混凝土配合比設(shè)計方法的研究進展

鄧?斌

東莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比設(shè)計方法的研究進展

鄧?斌

東莞市中泰混凝土有限公司

混凝土配合比設(shè)計是配制混凝土時涉及到的最基本也是最關(guān)鍵的一個問題。只要有混凝土原材料和設(shè)備，就能配制混凝土，但原材料的種類、性質(zhì)和用量會影響混凝土的性能、質(zhì)量與成本，進而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟性。所以，混凝土配合比設(shè)計的關(guān)鍵是根據(jù)原材料的種類和性質(zhì)，確定其用量，使配制好的混凝土既有一定的經(jīng)濟性，又能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的強度和耐久性。本文主要對混凝土配合比的設(shè)計方法進行了一定的研究。

混凝土；配合比；設(shè)計方法；研究進展

1、傳統(tǒng)混凝土的配合比設(shè)計方法

傳統(tǒng)的配合比設(shè)計方法是計算試配法，其計算準則基于逐級填充原理，即水與膠材組成水泥漿，水泥漿填充砂的空隙組成砂漿，砂漿填充石子的空隙組成混凝土，設(shè)計原則遵循假定容重法或絕對體積法。計算得到粗略配合比后，再按照所確定的材料用量，制備混凝土試件標準養(yǎng)護到28d齡期，最后再測試試件的有關(guān)性能；試件的性能若符合要求，即采用這組配合比；若不滿足要求，進一步調(diào)整配合比。

絕對體積法認為混凝土材料的1m3體積等于水泥、砂、石和水四種材料的絕對體積和所含空氣體積之和。假定容重法的原理基于絕對體積法，不同的是不以各種原材料的比重為依據(jù)，而完全借助于混凝土拌成物經(jīng)振搗密實后測定的濕容重為依據(jù)。前者較繁，但適用范圍廣，理論較完整，有實用價值。后者簡便易行，但要有充分的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，需測定大量的混凝土濕容重。這兩種方法都是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計方法，主要以滿足強度和工作性能為主，配合比設(shè)計相對簡單，也比較成熟。

2、基于經(jīng)驗的混凝土配合比設(shè)計方法

混凝土配合比設(shè)計中，大量參數(shù)靠查表選值，屬于以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計方法。隨著物理、化學和計算機科學等現(xiàn)代方法和先進測試技術(shù)的應(yīng)用，混凝土科學技術(shù)正走上從經(jīng)驗到理論、從定性到定量的發(fā)展道路。

相關(guān)專家對高性能混凝土配合比設(shè)計，提出一種全計算方法，修正了傳統(tǒng)的絕對體積法。該方法的基礎(chǔ)之一是混凝土材料組成的四項假定：(1)混凝土組成材料(包括固液氣三相)具有體積加和性；(2)石子的空隙率由干砂漿來填充；(3)干砂漿的空隙率由水來填充；(4)干砂漿由水泥、細摻和料、砂和空氣隙組成。要使高性能混凝土同時達到最佳工作性和強度，水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為35：65；水泥與細粉料的體積比應(yīng)為75：25。由此導出高性能混凝土配合比設(shè)計的一系列解析計算式。按照他們提出的全計算法，對混凝土拌合物的設(shè)計，可以由公式計算得到。這有利于推進計算機在配合比設(shè)計中的應(yīng)用。

3、基于緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計方法

早在1955年就提出了基于最大密度或緊密堆積理論的混凝土配合比設(shè)計方法：將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，進行混凝土配合比設(shè)計時，首先應(yīng)該根據(jù)砂石混合后的空隙率確定最佳砂石比，然后依據(jù)絕對體積原理通過試拌法確定水泥漿富余系數(shù)，再配制混凝土。

將混凝土分為砂石體系和水泥漿體系，然后分別對這兩個體系進行優(yōu)化，最終獲得最佳的混凝土配合比。利用這種方法設(shè)計混凝土配合比時，首先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量，然后將細骨料和粗骨料按不同的比例混合后測定空隙率，選空隙率最小時的比例為最佳砂石比，最后根據(jù)測定的最小空隙率確定水泥漿用量，在0%～10%的范圍內(nèi)選擇幾個不同的水泥漿富余系數(shù)。然后根據(jù)計算出的幾個混凝土配合比配制混凝土，測定每組混凝土的坍落度和力學性能，選定工作性能和力學性能都滿足要求的一組混凝土的配比作為最終配合比。

針對現(xiàn)行普通混凝土的常規(guī)技術(shù)性能要求，以現(xiàn)行的混凝土配合比設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，研究了一種基于緊密堆積理論的配合比設(shè)計方法，這種方法的關(guān)鍵是通過試驗數(shù)據(jù)擬合出混凝土強度與最佳砂率之間的關(guān)系及混凝土強度與漿骨比之間的定量關(guān)系。此方法具有系統(tǒng)化、程序化的特點，依據(jù)此方法配制的混凝土在經(jīng)濟性上具有明顯優(yōu)勢。

對混凝土的緊密堆積理論做了系統(tǒng)的研究。提出了密實度系數(shù)的概念，指出可以用粗骨料最大粒徑和集灰比來表征密實度系數(shù)，隨后又提出了基于密實度系數(shù)的混凝土配合比設(shè)計方法，并用大量的試驗數(shù)據(jù)驗證了這種方法既具有理論研究價值，也具有一定的工程適用性。

4、基于漿骨比的混凝土配合比設(shè)計方法

漿骨比對新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有決定性作用。漿骨比是保證混凝土力學性能的核心因素，應(yīng)使用等漿體體積法對混凝土配合比進行調(diào)整，以保持漿骨比不變。

利用傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計方法計算出的配合比，盡管通過適配調(diào)整，也不一定是最優(yōu)的，他們通過骨料試配，得到最佳漿骨比及最緊密堆積的骨料，利用現(xiàn)有規(guī)律建立了基于最佳漿骨比的混凝土配合比設(shè)計方法。采用漿骨比法確定了C70泵送混凝土配合比，這種方法工作量小，設(shè)計周期短，對和易性和耐久性的控制優(yōu)于標準設(shè)計方法。

5、智能化優(yōu)化設(shè)計方法

對混凝土配合比設(shè)計進行優(yōu)化，能夠節(jié)約原材料，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益。人們將正交設(shè)計、均勻設(shè)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計中，提出了優(yōu)化數(shù)學方法。

其主要步驟為：1)進行大量的混凝土試驗及性能測試；2)對獲得的數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立混凝土組成和性能之間的預(yù)測方程，將其轉(zhuǎn)化成以矩陣表達的約束方程；3)建立以混凝土成本價格為目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計模型；4)用非線性規(guī)劃的單純形法求得各組成材料用量；5)根據(jù)骨料含水量及吸水率對配合比進行調(diào)整。這種方法的優(yōu)點在于使混凝土性能滿足要求的前提下，成本最低。

總而言之，雖然混凝土配合比受很多因素的影響與制約，目前的設(shè)計方法也存在很多的不足，但不可否認這些方法都在一定程度上促進了混凝土科學技術(shù)的發(fā)展。相信各種混凝土配合比設(shè)計方法會隨著混凝土科學研究的深入而得到不斷的改進和發(fā)展，越來越完善。

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