1、浅谈绿色高性能混凝土的配合比设计浅谈绿色高性能混凝土的配合比设计内容提要：配合比设计在很大程度上决定了混凝土的性能：强度、工作性、耐久性和经济性。高性能混凝土HPC(High Performance Concrete)由于使用了复合超塑化剂和超细矿物质掺合料，配合比设计亦更为复杂。国内外提出多种HPC配合比设计方法，比较著名的有：美国Mehta和Aitcin推荐的方法，法国路桥中心建议的方法 ，日本阿部道彦方法，以及基于最大密实度理论的方法 ：包括 Domone P L J的方法，Carbonari B T 的方法以及清华大学王怀德的方法（颗粒堆积物密实度计算线性模型的修正） 等。近年来HPC
2、配合比设计趋向于计算机化，典型的方法与软件有：法国路桥中心的RENE-LCPC TM， 软件，Dunstan M R H的方法 ，澳大利亚Day K W的Conad配合比设计系统，以及我国陈肇元-王怀德HPC配合比设计系统等。以上方法基本上都是以经验为基础的半定量设计方法。关键词：配合比设计；高性能混凝土；设计方法Abstract:The mix design largely determine the performance of concrete: strength, workability, durability and economy. High-performance concret
3、e HPC (High Performance Concrete) due to the use of composite superplasticizer and superfine mineral admixture, The mix design is also more complex. Domestic and foreign present a variety of HPC mix design methods, there are relatively well-known: the United States Mehta and the method recommended b
4、y Aitcin, France Luqiao center recommended method, Abe Michihiko method, and based on the maximum compaction theory methods include: Domone P L J Carbonari B method, T method and Wang Huaide method ( Tsinghua University particle packing fabric density calculation of linear correction of the model ).
5、 In recent years HPC mix design tends to computerization, the typical method and software are: French Luqiao center RENE-LCPC TM Dunstan M R H, software, method, Australian Day K W Conad mix design system, as well as Chinas Chen Zhaoyuan - Wang Huaide HPC mix design system. The above method is basic
6、ally based on experience semi quantitative design method. Key phrase: The mix design，High Performance Concrete，design method.最早的混凝土是一种低强度的塑性混凝土，当时密实成型设备不过关，又没有外加剂可掺，混凝土是一种高水灰比、低强度的塑性混凝土。后来振动和挤压成型工艺发展后，干硬性混凝土得以发展，这种混凝土水灰比大大降低，又通过特殊的搅拌成型工艺进行密实成型，于是制得了干硬性的强度较高的混凝土，这是最早使用的高强混凝土。但这种混凝土施工工艺较难实现，强度指标离散性大。随
7、着化学外加剂的发展，混凝土在满足强度使用要求的情况下，逐步实现了塑性和流态化，于是发展了流态混凝土。流态混凝土的发展和泵送混凝土施工工艺的广泛采用，使混凝土施工进入现代化施工的范畴，大大提高了施工效率并改善了劳动和施工环境，在此基础上又发展了流态高强混凝土。随着新型高效减水剂的使用和优质超细矿物质掺合料的使用，混凝土进入到高性能混凝土的范畴。所以混凝土的发展经历了如下几个阶段： 高性能混凝土是混凝土材料发展的必然趋势。高性能混凝土在配合比设计时要综合考虑工作性、强度和耐久性。其配合比设计的基本原则与普通混凝土不同。一、配合比设计的目的和原则（一）混凝土配合比设计的目的混凝土配合比设计是以适当比
8、例的水泥、骨料、水、掺合料和外加剂配合以获得性能优异的混凝土。配合比设计的一个目的就是要得到符合性能要求的混凝土。两个基本性能是新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的强度。耐久性是另一个重要性能，一般是指在一般环境条件下满足的耐久性要求。在恶劣的条件下，例如在冻融、盐冻、氯离子、硫酸根离子的环境下，在混凝土配合比设计时对耐久性要专门予以考虑。配合比设计的另一个目的是在尽可能低的成本下获得性能要求的混凝土。要求在选择混凝土组成材料时不仅要性能合适，而且价格合理。配合比设计的任务比较复杂，为达到以上两个目的，设计过程是一个能使各种有所抵触的因素得到相应平衡的过程。（二）混凝土配合比设计的基本原则设计混凝
9、土配合比，就是要根据原材料的技术性能及施工条件，合理选择原材料，并确定出能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。在混凝土工作性、强度、耐久性和经济性等方面之间考虑得到一个合理的平衡。1、工作性在土木工程建设过程中，为获得密实而均匀的混凝土结构以方便施工操作（拌和、运输、浇注、振捣等过程），要求新拌混凝土必须具有良好的施工性能，如保持新拌混凝土不发生分层、离析、泌水等现象，并获得质量均匀、成型密实的混凝土。这种新拌混凝土施工性能称之为新拌混凝土的工作性。混凝土拌合物的工作性是一项综合技术性能，包括流动性、粘聚性和保水性三方面的含义。2、流动性流动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣作用下
10、，能够流动并均匀密实地填充模板的能力。流动性的大小直接影响浇捣施工的难易和硬化混凝土的质量，若新拌混凝土太干稠，则难以成型与捣实，且容易造成内部或表面孔洞等缺陷；若新拌混凝土过稀，经振捣后易出现水泥浆和水上浮而石子等大颗粒骨料下沉的分层离析现象，影响混凝土的质量的均匀性、成型的密实性。在用水量不变的情况下，混凝土拌合物的流动性会因以下因素的变化而增大。级配良好的骨料其最大粒径增大时；骨料中针片状颗粒的含量有所减少时；混凝土拌合物中含气量增加时；优质矿物掺合料替代部分水泥。3、粘聚性粘聚性是指新拌混凝土的组成材料之间具有一定的粘聚力，确保不致发生分层、离析现象，使混凝土能保持整体均匀稳定的性能。
11、粘聚性差的新拌混凝土，容易导致石子与砂浆分离，振捣后容易出现蜂窝、空洞等现象。粘聚性过强，又容易导致混凝土流动性变差，泵送与振捣成型困难。可以通过以下方法来改善粘聚性。提高砂率；粉煤灰替代部分水泥或砂；增加浆骨比；改善骨料的级配。4、保水性新拌混凝土保持其内部水分的能力称为保水性。保水性好的混凝土在施工过程中不会产生严重的泌水现象。保水性差的混凝土中一部分水易从内部析出至表面，在水渗流之处留下许多毛细管孔道，成为以后混凝土内部的透水通路。综上所述，新拌混凝土的流动性、粘聚性及保水性之间相互关联和制约。粘聚性好的新拌混凝土，往往保水性也好，但其流动性可能较差；流动性很大的新拌混凝土，往往粘聚性和
12、保水性有变差的趋势。随着现代混凝土技术的发展，混凝土目前往往采用泵送施工方法，对新拌混凝土的和易性要求很高，三方面性能必须协调统一才能既满足施工操作要求，又能确保后期工程质量良好。5、强度和耐久性从结构的安全角度出发，设计强度应该被看作为最低要求强度。所以考虑到混凝土材料、拌合方法、运输和浇筑以及混凝土试块的养护和测试等方面的变异性，要求有一定程度的富余强度。高性能混凝土的强度与水泥的强度已不再具有明显的对应关系。随着混凝土水胶比的降低，强度对水泥的依赖性逐渐减小，32.5等级的普通水泥也能配制出C60以上的混凝土。当然在水胶比一定的情况下，随着水泥量在胶凝材料中比例的降低，会影响混凝土的早龄
13、期强度，尤其是28d前的强度。因此，决定高性能混凝土强度的因素主要是水胶比。当混凝土处于一般环境条件下，干湿循环造成混凝土的碳化引起的钢筋锈蚀是混凝土耐久性不良的主要原因，在混凝土配合比设计时主要考虑水胶比和掺合料的用量。在恶劣的条件下，例如在冻融、盐冻、氯离子、硫酸根离子的环境下，在混凝土配合比设计时对耐久性应有针对性的予以考虑。如在冻融和盐冻环境的条件下，混凝土中必须加引气剂，且含气量在5%左右；在氯离子、硫酸根离子的环境下，混凝土配合比设计时必须降低水胶比、降低单位体积用水量和添加优质矿物掺合料。6、经济性在考虑混凝土配合比设计时成本也是很重要。在保证混凝土性能的同时尽可能减少混凝土拌合
14、物中水泥用量。降低成本的途径有两方面，一是掺入优质矿物掺合料替代部分水泥；二是提高骨料质量，保证良好级配，降低骨料的空隙率，同时还要注意改善粗骨料的粒形，降低针片状及非常不规则骨料的比例，这样可控制浆量，减少胶凝材料用量和用水量。二、简易配合比设计方法吴中伟院士早在1955年提出的简易配合比设计方法，遵循绝对体积设计原理，以试拌调整法为主。基本原则是要确定砂石最小的混合空隙率，即普通混凝土中砂石为一体系，水、水泥为另一体系。根据两者的互补关系，在充分考虑流动性的基础上，确定合理的水泥浆富余系数。通过确定砂石最低砂石空隙率（实际为最佳砂率）、最小水泥浆量等参数，来配制符合性能要求而又经济合理的混
15、凝土。（一）确定HPC性能指标首先选择高性能混凝土平均或常用性能指标作为基准，或选用工程要求的性能为基准，然后再试配调整，满足其他条件或要求。开始时，确定HPC工作性指标（坍落度1820cm，坍落度损失、流变性能、外观等）及耐久性指标（氯离子渗透、强度）、水胶比确定为0.30.4。例如要求耐久性为低渗透性，要求用Nernst-Einstein法测定的氯离子扩散系数为（50100）10-14m2/s，配制强度为4050MPa，工作性要求坍落度为180200mm，1h坍落度损失不大于10%，无离析等。（二）求砂石混合空隙率，选择最小值可先从砂率38%40%开始，将不同砂石比的砂石混合，分三次装入一
16、个1520L的不变形的容重筒中，用直径为15mm的圆头捣棒各插捣30下（或在振动台上振动至试料不再下沉为止），刮平表面后称量，并换算成堆积密度0 （kg/m3）,测出砂石混合料的混合表观密度（kg/m3），一般为2.65g/cm3左右。计算，砂石混合空隙率=（混合表观密度-堆积密度）/混合表观密度。找出最小砂石空隙率对应的砂率，此值也是砂石材料许多特征的综合，如粒径、级配、粒形等的综合表现。最经济的混合空隙率约为16%，一般为20%22%。假定此时测出的最佳砂率为40%。（三） 计算胶凝材料浆量胶凝材料浆量等于砂石混合空隙体积加富余量。胶凝材料浆富余量取决于工作性要求和外加剂性质和掺量，可先按
17、坍落度180200mm，浆量的富余系数可估计为8%10%，由通过外加剂试拌决定。假设为8%，为20%，则浆体积为+8%=28%，即280L/m3。（四）计算各组分用量设选用水胶比为0.4，掺入磨细矿渣20%，掺入粉煤灰10%，水泥密度为3.15g/cm3，磨细矿渣和粉煤灰的密度为2.5g/cm3。胶凝材料重量/浆体体积=1.35即1L浆体体积用1.35kg胶凝材料。1 m3胶凝材料总用量 = 2801.35 =378 kg/m3水泥用量 = 3780.7 =265 kg/m3矿渣用量 = 3780.2 =76 kg/m3粉煤灰用量 = 3780.1 =38 kg/m3水用量 = 3780.4
18、=151kg/m3集料总用量 = （1000-280）2.65 =1908 kg/m3砂用量 = 190840% =763 kg/m3石用量 = 1908-763 =1145 kg/m3所有材料总量超过2450 kg/m3，因引入了浆体积富余量，总体积略超过1m3，故所计算的各材料用量总需按实测的表观密度校正。或按15L筒试配的砂石量+以上胶凝材料和水各量的1.5%，掺入外加剂试拌，测坍落度和流动度。如不符，则调整富余量或外加剂掺量。达到要求后，再装入筒中称量筒中混凝土和多余混凝土拌合物质量，求出混凝土表观密度，并校正各计算量。一般允许坍落度误差为40mm，富余量误差为1.5%。在以上基础上，
19、经多次试拌，求得符合要求的合理、经济的配合比。但针对此方法提出两点改进建议，第一是浆体富余量在8%以上，不一定在810%之间，由试拌决定。第二是粗骨料应该采取两个以上粒级混拌的方法，使混拌后的粗骨料空隙率小于41%。三、全计算配合比设计中国矿业大学王栋民教授和武汉工业大学北京研究生部陈建奎教授在长期合作研究基础上在国内外率先提出高性能混凝土（HPC）全计算配合比设计方法，该方法的核心在于在揭示了混凝土材料内在组分基础上计算得到了混凝土单方用水量公式和砂率公式，由此而实现了混凝土配合比的定量、全计算配合比设计。该方法的优点是：由经验设计转变为科学设计，设计更为合理；大大简化了试验工作量，节约了成
20、本。全计算配合比设计的特点：建立了普遍适用的混凝土体积模型，经数学推导得出用水量和砂率计算通式，并以此为基础建立了混凝土定量配合比设计新方法。高性能混凝土全计算配合比设计方法如下：（一）普遍适用的混凝土体积模型传统的混凝土密实填充的概念为：在混凝土中石子的空隙由砂子来填充，砂子的空隙由水泥来填充，水泥的空隙由水来填充。美国 P.K.Mehta 和 加拿大 P.C.Aitcin 教授在对高性能混凝土 （HPC） 进行了大量的研究后认为：要使 HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料应有一个最佳体积比，建议取 Ve:（Vs+Vg）=35:65 。这一认识事实上是确定了 HPC 配
21、合比设计中水泥浆体体积与骨料体积间的定量关系。受 P.K.Mehta 和 P.C.Aitcin 观点的启发，王栋民等教授提出如下观点和模型。基本观点如下：混凝土各组成材料（包括固、液、气三相）具有体积加和性；石子的空隙由干砂浆来填充；干砂浆的空隙由水来填充；干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。普遍适用的混凝土体积模型如图 1-7 所示，该模型的基本模式较早由 A. M. Neville 提出 。在 A. M. Neville 模型中，没有提出干砂浆体积的概念，所以混凝土中浆体与集料是彼此割裂的。该模型假定混凝土总体积为 1m3 （1000L）, 由水、水泥、细掺料、空气、砂、石等部分组成，
22、对应的体积分别为 Vw ,Vc ,Vf ,Va ,Vs ,Vg 。图中表示干砂浆体积的实线框可以上下移动，以调整用水量和砂率。 图1-1 普遍使用的混凝土体积模型Ve 浆体体积（L）； Ves干砂浆体积（L）； Vw 用水量（L或 kg/m 3）； Vc ， Vf ， Va ， Vs ， Vg 分别为水泥、细掺料（如 FA）、空气、砂子和石子的体积用量（L）。该方法将 Ve 与水灰 （胶） 比定则相联系，求得了用水量 W（kg/m 3） 公式；提出“干砂浆体积”的概念，在水泥浆体体积 Ve 和集料体积 VS +VG 之间建立了联系，从而使砂率 Sp（%） 的求解成为可能。（二）混凝土配合比设计
23、中的两个基本关系式1、 用水量公式根据水灰 （ 胶 ） 比定则，有 （1.3.1） 式中：fce水泥实测强度 （MPa） ， fcu,p混凝土配制强度 （MPa） ；浆体体积Ve=W+V c +Vf +V a （1.3.2）将 （1.3.1） 式与 （1.3.2） 式解联立方程，可求出用水量与配制强度的关系。假设细掺料在胶凝材料中的体积掺量为 x ，即水泥与细掺料体积之比为（1-x）:x，则有 （1.3.3）这是掺加各种不同数量细掺料时单方混凝土用水量的计算通式。2、 砂率公式根据普遍适用的混凝土体积模型（图1-1） ，可知浆体体积 Ve=W+V c +V f +V a （1.3.4）集料体积
24、 Vs+V g =1000-Ve （1.3.5）干砂浆体积 Ves=V c +V f +V a +V s （1.3.6）由式 （1.3.6）得 V s =Ves-（V c +V f +Va） （1.3.7） 由式 （1.3.4）得V c +V f+V a =Ve-W （1.3.8）将式 （1.3.8）代入式（1.3.7） V S =Ves-Ve+W （1.3.9）则砂子重量 S=（Ves-Ve+W） S （1.3.10）式中：S 砂子用量 （kg/m3 ）；s 砂的视密度 （kg/L）。由式 （1.3.5）得Vg =1000-Ve-Vs （1.3.11）将式 （1.3.9）代入式（1.3.11
25、） V g=1000-Ves-W （1.3.12）则石子重量 G=（1000-Ves-W） g （1.3.13）式中 G 石子用量 （kg/m3 ）；g 石子的视密度 （kg/L）。故砂率 （S p ） （1.3.14）这是砂率计算的通式。（三）混凝土全计算配合比设计步骤根据以上研究所建立的计算公式，结合现行规范 确定混凝土全计算配合比设计步骤如下：1、配制强度 （1.3.15）2、水胶比 （1.3.16）3、用水量 （1.3.17）4、胶凝材料组成与用量 （1.3.18） （1.3.19） （1.3.20）5、砂率及集料用量 （1.3.21） （1.3.22） （1.3.23） 试配与配合比
26、调整（四） HPC全计算配合比设计1、用于HPC时用水量公式的简化当 x=0 时，即无细粉料时， （1.3.24）水泥密度 c =3.15kg/L （1.3.25）按照 Mehta 和 Aitcin 教授的假定，在 HPC 中水泥与细粉料（如粉煤灰或矿渣）的体积比为 75 ：25 ，即 V c ：V f = 75 ：25 ，x= 25% 时，则 V w + V c + V f + V a = V e （1.3.26）水泥密度 r c = 3.15kg / L ，细粉料比重 r f = 2.51kg /L ，则 （1.3.27） 2、用于 HPC 时砂率公式的简化当 s g 时 （ s =2.6
27、5, g =2.652.70） （1.3.28）在 HPC配合比计算时，（1.3.28）式中浆体体积Ve和干砂浆体积Ves尚需具体确定。根据美国 P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的观点， 要使 HPC 同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料的体积比应为 35：65 ，故对 HPC 可取 Ve = 350L 。干砂浆体积确定如下对于一定粒径的碎石，视密度为o ，堆密度为b ，石子空隙率 P为 （1.3.29）根据图 1-1 模型的观点，当单位体积石子的孔隙正好被干砂浆填满时，则得干砂浆体积为 （1.3.30）（1.3.30） 式是计算干砂浆体积的通式，可以通过实测石子视密
28、度o和堆密度b而精确计算。一般地，最大粒径 25mm 的碎石，视密度o= 2.70kg / L ，堆密度b = 1.55 kg / L ，则干砂浆体积 （1.3.31）当配制 HPC 时，采用最大粒径 1020mm 的碎石，由于比表面积较大，要保证良好的石子包裹性和混凝土施工性，干砂浆的体积应增加 5% ，这样 V es = 450L ，同时 V e = 350L ， V s +V g = 650L （ Mehta 的观点）。将这些数据带入式（1.3.28）得到 HPC 的砂率的计算方法。 （1.3.32）3、复合超塑化剂用量的计算在对复合超塑化剂的研究中，建立了 HPC 中复合超塑化剂 CS
29、P 目的减水率 （ ） 和掺量 （ ） 的计算公式 ： （1.3.33） （1.3.34）式中 W 0 坍落度 79cm 基准混凝土用水量 （kg/m3 ） ，与石子最大粒径有关。W 0 取值如表 1-8 ：WHPC 的用水量 （kg/ 3 ）； 减水剂增量系数，取决于 HPC 的初始坍落度 , 当 SL=16-18cm 时， =0.04 ，SL=20-22cm 时， =0.06 。表1-2 基准混凝土用水量 W 0石子最大粒径（mm）16202530W0（kg/m 3 ）230215210205总结如上研究，由设计强度可算出配制强度，由配制强度求得水胶比和用水量，从而得到胶凝材料用量，根据细
30、掺料的比例组分可分别求得水泥用量和细掺料用量，根据砂率和用水量的关系式求出砂率，近而得到粗细骨料用量。复合超塑化剂用量根据混凝土坍落度要求求出。由此所有组分材料用量即可全部定量计算。四、对混凝土配合比设计方法的看法按照普通混凝土配合比设计规程JGJ 552011 ，在混凝土配合比设计中，水灰比是主要设计参数之一，水灰比与配制强度的关系是配合比设计中首先要确立的基本关系。早在1918 年，美国波特兰水泥协会的D A 阿伯拉姆斯以“混凝土混合物的设计”为题，发表了著名的水灰比定律：“在一定的工作条件下，集料的品质和配合比不变时，可塑性混凝土的强度与其它性质都是由水灰比所决定”。20世纪20 年代以
31、后，瑞士混凝土专家保罗米根据法国菲莱公式，把28 天混凝土抗压强度的曲线公式改为近似直线的公式，我国20世纪50年代以来，长期使用Bolomy经大量试验数据统计拟合的公式： （1.4.1）该式试验时的条件是使用硅酸盐水泥、级配良好而清洁的河砂、粒形匀称的石子，A、B系数依石子品种而异；该式适用于坍落度为3090 mm的塑性混凝土，因施工性和经济性的要求，我国在使用该式时要求水泥强度fce和混凝土强度fc28的关系fce=（1.5-2） fc28。根据强度要求计算得出的水灰比与试配验证的结果相差可达20%30% 由于水泥标准的变化，JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程修改了Bolomy公式中的系数A、B。但是，由于材料科学的进步及我国商品混凝土的发展，普通混凝土的组成材料已经由四组份发展到六组份。胶凝材料也不仅仅是水泥一个品种，已经发展到粉煤灰、矿粉等多个品种。我国自1970年代引进高效减水剂，直到1980 年代末至今得以大量使用后，混凝土强度不再依赖于水泥强度。混凝土在发展过程
