基于石子填充法的多组分混凝土配合比的设计

张勇

广东华路交通科技有限公司 广东广州 510550

摘要：随着现代混凝土技术发展，配合比设计方法也经历着变革，现行的以经验为基础半定量的混凝土配合比设计方法，已经不能满足现代多组分混凝土的配合比设计要求。本文在分析了现行标准普通混凝土配合比设计方法的基础上，介绍了现代混凝土强度理论和混凝土体积组成石子填充模型，并由此提出来多组分混凝土配合比设计的新思路，将混凝土中影响强度的因素进行量化计算。

关键词：多组分混凝土；强度理论；配合比设计；石子填充模型

前言

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，随着材料科学的发展，混凝土由传统的水泥、砂、石、水为主要组成，已经转变为以砂、石、水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅灰、水、外加剂等多组分组成。现阶段混凝土配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）进行，主要设计要求包括[1]：1）混凝土和易性良好，便于施工；2）混凝土强度满足要求，耐久性好；3）在满足上述两项的要求下，选用最经济的材料组合。

本文在分析了现行普通混凝土配合比设计方法的基础上，介绍了现代混凝土强度理论和混凝土体积组成石子填充模型，并由此提出了多组分混凝土配合比设计新思路，为现代多组分混凝土配合比设计提供借鉴。

1、现行标准混凝土配合比设计

现行混凝土配合比设计的标准方法即《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），主要有以下5个主要步骤[1]：1）由设计强度确定试配强度；2）通过计算查表确定配合比设计中的基本参数（最大水胶比、最小水泥用量、单位用水量、砂率等）：3）计算配合比：由试配强度求出相应的水胶比；查表选取单位用水量，并計算出单位水泥用量；查表选取砂率，计算砂石的单位用量，并提出试配配合比；4）试配，调整和易性，校核强度、密度，确定混凝土配合比；5）特殊要求混凝土配比设计：对泵送混凝土、大体积混凝土以及有抗渗、抗冻要求的混凝土等，应根据实际要求进行相应调整。

《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）中的大量参数主要靠查表选取，属于以经验为基础的半定量设计方法 [2]。这种基于经验的配合比设计方法设计变量较少、考虑性能单一（主要满足强度及工作性的要求），难以配制出组分复杂、高耐久性及其他具有特殊性能的混凝土。同时，优化配合比设计十分困难，很难做到在满足施工和易性、强度和耐久性要求下，采用最经济的材料组合[3]。

2、现代混凝土强度理论和石子填充模型

硬化混凝土是一系列复杂物理化学反应的产物，其强度由粗骨料和硬化浆体两部分提供。通常情况下要求粗骨料的强度不小于设计混凝土强度等级的1.5倍，故混凝土强度主要取决于硬化浆体。硬化浆体强度由水泥水化形成的C-S-H凝胶、矿物掺合料的二次水化形成的凝胶以及微集料填充三部分组成。对于低强度等级的混凝土，其硬化浆体强度主要由水泥水泥水化形成的C-S-H凝胶和低活性的掺合料填充组成，强度主要取决于水泥。对于高强度等级的混凝土，其硬化浆体强度主要由水泥水化形成的C-S-H凝胶，高活性的矿渣粉二次水化形成的凝胶，填充于孔隙中的超细掺合料等组成。因此在低强度等级范围内混凝土的强度主要与水泥强度和粘结强度有关；在高强度等级范围内，由于粘结强度较大，此时混凝土的强度主要与水泥强度、超细矿物掺和料密切相关，尤其是超细掺和料（矿粉，硅粉等）的微粉超叠加效应表现的十分明显 [4]。

现代混凝土强度理论在吸取Powers的胶空比理论、A.A.Griffith脆性材料断裂理论和晶体材料导出的的材料强度公式的基础上，认为混凝土的强度与水泥石的理论强度、胶结材料的填充强度贡献率、硬化砂浆的密实度成正比例[5]，并构建了现代混凝土强度理论的数学模型及计算公式。是混凝土对应的硬化浆体的理论强度，它主要反映了胶凝材料的活性和水化形成的强度；u是胶凝材料的填充强度贡献率，主要反映了胶凝材料的微集料填充效应，可依据掺合料的种类、数量的不同计算它们对混凝土强度的影响；m是硬化浆体的密实度，它主要反映了胶凝材料水化和混凝土拌合物的工作性的调整以及外加剂的使用造成密实度的变化对混凝土强度的影响。

硬化混凝土由粗集料和硬化砂浆两部分组成，在混凝土拌合过程中，可以认为粗集料作为砂浆的填充料，在强力振捣下均匀的填入具有一定强度等级的砂浆形成混凝土拌合物。当粗集料的压碎值较小时，粗集料的强度高于混凝土的设计强度，故认为石子的填入只占了体积，不影响混凝土的强度，则混凝土的强度取决于硬化水泥砂浆的强度、胶凝材料填充强度贡献率和硬化砂浆密实度。砂浆中砂子做六方紧密堆积，粒径较小的胶凝材料完全填充于砂子堆积的空隙中形成砂浆，石子均匀填入砂浆中形成混凝土拌合物，硬化砂浆体积由胶凝材料体积、拌合用水体积和砂子体积组成，这种混凝土体积组成模型称为石子填充模型[6]。

3、基于现代强度理论和石子填充模型的混凝土配合比设计

在多组分混凝土配合比设计中，配合比设计以使用纯水泥的基准混凝土为计算基础，根据水泥的强度、需水量和表观密度求出提供1MPa强度所需要的水泥用量，以此计算出满足设计强度等级混凝土所需水泥用量；其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求出各胶凝材料的用量及合理的分配比例；根据胶凝材料正好填充砂子的堆积空隙为依据，确定砂子用量，再根据混凝土体积组成石子填充模型（XS法）确定石子用量；最后根据胶凝材料的标准稠度用水量，调整混凝土工作性的用水量，砂石表面润湿所需的用水量，计算出混凝土总的用水量。

3.1配制强度的确定

多组分混凝土的配制强度按现行规范《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）确定。

3.2水泥浆理论强度的计算

水泥强度的检验采用标准胶砂试验的方法，当标准养护的水泥胶砂试件破型试验时，标准砂并没有破坏，硬化水泥浆体被压力破坏。我们认为水泥水化形成的理论强度等于标准养护的水泥标准胶砂强度R28除以水泥在标准胶砂中体积VC0。可通过以下公式求得：

（3.2.1）

式中：C0——标准胶砂中水泥的用量；

S0——标准胶砂中标准砂的用量；

W0——标准胶砂中水的用量；

——水泥的密度；

——标准砂的密度；

——水的密度；

（3.2.2）

式中：R28——标准养护的标准胶砂28天抗压强度；

——标准胶砂中水泥的体积比；

3.3水泥基准用量的确定

水泥加水搅拌后达到充分反应水化形成浆体的合理水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比，这一水胶比对应的水有两个作用：1）保证水泥充分水化；2）保证水泥颗粒达到充分水化所需的匀质性。水胶比过大，硬化后会留下孔隙，水胶比过小，达不到颗粒充分的匀质性，因此最好控制在标准稠度用水量对应的水胶比。

依据石子填充模型，当混凝土中水泥浆体体积达到100%时，混凝土强度等于水泥的理论强度值，即R=，此时标准稠度水泥浆的表观密度可以通过一下公式求出：

（3.3.1）

式中：——标准稠度水泥浆的表观密度

——水泥的密度；

——水泥的标准稠度用水量

提供1MPa强度对应水泥用量由下式计算：

（3.3.2）

配制强度为的混凝土基准水泥用量为C0

（3.3.3）

3.4掺合料用量的确定

在多组分混凝土设计中，保持掺合料反应活性和填充强度贡献率折算后与未掺掺合料的纯水泥相等，掺合料可由下式求得：

（3.4.1）

（3.4.2）

式中：C/、F、K、Si——分別为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的用量

、、、——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的活性系数

、、、——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的填充填充系数

3.5 用水量的确定

混凝土总的用水量大致可以分为三部分：1）胶凝材料完全水化用水；2）调整混凝土拌合物工作性的用水量；3）粗细骨料达到饱和面干所需的润湿水。

3.5.1胶凝材料完全水化用水W1

1）试验法

在已知水泥、粉煤灰、矿粉和硅粉的比例后，按已知比例复合胶凝材料，采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得复合胶凝材料标准稠度用水量W0，在此水胶比下，求得胶凝材料完全水化所需水量W1.

2）计算法

计算出水泥、粉煤灰、矿粉和硅粉的准确用量后，按照胶凝材料的需水量系数通过加权求和计算得到胶凝材料完全水化所需水量W1.

（3.5.1）

3.5.2调整混凝土拌合物工作性的用水量W2

依据混凝土配合比设计指南，每增加1mm坍落度所需水量为0.5kg，则用于调整混凝土工作性的用水量为0.5Tkg。

3.5.3粗细骨料达到饱和面干所需的润湿水W3

对于干燥的粗细骨料，在混凝土拌合过程中其表面在物理吸附作用下吸水达到饱和面干状态，且这部分润湿水并不影响骨料的体积变化，即。这部分水的用量等于粗粒骨料各自的用量乘于达到饱和面干时各自的吸水率。

3.5.4掺入外加剂后总的用水量W

当掺外加剂时，外加剂的分散作用释放了水泥颗粒团聚包裹的水，改善了混凝土的工作性，同时胶凝材料由于未来得及完全水化，胶凝材料完全水化用水也起到改善混凝土拌合物流动性的作用，但骨料润湿所需的用水量并不受外加剂掺入的影响，故掺入外加剂后实际用水量：

（3.5.2）

3.6细集料用量S的确定

在砂子用量计算时，我们采用胶凝材料完全填充砂子空隙，同时砂子达到饱和面干的润湿水既不改变体积也不影响砂子的堆积状态，因此砂子用量通过砂子紧密堆积空隙率p求得：

（3.6.1）

3.7粗集料用量G的确定

由于粗细骨料达到饱和面干状态所需要的润湿水W2只起到润湿作用，并不影响混凝土的体积，故石子的体积，则石子用量

4.结语

由上可知，基于现代混凝土强度理论和石子填充模型的混凝土配合比设计方法，能够得出混凝土配合比设计中水泥、掺合料、细集料、粗集料、拌合用水量等组成材料的准确计算公式；构建了水泥强度与混凝土强度直接的对应关系；实现了多组分混凝土配合比设计和强度的科学定量计算，利于混凝土生产的计算机控制；同时利于混凝土配合比的优化设计，在满足施工和易性、强度和耐久性要求下，采用最经济的材料组合，提高了混凝土企业产品的质量和成本控制。

参考文献：

[1]《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[S].中国建筑工业出版社，2011.

[2] 王国友，石亮，刘建忠。基于浆骨比的现代混凝土配合比设计[J]。江苏建筑，2014（1）：93-95

[3]郑少雄。探讨各类混凝土配合比设计理论的分析与思考[J]。中华居民，2014（2）：12-13

[4]唐咸燕，肖佳，陈烽，等。粉煤灰和矿渣微粉在水泥基材料中的复合效应研究[J]。水泥，2006（10）：9-12

[5]朱效荣，孙辉，马玉欣，等。多组分混凝土强度理论在配合比设计中的应用[J]。施工技术，2007，36（4）：67-69

[6]朱效荣，孙辉。现代混凝土理论在混凝土研究中的应用[A]。第三届全国商品混凝土信息技术交流大会暨2006全国商品混凝土年会论文集[C]，2006，107-120

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4.优化后的措施为保温蓄热法

根据以往工程经验并结合专家意见，采用麻袋+双层薄膜+棉被（不少于150mm厚）的覆盖蓄热保温措施。当混凝土表面抹平之后，混凝土初凝之后，马上在其表面覆盖保温材料。为使混凝土表面不直接暴露在大气中，覆盖材料前，用喷雾器洒水。另混凝土浇筑完成且初凝后，将电梯井蓄满水进行保温。现测得混凝土内表温差在15至18度之间，保温效果显著。

5.温控效果

（一）里表温差是指砼内部温度峰值与砼表层50～100mm以下位置的温度差值。

（二）大气温差是指砼表层50～100mm以下位置的温度砼与覆盖层内的温度差值。

五、桥梁工程承台大体积混凝土温度影响分析

由于混凝土是由水泥、砂石等材料组成的非匀质材料，虽然具有较高的抗压强度及良好的耐久性，但在施工结束投入使用过程中容易出现开裂。特别是对于大体积混凝土，由于混凝土结构尺寸较大，表面系数小，在水化热的作用下，产生了大量的热量，大体积混凝土表面结构的热量可以迅速散失，但是内部由于热传导不良，水泥水化所释放的水化热难以散发，在内部蓄积起来，致使混凝土“内热外冷”，形成较大的内外温差，进而产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成较为复杂的膨胀或收缩应力，当砼的抗拉强度不足以抵抗由该温度引起的应力时，便开始产生温度裂缝，这时就会造成混凝土表面開裂的发生。因此，为了避免承台大体积混凝土施工出现裂缝问题，必须做好大体积混凝土温度的影响分析。

六、承台大体积混凝土施工温度控制措施

对于天气环境恶劣和昼夜温差大的地区，要根据温度和混凝土的情况对保温措施作出适当的调整，保证温差的变化在控制的范围之内。

1.选择适宜的温度环境进行大体积混凝土浇筑施工

尽可能避免混凝土长距离的运输和泵送，并避免在较高的温度下施工。尽可能的选择环境温度相对较低的晚上或者是早晨进行，以降低大体积混凝土的浇筑温度。

2.在承台大体积混凝土内部埋设循环冷却水管

为降低混凝土的内外温差，可通过在承台构件内部预埋冷却循环水管的方式带走混凝土内部水化热，从而降低内部热量的聚集。循环冷却水管一般选用薄壁铁管，采取回形布置的方式，按照水平管间距 100 cm，垂直间距 60 cm 左右进行循环冷却水管的布置。一般情况下，在循环冷却水管上覆盖一层混凝土之后就应该通水降温，通过这种连续供水的方式，降低大体积混凝土内部的温度。

3.做好大体积混凝土温度的监控

在承台大体积混凝土施工过程中，应在混凝土内部埋设温度传感器对混凝土内部温度场以及内外温差进行监控。对于大体积混凝土的温度监控一般是在混凝土浇筑施工作业之后的升温阶段以及温度峰值持续阶段，间隔 1—2 小时测温一次。利用温度传感器进行温度监控，并综合采取调节循环冷却水管水流速度等措施，对大体积混凝土的内外温差进行控制，当混凝土内外温差趋于稳定后即可停止测温。

七、结束语

在桥梁承台施工过程中，应严格按照工程施工技术规范进行作业管理，同时采取优化混凝土配比、使用外掺剂、布置循环冷却管等辅助措施，避免温度裂缝的产生，进而提高大体积混凝土工程的整体施工质量。

参考文献：

[1]杜风余.浅谈大体积混凝土台身裂缝的控制[J]，黑龙江科技信息.2010（02）：50-54.

[2]高勇明.大体积混凝土温度裂缝控制技术的探讨[J]，西部探矿工程.2011（05）：145-146.

[3]杨光.桥梁承台大体积混凝土施工与温度控制[J]，交通标准化.2013（09）：80-84.