龍鳳全，羅燦亮，褚云朋，侯鴻杰

(1.四川省三臺縣波特蘭商品混凝土有限公司, 四川綿陽 621010；2 西南科技大學(xué), 四川綿陽 621010)

現(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計復(fù)雜，本文提出一種對混凝土質(zhì)量全面控制與實用配合比設(shè)計的理論-波全元混凝土理論。該理論中混凝土包括三類：密實類混凝土(普通混凝土)，空隙類混凝土(透水混凝土)，砂漿(無粗骨料的混凝土)。此理論能夠把混凝土的技術(shù)、質(zhì)量與綜合成本進行很好控制；把結(jié)構(gòu)理論與混凝土材料構(gòu)成相融合，全面考慮影響混凝土配制的各個因素，創(chuàng)新混凝土配合比設(shè)計理論，改進其配合比設(shè)計方法，使配合比設(shè)計更加科學(xué)合理。針對混凝土的特點和性能，用波全元混凝土理論的結(jié)構(gòu)模型與傳力原理進行計算假定，并以工程要求為目標，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，加以力學(xué)分析計算，以主材占單方混凝土體積為單位，以水膠比理論為基礎(chǔ)，以混凝土工作性能要求進行配合比設(shè)計。在質(zhì)量保證的前提下，達到材料性能穩(wěn)定，且降低成本。

本文闡述波全元混凝土理論對混凝土的配合比創(chuàng)新設(shè)計的原則，體積控制，主要檢測指標，以及粗細骨料的形狀及用量的確定過程，在此基礎(chǔ)上進行混凝土配合比設(shè)計，給出以此理論支撐的混凝土配合比實用設(shè)計方法，為混凝土生產(chǎn)企業(yè)提供借鑒。

1 單方混凝土體積的控制

1.1 體積控制的方法

此理論把三類混凝土統(tǒng)一建立了體積計算公式，即把占混凝土體積的空隙(透水混凝土有)，粗骨料(砂漿無)、細骨料(透水混凝土無)、漿體以絕對體積進行分配，再換算成各自重量。粗細骨料與凈漿體用量的總和為單方混凝土設(shè)計容重。又因為波全元混凝土理論認為空氣占用混凝土的有效體積只能融于漿體內(nèi)。故漿體體積為空氣體積與凈漿體積之和。

1.2 混凝土配合比的體積組成

單方混凝土配合比的體積組成分三類介紹：

(1)密實類混凝土的體積(為每1 m3混凝土體積為粗骨料體積、細骨料體積、漿體體積之和)。

(2)空隙類混凝土的體積(每1 m3混凝土體積為空隙體積、粗骨料體積、漿體體積之和)。其中空隙類混凝土的空氣含量以漿體測定，故空氣折算體積Vac表達式見式(1)：

Vac=(1-Vg-Vv)·Ca

(1)

式中：Vg指粗骨料的體積；Vv指空隙體積；Ca指空氣含量。

(3)砂漿每1 m3體積由細骨料體積、漿體體積組成。

1.3 混凝土配合比的主要計算步驟

按波全元混凝土理論三類混凝土統(tǒng)一配合比的體積組成，主要合理確定空隙，粗骨料、細骨料、漿體四者之間的體積關(guān)系，無則為零。

(1)空隙的體積按產(chǎn)品要求進行修正確定。

(2)以單方混凝土粗骨料的理論孔隙率確定粗骨料的體積。

(3)每1 m3混凝土體積減去混凝土的空隙加粗骨料體積為砂漿的體積，砂漿體積中以細骨料的理論孔隙率計算出細骨料的體積。

(4)砂漿體積減細骨料和空氣體積為每1 m3混凝土凈漿體積。

1.4 混凝土配合比統(tǒng)一計算公式

(1)空隙體積Vv的計算見式(2)。

Vv=βv·γ

(2)

其中：βv表示設(shè)計空隙率；γ為調(diào)整系數(shù)，γ根據(jù)生產(chǎn)誤差確定，取值范圍0.5～1.5，無空隙率要求的混凝土空隙體積為0。

(2)粗骨料體積Vg的計算見式(3)

Vg=1-Vv-βgv

(3)

其中βgv指粗骨料的理論孔隙率，無粗骨料的混凝土粗骨料的體積為0。

(3)細骨料的體積計算分為兩步，首先計算出砂漿的體積Vm見式(4)，再計算細骨料體積Vs見式(5)。其中βsv指細骨料的理論孔隙率，無細骨料的混凝土細骨料體積為0。

Vm=1-Vv-Vg

(4)

Vs=Vm·(1-βsv)

(5)

(4)漿體體積Vpu見式(6)：

VPu=1-Vv-Vg-Vs

(6)

(5)凈漿的體積Vp見式(7)：

Vp=1-Vv-Vg-Vs-Vac

(7)

其中Vac指實測空氣體積。

(6)凈漿的用量mp見式(8)：

mp=ρp·VP

(8)

ρp指實測凈漿的密度。

2 骨料平均粒徑及單顆粒凈距確定

2.1 等效體積假定

計算混凝土粗或細骨料總體平均粒徑時先按照波全元理論對粗或細骨料顆粒進行等效體積假定。等效體積假定按粗細骨料分為兩類，以篩分試驗數(shù)據(jù)按每格篩網(wǎng)，把形態(tài)各異的粗骨料或細骨料等效為以每格篩余的平均粒徑為邊長的正方體(圖1)。

圖1 骨料等效為正方體

2.2 粗或細骨料總體平均粒徑計算

(9)

其中：Lb、Ll分別指本格篩網(wǎng)方孔的邊長和上一格篩網(wǎng)方孔的邊長。

每格篩余骨顆粒數(shù)的計算分為每格篩余單顆骨顆粒的體積Vr、每格篩余單顆粒的質(zhì)量mr、每格篩余骨料的顆粒數(shù)tr。先計算每格篩余單顆粒的體積為式(10)：

(10)

(2)每格篩余單顆粒的質(zhì)量計算為式(11)。

mr=Vr·ρ/106

(11)

其中：ρ表示骨料的實測表觀密度。

(3)每格篩余的顆數(shù)tr=m/mr，m表示每格對應(yīng)的篩余值，單位為g。

(4)篩分實驗所取骨料樣品的總顆粒數(shù)t的計算見式(12)。

t=∑tr

(12)

(13)

其中:mg、tg、ρg分別代表粗骨料的樣品重量、粗骨料總顆粒數(shù)、粗骨料實測表觀密度，m2.36表示2.36 mm方篩孔以下底盤的重量。

(14)

其中：ms、ts、ρs分別代表細骨料的樣品重量、細骨料總顆粒數(shù)、細骨料實測表觀密度，m0.15表示0.15mm方篩孔以下底盤的重量。

(8)處理多組篩余試驗的數(shù)據(jù)的計算方法為：按現(xiàn)行混凝土配合比技術(shù)規(guī)程[1]的一般要求，粗骨料作1組篩分試驗，細骨料作2組。若作2組以上的篩分試驗，應(yīng)以2組以上樣品的總量，每格篩余重量、底盤重量的平均值均按上述方法進行計算。

2.3 粗或細骨料合理凈距的計算

圖2 網(wǎng)點力的分解

(15)

按F方向的兩個垂直面同時分解，F(xiàn)=F1+4·F2，則可推出公式(16)：

(16)

(17)

由圖3的力的平衡可知：配制強度與砂漿體的抗壓強度相等的前提下，骨料在外力F作用下，任一面分解到砂漿體上的壓力F1與傳至沙漿體上的力FR相平衡。得出：F/骨料邊長平方=F1/(骨料的邊長·骨料的凈距)，依據(jù)式(17)得出骨料的凈距=骨料的邊長/ē·骨料凈距的調(diào)整系數(shù)ā，骨料的凈距計算公式分別為：

圖3 按等壓力法計算骨料凈距

粗骨料的凈距=粗骨料的邊長·ā/ē

細骨料的凈距=細骨料邊長·ā/ē

(18)

(19)

2.4 粗或細骨料理論孔隙率的計算

為了計算粗細骨料的凈距，確定單立方混凝土中粗細骨料的理論孔隙率，更好控制漿骨比與砂率，得出粗細骨料與漿體三者的合理體積。假定單方混凝土中粗細骨料按理想狀態(tài)排列，可得出理論孔隙率的計算模型。

2.4.1 理論孔隙率計算模型假定

以粗骨料為例，假定每方混凝土粗骨料用量定值，粗骨料的總顆數(shù)與總體積和砂漿總體積都必然確定，把砂漿的總體積分配到總顆數(shù)上，折算到等體積的單顆粒粗骨料的正方體上，替代形狀與大小各異的粗骨料計算粗骨料用量，以及骨料與砂漿的內(nèi)在關(guān)系，計算出粗骨料的理論孔隙率，見圖4。

圖4 理論孔隙率假定模型

2.4.2 混凝土理想狀態(tài)排列假定

(1)粗骨料的狀態(tài)排列假定：混凝土中，粗骨料是以平均粒徑為邊長的正方體，為了給砂漿體留下足夠體積空間，每側(cè)以粗骨料之間凈距的1/2為空隙(為砂漿體積區(qū)域)，由粗骨料和空隙構(gòu)成的正方體組成1 m3混凝土，砂漿體積則為每1 m3混凝土體積減去粗骨料的體積。

(2)細骨料的理想狀態(tài)排列假定：細骨料為以總體平均粒徑為邊長的正方體(為細骨料體積區(qū)域)，為給漿體(含空氣)留下足夠空間，每側(cè)以細骨料之間凈距的1/2空隙(為漿體積區(qū)域)，由細骨料加空隙構(gòu)成的正方體組成1 m3混凝土中砂漿體，漿體的體積則為每1 m3混凝土中砂漿的體積減去細骨料的體積。

3 混凝土配合比具體設(shè)計步驟

配合比設(shè)計共分為七步：確定凈漿體及其密度，確定粗骨料體積及用量，確定細骨料體積及用量，確定凈漿體用量及初步基準配合比，適配及工作性檢驗混凝土基準配合比，定混凝土的生產(chǎn)配合比，及采用計算相關(guān)Excel表。

(1)以混凝土現(xiàn)行配合比設(shè)計規(guī)程初步確定凈漿體并測定密度。主要包括確定配制凈漿體的原材料及測定其相關(guān)指標，按照混凝土現(xiàn)行配合比設(shè)計規(guī)程計算配制強度和水膠比，先按測凈漿體密度所需最小用量mpx計算各原材料的用量，并按現(xiàn)行標準《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》檢測凈漿的密度。相關(guān)的計算表達式為式(20)～式(26)：

總用水量Wz的與凈漿用量、水膠比等有關(guān)，見式(20)。

Wz=mpx/(1+1/Sj+Wc·Wg/(Sj·104)

(20)

膠凝總用量Jz：

Jz=Wz/Sj

(21)

外加劑用量Wy：

Wy=Jz·Wc/100

(22)

外加劑含水Wh：

Wh=Wy·(100-Wg)/100

(23)

摻合料用量Fy：

Fy=Jz·Fc/100

(24)

水泥用量Sy：

Sy=Jz-Fy

(25)

用水量W：

W=Wz-Wh

(26)

其中水膠比為Sj，外加劑摻量為Wc，外加劑固含量Wg，粉煤灰摻量Fc。

(2)確定粗骨料體積及用量計算。確定兩種粗骨料的最佳搭配比例，搭配后的粗骨料按現(xiàn)行標準檢測粗骨料相關(guān)指標。再按前述方法計算粗骨料總體平均粒徑，確定出粗骨料的合理凈距，計算出粗骨料的理論孔隙率。再計算粗骨料的單方用量，包括計算粗骨料體積與用量，砂漿體的體積。

(3)確定細骨料的體積與用量，相關(guān)方法同粗骨料體積及用量的確定方法。

(4)確定凈漿體用量及初步基準配合比。先確定凈漿的用量，包括計算凈漿的體積；其次計算凈漿的總用量mp，再計算漿骨比；第三步用確定凈漿的總用量mp代替mpx按式(1)計算，式(20)計算凈漿各原材的用量；第四步是初步確定混凝土的基準配合比。

(5)適配及工作性和強度等檢驗混凝土基準配合比。工作性主要是檢測粘聚性、保水性、流動性、初凝值及終凝值等，通過調(diào)整粗(細)骨料凈距確定粗、細骨料的合理用量，后調(diào)整水膠比，最終得出混凝土的基準配合比。

(6)確定混凝土的生產(chǎn)配合比。再得出的基準配合比基礎(chǔ)上，再根據(jù)相關(guān)施工要求、利用原材料相關(guān)檢測指標換算為混凝土生產(chǎn)配合比。

(7)按上述步驟對混凝土配合比進行設(shè)計，為減少混凝土配合比計算工作量，將相關(guān)公式編入Excel表中，方便混凝土各原材料用量計算，通過Excell表計算的配合比見表1～表3。

4 結(jié)論

為獲得混凝土的粗、細骨料與漿體三部分主材體積與用量，用混凝土配合比設(shè)計滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能，獲得高效配合比的設(shè)計方法，并使混凝土配制實現(xiàn)高度可控。

表1 粗骨料用量

表2 基準配合比計算

表3 基準配合比工作性能

(1)通過波全元混凝土理論的結(jié)構(gòu)模型對骨料進行了計算模型的假定。在對骨料進行計算模型假定時針對粗細骨料的形狀和狀態(tài)分布進行了合理的假定，并結(jié)合配制強度及骨料實際受力，提出粗細骨料凈距表達式，用以得到粗細骨料調(diào)整系數(shù)，指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計。

(2)通過采用以波全元混凝土理論對粗細骨料的形狀和在單方混凝土中狀態(tài)分布的假定，在計算的基礎(chǔ)上，以具體使用的原材料實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對混凝土進行配合比設(shè)計，加以Excel表輔助實現(xiàn)高效設(shè)計混凝土配合比的方法。