，我們采用膠凝材料完全填充砂子空隙，同時砂子達到飽和面干的潤濕水既不改變體積也不影響砂子的堆積狀態，因此砂子用量通過砂子緊密堆積空隙率p求得：

（3.6.1）

3.7粗集料用量G的確定

由于粗細骨料達到飽和面干狀態所需要的潤濕水W2只起到潤濕作用，并不影響混凝土的體積，故石子的體積，則石子用量

4.結語

由上可知，基于現代混凝土強度理論和石子填充模型的混凝土配合比設計方法，能夠得出混凝土配合比設計中水泥、摻合料、細集料、粗集料、拌合用水量等組成材料的準確計算公式；構建了水泥強度與混凝土強度直接的對應關系；實現了多組分混凝土配合比設計和強度的科學定量計算，利于混凝土生產的計算機控制；同時利于混凝土配合比的優化設計，在滿足施工和易性、強度和耐久性要求下，采用最經濟的材料組合，提高了混凝土企業產品的質量和成本控制。

參考文獻：

[1]《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[S].中國建筑工業出版社，2011.

[2] 王國友，石亮，劉建忠。基于漿骨比的現代混凝土配合比設計[J]。江蘇建筑，2014（1）：93-95

[3]鄭少雄。探討各類混凝土配合比設計理論的分析與思考[J]。中華居民，2014（2）：12-13

[4]唐咸燕，肖佳，陳烽，等。粉煤灰和礦渣微粉在水泥基材料中的復合效應研究[J]。水泥，2006（10）：9-12

[5]朱效榮，孫輝，馬玉欣，等。多組分混凝土強度理論在配合比設計中的應用[J]。施工技術，2007，36（4）：67-69

[6]朱效榮，孫輝。現代混凝土理論在混凝土研究中的應用[A]。第三屆全國商品混凝土信息技術交流大會暨2006全國商品混凝土年會論文集[C]，2006，107-120

上接第34頁

4.優化后的措施為保溫蓄熱法

根據以往工程經驗并結合專家意見，采用麻袋+雙層薄膜+棉被（不少于150mm厚）的覆蓋蓄熱保溫措施。當混凝土表面抹平之后，混凝土初凝之后，馬上在其表面覆蓋保溫材料。為使混凝土表面不直接暴露在大氣中，覆蓋材料前，用噴霧器灑水。另混凝土澆筑完成且初凝后，將電梯井蓄滿水進行保溫。現測得混凝土內表溫差在15至18度之間，保溫效果顯著。

5.溫控效果

（一）里表溫差是指砼內部溫度峰值與砼表層50～100mm以下位置的溫度差值。

（二）大氣溫差是指砼表層50～100mm以下位置的溫度砼與覆蓋層內的溫度差值。

五、橋梁工程承臺大體積混凝土溫度影響分析

由于混凝土是由水泥、砂石等材料組成的非勻質材料，雖然具有較高的抗壓強度及良好的耐久性，但在施工結束投入使用過程中容易出現開裂。特別是對于大體積混凝土，由于混凝土結構尺寸較大，表面系數小，在水化熱的作用下，產生了大量的熱量，大體積混凝土表面結構的熱量可以迅速散失，但是內部由于熱傳導不良，水泥水化所釋放的水化熱難以散發，在內部蓄積起來，致使混凝土“內熱外冷”，形成較大的內外溫差，進而產生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成較為復雜的膨脹或收縮應力，當砼的抗拉強度不足以抵抗由該溫度引起的應力時，便開始產生溫度裂縫，這時就會造成混凝土表面開裂的發生。因此，為了避免承臺大體積混凝土施工出現裂縫問題，必須做好大體積混凝土溫度的影響分析。

六、承臺大體積混凝土施工溫度控制措施

對于天氣環境惡劣和晝夜溫差大的地區，要根據溫度和混凝土的情況對保溫措施作出適當的調整，保證溫差的變化在控制的范圍之內。

1.選擇適宜的溫度環境進行大體積混凝土澆筑施工

盡可能避免混凝土長距離的運輸和泵送，并避免在較高的溫度下施工。盡可能的選擇環境溫度相對較低的晚上或者是早晨進行，以降低大體積混凝土的澆筑溫度。

2.在承臺大體積混凝土內部埋設循環冷卻水管

為降低混凝土的內外溫差，可通過在承臺構件內部預埋冷卻循環水管的方式帶走混凝土內部水化熱，從而降低內部熱量的聚集。循環冷卻水管一般選用薄壁鐵管，采取回形布置的方式，按照水平管間距 100 cm，垂直間距 60 cm 左右進行循環冷卻水管的布置。一般情況下，在循環冷卻水管上覆蓋一層混凝土之后就應該通水降溫，通過這種連續供水的方式，降低大體積混凝土內部的溫度。

3.做好大體積混凝土溫度的監控

在承臺大體積混凝土施工過程中，應在混凝土內部埋設溫度傳感器對混凝土內部溫度場以及內外溫差進行監控。對于大體積混凝土的溫度監控一般是在混凝土澆筑施工作業之后的升溫階段以及溫度峰值持續階段，間隔 1—2 小時測溫一次。利用溫度傳感器進行溫度監控，并綜合采取調節循環冷卻水管水流速度等措施，對大體積混凝土的內外溫差進行控制，當混凝土內外溫差趨于穩定后即可停止測溫。

七、結束語

在橋梁承臺施工過程中，應嚴格按照工程施工技術規范進行作業管理，同時采取優化混凝土配比、使用外摻劑、布置循環冷卻管等輔助措施，避免溫度裂縫的產生，進而提高大體積混凝土工程的整體施工質量。

參考文獻：

[1]杜風余.淺談大體積混凝土臺身裂縫的控制[J]，黑龍江科技信息.2010（02）：50-54.

[2]高勇明.大體積混凝土溫度裂縫控制技術的探討[J]，西部探礦工程.2011（05）：145-146.

[3]楊光.橋梁承臺大體積混凝土施工與溫度控制[J]，交通標準化.2013（09）：80-84.