C100配合比设计研究

0引言

随着现代人们空间意识的增强，对结构的简洁化提出更高要求；同时，由于土地资源的匮乏，建筑正向着高层、超高层发展。因此，对于高强混凝土的需求就越来越大。本着绿色环保的发展方向，节能已成为一个世界性问题，高强混凝土的低能耗优势更显露无疑。随着矿物掺合料的掺入，使得混凝土的工作性和强度均有提高，但同时，也使得混凝土组份变得越来越复杂，强度己不再满足简单的水胶比定则。

针对上述问题，本文以普通混凝土配合比设计为基础，对照全计算法，并对其进行胶凝材料砂浆强度修正和水胶比修正。将配合比进行对比分析，最终获得一个综合表征高强混凝土配比计算的方法。

1试验原料

1.1胶凝材料

试验用胶凝材料为重庆产南海水泥、锦艺硅灰、珞电粉煤灰。具体数值见表1。

1.2集料

试验用石为重庆易世达产5～10mm和10～20mm两档破碎卵石，砂为洞庭湖II区中砂，细度模数2.72。

石子均满足GB/T14685—2011中级配范围要求。但因石子2的含泥量和泥块含量超标，所以经水冲洗、晾晒备用；经过石子1、2复配，最终确定35：65时，其堆积密度最大，即空隙率最小。

1.3减水剂

减水剂为重庆三圣特种外加剂公司生产的PCA5型高效引气减水剂，浓度为2096，折固0.2试验时，减水率在35～38％。

2配合比设计

2.1普通混凝土配合比设计高强混凝土

由《普通混凝土配合比设计规程》乜3(以下简称《规程》)前言中修订的部分技术内容：修订了普通混凝土试配强度的计算公式和强度标准差；修订了混凝土水胶比计算公式中的胶砂强度取值及回归系数α_a和α_b；增加了高强混凝土试配强度计算公式；增加了高强混凝土水胶比、胶凝材料用量和砂率推荐表。现根据修订内容，依照规程进行混凝土配合比设计：

(1)配制强度

在JGJ/T55—2000中，混凝土配制强度公式为：

f_cu,0≥f_cu,k+1.645σ

JGJ/T55—2011中，混凝土配制强度公式修订如下：

①当设计强度小于C60时，配制强度按下式计算：

f_cu,0≥f_cu,k+1.645σ

②当设计强度不小于C60时，配制强度应按下式计算：

f_cu,0≥1.15f_cu,k

f_cu,0——混凝土配制强度(MPa)；

f_cu,k——混凝土抗压强度标准差，取混凝土的设计强度等级值(MPa)；

σ——混凝土强度标准差(MPa)。

根据修订内容可知，在高强度混凝土配合比设计中，已不再沿用强度标准差，而是直接取定1.15作为富裕系数。此种修订的意义在于，将普通混凝土与高强混凝土配合比设计区分开来，更加科学、更具有针对性。

(2)水胶比计算公式中的胶砂强度取值及回归系数

《规程》阐述，当胶凝材料28d胶砂抗压强度值(f_b)无实测值时，可按下式计算：

f_b=γ_fγ_sf_ce

式中：γ_fγ_s——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数。

当水泥28d胶砂抗压强度(f_ce)无实测值时，可按下式计算：

f_ce=γ_cf_ceg

式中：γ_c——水泥强度等级值的富裕系数；

f_ceg——水泥强度等级值(MPa)。

上述供述相关系数均可在《规程》中查阅，此处不予复述。经对比观察，表中系数实与矿物掺合料活性指数指标意义相同，只是掺量比例由0～50％，且数值较各矿物掺合料I级指标偏低。

在高强混凝土中，硅灰掺入是非常必要而且有益强度增长的。参考陈建奎教授在全计算法中引入的HPC计算配合比与美国HPC配合比对比表格中数据，故因此确定硅灰掺量为胶凝材料总量的7％。但在《规程》中并未引入硅灰的影响系数(γ_si)，这对于依照《规程》进行高强混凝土配合比设计是一大缺陷。根据硅灰活性指数的检验数据，得其活性指数为119％。此值的取得为硅灰掺量为10％情况，以硅灰对强度的119％贡献率进行插值计算，可得在硅灰掺量为7％时，其抗压强度比约为113％。

同样，参考陈建奎教授相关文献，将粉煤灰掺量定为胶凝材料总量的10％。该粉煤灰为I级灰，故粉煤灰影响系数1，r取规范上限0.95。

因此胶凝材料28d胶砂抗压强度值(f_b)公式可修正为：

f_b=γ_fγ_sif_ce

经计算得f_b的值为(0.95×1.13×42.5×1.16)=53.1MPa。

在JGJ/T55-2000的前言中，关于回归系数修订内容阐述如下：“3.在全国六个大区进行了大量的水泥和混凝土试验的基础上，与实施的水泥新标准相适应，修改混凝土强度公式中的回归系数α_a(A)和α_b(B)。”由此可见，回归系数是随着水泥生产工艺、砂石的开采工艺及混凝土现场的施工水平等相结合的变动数据，具体数值详见表3。

根据已获得的砂浆强度和与之对应的回归系数，结合如下水胶比公式：

经计算得水胶比为0.233。

(3)混凝土的单位用水量和砂率

《规程》指出当水胶比在0.4～0.8范围时，可按表5.2.1-1和表5.2.1-2选取；当水胶比小于0.40时，可通过试验确定。本文按表5.2.1-2中90mm坍落度的用水量为基础，按每增大20mm坍落度相应增加5kg/m³用水量来计算，当坍落度增大到180m以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少，本文取4kg/m³。

假定目标坍落度为220mm，则未掺加减水剂的单位用水量为247kg/m³。因高胶凝材料总量，根据实际应用，减水剂掺量定为3％，通过计算，用水量为148kg/m³。

砂率可在《规程》表5.4.2的基础上，按坍落度每增大20m、砂率增大1％的幅度予以调整。因表中水胶比最小为0.4，且观察到碎石最大公称粒径20mm数据，随水胶比每降低0.1，砂率的上下限均降低3％，故在此做大胆插值拟合，当水胶比为0.2时，砂率取值范围为23％～28％。假定拌合物的目标坍落度为220mm，则其砂率中值为(25.5+(220—60)/20)=33.5％。采用内插值法，可得水胶比为0.233时，其对应的砂率为34.5％。

(4)粗、细骨料用量

因本文采用的为高效引气减水剂，结合试拌结果，假定混凝土含气量为2.5％，按照体积法进行计算。

综上，计算得到的混凝土配合比为表4编号1。

2．2全计算法计算高强混凝土

相比于传统的混凝土配合比设计以强度为基础的半定量计算方法的缺陷，陈建奎教授提出的全计算配合比设计方法，以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型，将传统的浆体体积v_e衍生为干砂浆体积V_es，进而通过数学推导准确计算混凝土的用水量和砂率，并与水胶比定则相结合计算出混凝土各组份，使得配比计算更准确、更快捷。

2.2.1配合比全计算法设计步骤如下：

2.2.2基于全计算法的C100混凝土配比设计

减水剂掺量按照步骤6中的公式进行计算，20％浓度的掺量为7.7％，与经饱和度试验的3.0％掺量相差巨大。原因是减水剂的种类不同，机理和减水效果不同。矿物掺合料仍为7％硅灰和10％粉煤灰，由此计算得矿物掺合料占总胶凝材料的体积分数x=21.2％。因在计算单位用水量时X对结果影响不大，故取全计算法中已有的x=20％公式进行计算。

(1)以JGJ/T55—2000系数计算

因全计算法发表时间为2000年，故当时的配合比计算均以JGJ/T55-2000中的回归系数进行，具体数值可参照表3。C100的全计算法配比为表4中编号2配合比。

据Powers T C测定和计算，完全水化的水泥结合水量占水泥质量的0.227。而编号2中的水胶比远远低于此值，虽说未水化的水泥熟料颗粒填充于水泥石之间，可起到微集料效应，但过低的水胶比会降低水化速率、影响水化程度，对早期和后期强度均有影响。

由此可以判定2000中的回归系数对于全计算法计算高强混凝土是不适用的，下面继续探讨2011中系数是否适用。

(2)以JGJ/T55-2011系数计算

全计算法在计算单位用水量时，引入了矿物掺合料比例这一概念。这是否是对以纯水泥砂浆计算水胶比的一种修正?根据水胶比计算公式，现假定如下：

1)假定“复合胶凝材砂浆强度”<“纯水泥砂浆28d强度”，理论计算W/B偏大，则增大了这种强度损失。

2)假定“复合胶凝材砂浆强度”>“纯水泥砂浆28d强度”，理论计算W/B偏小，则进一步保证了强度，但有可能造成经济浪费。

根据全计算法单位用水量公式，当x=0，即不掺细掺料时：

分别按照x=0.20％进行配合比计算得表4中编号3、4配比。

将配合比编号3、4对比，修正后的单位用水量较理论纯水泥要小，这种修正，对于假定2是有益的，即在低W/B下，降低了单位用水量，从而降低胶凝材料总量。同时，经过浆体体积计算，修正后仍满足V_e>350条件，且更加经济。

(3)水化活性因子引入

虽采用2011《规程》中A、B回归系数，但如此低的水胶比势必与实际相矛盾，正因如此，韩建国教授引入水化活性因子概念对其进行修正。

因为在HPC中掺加了多种矿物掺合料，最常见的为硅灰和粉煤灰。因此需对水胶比定则作适当修正，在水胶比公式中将二者对混凝土的强度影响表征出来。具体公式如下：

(4)综合法

在以《规程》进行配合比计算时，其考虑到对因矿物掺合料引入而对砂浆28d强度的修正，但在全计算法计算水胶比时并未考虑。现将其引入进行计算，结合之前按照《规程》的计算结果，水胶比为0.233，再按照全计算法进行混凝土配比计算，得表4中6号配比。

因编号5、6的配比极其接近，故只按照5号配比进行试验。

3结果与讨论

将上述编号1～5配合比进行试拌，并成型测定强度。具体数值见表5。

3.1普通混凝土配比设计方法延伸高强混凝土

在高强混凝土中，硅灰的掺加是十分必要的，但在《规程》中并未体现，结合硅灰的活性指数，参考矿物掺合料影响系数的实质含义，对硅灰的影响系数进行插值内推。同时，依照《规程》在普通混凝土配合比数据的基础上，依照递增梯度对混凝土单位用水量和砂率进行大胆推导计算，探究其是否存在线性或接近线性关系。

通过对试拌结果的分析，提出矿物掺合料对砂浆28d强度的影响是十分必要的。但单位用水量的确定是通过假定得来，较实际值偏大，故造成在相同水胶比情况下，胶凝材料总量偏高；同时，拌合物存在轻微离析现象，可见砂率的推算有些偏低；在试件破型后观察，因离析造成的试块匀质性不佳，强度没有达到配制要求。

3.2全计算法计算高强混凝土

经过编号2与4的对比发现，不同年代的回归系数对水胶比的计算影响较大，应选择当前阶段的系数进行计算。编号2由于带入JGJ/T55—2000中A、B系数，造成水胶比远小于最小完全水化值，造成水化速率和进程偏低，使得强度没有达到配制要求；同时，由于低的水胶比造成浆体粘稠，倒筒时间远远超出要求范围。编号4因A、B系数的修正，水胶比有所增大，但仍小于完全水化值。虽然其强度满足C100混凝土的配制要求，但同样，由于倒筒时间过长而难以实现泵送。

对比编号3、4强度，如文上所述，单位用水量经矿物掺合料体积分数的修正，对于基体强度大于水泥砂浆的条件，在保证强度基本不发生变化时，可以减少由胶凝材料用量的成本。

观察编号4至5的转变，在引入水化活性因子后，水胶比随之进一步被放大，对比两组的抗压强度值，5号并没有下降的趋势，原因在于其刚好处在完全水化点附近，未水化的矿物掺合料仍能起到微集料效应，使得水泥石的强度得以完全发挥；同时，较高的水胶比使得拌合物的粘稠度降低，体现出较好的可泵送性能。

最终，对比编号1和5，水胶比分别为0.233和0.234，存在现惊人的相似，均证明了随着矿物掺合料的掺加，传统的水胶比定则应进行修正，且两种方法的出发点相同，一个在于胶凝材料强度的修正，一个在于对初始水胶比的修正，殊途同归，相互佐证。只是相比于1号而言，由全计算法得到的5号配比的砂率和单位用水量更加科学、准确。

结论

(1)在以普通混凝土配合比设计方法向高强延伸时，矿物掺合料影响系数的引入是十分必要的；砂率和单位用水量的推导计算不完全适用于高强混凝土。

(2)全计算法在计算水胶比时，应引入矿物掺合料影响系数对其进行修正，否则数值偏低，影响强度和工作性。

(3)分别由水化活性因子和矿物掺合料影响系数方法计算的配合比惊人相似，说明从矿物掺合料角度对高强混凝土配合比设计的正确性。