一種改進的預拌混凝土配合比設計方法

沈必文,顏曉燕

(1.舟山市天馬建筑材料有限公司,浙江 舟山 316000；2.舟山市大昌預拌混凝土有限公司,浙江 舟山 316021)

1 概 述

目前常用的配合比設計有以下兩種：一種是根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2011)》[1]；一種是由陳建奎教授研發(fā)的全計算法[2]。

《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2011)》已經(jīng)將粉煤灰、礦渣粉對混凝土強度的影響納入考慮范圍,與《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2000)》相比,是一個長足的進步。

由陳建奎教授研發(fā)的全計算法在設計高性能混凝土時適用性較好,但用于普通混凝土設計時相關計算參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整,因此全計算法一般局限于高性能混凝土的配合比設計。

中國地大物博,各地原材料差異性很大,要將混凝土配合比計算公式中相關參數(shù)量化并保證計算公式具有普遍適用性仍然顯得十分困難。

2 改進型設計方法的提要

對于預拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)來說,原材料一般都是就地取材,相對穩(wěn)定。這就為多元線性回歸方法的使用提供了較好的條件。

利用多元線性回歸的方法考察膠水比、礦粉摻量、粉煤灰摻量、膨脹劑摻量對混凝土強度的影響并進行量化,建立相應的回歸方程式,利用回歸方程來確定水膠比及摻合料摻量[3]。

《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2011)》采用砂率利用兩式聯(lián)解求取砂、石用量,原材料保持一致條件下,相同工作性的不同等級混凝土的砂率取值存在隨強度等級提高而降低的規(guī)律,采用漿骨體積比的核心思想是以漿定石,剩余體積用砂填充。實踐證明對于確定的原材料體系,相同工作性不同強度等級的混凝土的漿骨比是恒定的。

根據(jù)多元線性回歸方程確定水膠比、膠凝材料用量,根據(jù)漿骨比確定砂、石用量的配合比設計方法已在舟山豪舟混凝土預拌有限公司使用了將近七年,取得了較為滿意的實際效果。

3 相關概念

3.1 多元線性回歸

在回歸分析中,如果有兩個或兩個以上的自變量,就稱為多元回歸。事實上,一種現(xiàn)象常常是與多個因素相聯(lián)系的,由多個自變量的最優(yōu)組合共同來預測或估計因變量,使得預測或估計的結(jié)果更有效,更符合實際。

在預拌混凝土多元線性回歸中,將膠水比、礦粉摻量的平方根、粉煤灰摻量的平方根、其他膠凝材料摻量的平方根作為自變量,以混凝土強度作為因變量,建立以下形式的線性回歸方程。當然以摻量作為自變量也是可行的,采用平方根是基于縮小因素數(shù)值范圍的考慮。

式中：B/W、KA、FA、U分別為膠水比、礦粉摻量、粉煤灰摻量、膨脹劑摻量；

k1、k2、k3、k4分別為膠水比、礦粉摻量平方根、粉煤灰摻量平方根、膨脹劑摻量平方根對應的系數(shù)；

C為常數(shù)；

fcu為不同齡期、不同養(yǎng)護條件的混凝土強度。

3.2 漿骨比

混凝土中漿體體積與粗骨料體積的比值。

漿體體積是水、膠凝材料(含粉體材料)、外加劑及含氣量的體積之和。

設計理念是根據(jù)漿體體積確定粗骨料用量,剩余體積用細骨料填充。

4 計算公式

4.1 混凝土配制強度的確定

fcu,0=fcu,k+1.645×σ+b

4.2 用水量的確定

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2011)》表5.2.1-2中塑性混凝土的用水量及5.2.2條之規(guī)定取值。摻入減水劑時用水量按減水率計算。

mw0=mw0′×(1-β)

4.3 膠水比與膠凝材料用量的確定

B/W=

膠凝材料總量的確定：B=mw0×B/W

水泥用量的確定：mc=B×(1-KA-FA-U)

礦粉用量的確定：mKA=B×KA

粉煤灰用量的確定:mFA=B×FA

膨脹劑用量的確定：mU=B×U

4.4 減水劑用量的確定

mAD=B×AD

4.5 漿體體積計算

4.6 粗骨料用量的確定

4.7 細骨料用量的確定

以上公式中：

fcu,0為混凝土配制強度；

fcu,k為混凝土強度標準值；

σ為混凝土強度的標準差；

b為混凝土配制強度提高值；

mw0′為不摻減水劑的用水量；

mw0為摻減水劑的用水量；

β為減水率；

B/W為混凝土膠水比；

k1、k2、k3、k4分別為回歸方程式中對應于膠水比、礦粉摻量的平方根、粉煤灰摻量的平方根、膨脹劑摻量的平方根的系數(shù)；

KA、FA、U為礦粉、粉煤灰、膨脹劑的摻量；

C為回歸方程中的常數(shù)；

B為膠凝材料總量；

mc、mKA、mFA、mU、mAD、mS、mG,分別為水泥、礦粉、粉煤灰、膨脹劑、外加劑、砂、石的用量；

α為混凝土含氣量；

ρC、ρKA、ρFA、ρU、ρAD、ρS、ρG分別為水泥、礦粉、粉煤灰、膨脹劑、外加劑、砂、石的密度；

V漿/V石為漿骨比(體積比)；

V漿為漿體體積。

5 實例示范

以C30、C40泵送混凝土配合比計算為例：

5.1 混凝土配制強度的確定

C30：fcu,0=30+1.645×4.5+0=37.4

C40：fcu,0=40+1.645×5+2.0=50.2

5.2 用水量的確定

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ 55—2011)》表5.2.1-2中塑性混凝土的用水量及5.2.2條之規(guī)定取值。摻入減水劑時用水量按減水率計算。

C30：mw0=238×(1-0.235)=182

C40：mw0=238×(1-0.277)=172

5.3 膠水比與膠凝材料用量的確定

回歸方程為：

C30取FA=22%,KA=12%,U=0%有：

C40取FA=19%,KA=13%,U=0%有：

膠凝材料總量的確定：

C30：B=182×1.852=337

C40：B=172×2.612 5=449

水泥用量的確定：

C30：mc=337×(1-0.12-0.22-0)=222

C40：mc=449×(1-0.13-0.19-0)=305

礦粉用量的確定：

C30：mKA=337×0.12=40

C40：mKA=449×0.13=58

粉煤灰用量的確定

C30：mFA=337×0.22=74

C40：mFA=449×0.19=85

膨脹劑用量的確定：

C30：mU=337×0=0

C40：mU=337×0=0

5.4 減水劑用量的確定

C30減水劑摻量為1.75%。

mAD=337×1.75%=5.90

考慮減水劑固含量為11%,相應扣減用水量5 kg。

C40減水劑摻量為1.95%。

mAD=449×1.95%=8.76

考慮減水劑固含量為11%,相應扣減用水量8 kg。

5.5 漿體體積計算

5.6 粗骨料用量的確定

取V漿/V石=0.80：

5.7 細骨料用量的確定

C30配合比為水∶水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶外加劑=177∶222∶40∶74∶825∶1 003∶5.90。

C40配合比為水∶水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶外加劑=164∶305∶58∶85∶661∶1 094∶8.76。

6 新的認識與感悟

6.1 關于多元線性回歸

多元線性回歸是基于多變量環(huán)境考察自變量與因變量的關系,能夠?qū)ψ宰兞康挠绊懴禂?shù)進行量化。在回歸過程中,有5個問題值得考慮：

6.1.1 樣本的問題

樣本問題包括樣本的數(shù)量和樣本的質(zhì)量。在預拌混凝土實際生產(chǎn)中,只要原始數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量足夠大,回歸系數(shù)就能夠較為準確地反映這些因素的影響。

在預拌混凝土實際生產(chǎn)中,因生產(chǎn)控制、原材料波動、取樣、試件制作等各種各樣的原因,總有一些數(shù)據(jù)嚴重偏離正常值,在回歸時,對這些數(shù)據(jù)的取舍是一個值得考慮的問題。

6.1.2 權重的問題

在預拌混凝土實際生產(chǎn)中,不同品種的混凝土生產(chǎn)頻次是不一樣的,如果不對生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)作一些技術處理,由于權重不一樣,會導致回歸方程的小幅偏離。

對于不同的混凝土等級,對原始數(shù)據(jù)進行分類平均,再進行回歸有助于解決權重不一致的問題,分類平均后的回歸方程的相關系數(shù)較直接回歸有較大幅度的提高也證明了這一點。

6.1.3 回歸方程外延使用的問題

回歸使用的原始數(shù)據(jù)中各種因素存在一個數(shù)值范圍,一個或幾個因素大幅度偏離這個范圍時回歸方程是否繼續(xù)適用,應慎重對待,有條件時應進行實際試驗驗證。

6.1.4 回歸方程的修正問題

在實際生產(chǎn)中,原材料總是波動的,而且強度也不僅僅只受回歸方程中這幾個因素的影響,因此在回歸方程中引入一個修正系數(shù)是必要的,這個修正系數(shù)綜合反映了材料波動及其他因素的綜合影響。

6.1.5 回歸方程的使用問題

多元線性回歸方法廣泛應用于各種數(shù)據(jù)分析工作,即回歸的方法是通用的,但回歸的結(jié)果是專用的,不要輕易嘗試用其他企業(yè)或不同材料的回歸結(jié)果來指導配合比設計。

6.2 關于漿骨比

有些資料中漿骨比是一個質(zhì)量比,本文定義為體積比,其好處是不受粗集料的密度影響,對于重質(zhì)骨料、輕質(zhì)骨料也是適用的。采用漿骨比的好處在于對于一樣的原材料,工作性能相同的不同等級的混凝土其漿骨比是確定的,而砂率是變化的。與最佳砂率一樣,存在一個最佳漿骨比。

根據(jù)實際應用經(jīng)驗,細集料的細度和顆粒級配，粗集料的最大粒徑與顆粒級配，以及體系的含泥總量、膠凝材料的性能、外加劑性能、混凝土單方用水量、混凝土設計坍落度等均是影響漿骨比取值的因素。這與砂率取值是一致的。

混凝土坍落度每增加20 mm,漿骨比約需增加0.08左右；細集料細度模數(shù)每增加0.15,漿骨比約需提高0.10左右。同等級同坍落度的細石混凝土較5～25 mm碎石混凝土漿骨比增加值約為0.15～0.20。這幾個數(shù)據(jù)是筆者公司實踐得出的,不一定普遍適用,但可作為參考。

7 結(jié) 語

利用多元線性回歸的方法,在配合比設計或調(diào)整時,利用計算機自動計算不同配合比的預期強度,作為確定配制強度的依據(jù)。

用于混凝土性能或成本優(yōu)化時,可在保持混凝土強度不變的前提下通過調(diào)整膠水比及摻合料摻量等技術參數(shù)，調(diào)控混凝土拌合物性能。

實際上多元線性回歸是對配合比參數(shù)與出廠檢驗強度作大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,配合比的各參數(shù)對混凝土強度的影響更加直觀,可以發(fā)現(xiàn)許多規(guī)律性的問題,也更容易找到解決的方法。多元線性回歸方法不但適用于對混凝土強度的分析,對混凝土其他性能也一樣適用。

根據(jù)漿體體積確定粗骨料用量,剩余體積用細骨料填充,用漿骨比(體積比)的方法求取砂、石用量更直觀,計算更方便,同時解決了傳統(tǒng)配合比設計中砂率需變化取值的問題。