混凝土配合比的优化设计

摘要：随着混凝土工程的发展, 伴随着数学方法和人工智能方法的应用而生, 优化高效的算法、方法必将会越来越多地被应用到混凝土工程中, 带来巨大的社会效益和经济效益。本文分析混凝土配合比优化设计内容及方法。

关键词：混凝土配合比优化设计

中图分类号：TV331文献标识码： A

混凝土配合比优化设计方法需要根据经验表格确定用水量和砂率，在用水量和砂率确定后，才能进行配合比设计。

一、关于混凝土配合比优化设计内容

1.原材料的选择。普通混凝土一般所需要的水泥、水、粗骨料、细骨料4种材料, 对于目前出现的高性能混凝土除去以上4种材料外, 还需要高效减水剂和活性矿物掺合料。

2.混凝土的抗压强度。对于高性能混凝土, 混凝土的抗压强度与其他耐久性相比, 强度试验仍容易进行, 而且, 高性能混凝土的许多性质, 诸如: 抗渗性、弹性模量等均直接与强度有关。尽管实际结构中, 混凝土的受力是复杂的, 但单轴压力试验最容易进行, 混凝土的单轴抗压强度已广泛地作为混凝土强度的通用指标。对于混凝土(或高性能混凝土)的抗压强度的因素, 除了原材料外, 一些配合比参数如: 胶结材料、胶结浆体数量、水胶比是主要的影响因素。

3.混凝土的工作性。混凝土的工作性(workab ility) , 又称为和易性。是指混凝土拌合物易于施工操作(拌合、运输、浇筑、捣实)并能获得质量均匀、成型密实的性能。工作性是一项综合的技术性质, 包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。

4.配合比设计方法。近年来, 人们总结出多种混凝土的配合比设计方法, 大致可分为三种。第一理论分析方法，如法国路桥中心F.De Larrard等基于最大密实理论, 提出了优化高性能的混凝土配合比设计的数学模型。第二半经验半试验方法。这种方法基本要点:对适当的粗骨料, 为得到高的体积稳定性, 胶结浆体与骨料的体积分别占35% 和65%为宜；根据混凝土强度等级确定用水量；胶结材料根据具体的情况可有不同的选择；高效减水剂的掺量可取1%；混凝土的粗细骨料体积比对强度等级不同的可取相对应的比例。第三经验性的方法，这类方法基本上是完全建立在实验的基础上。如: 法国路桥中心( LCPC)提出的用胶结浆体进行流变试验。冯乃谦等根据高性能混凝土所处的环境及技术要求的不同, 即根据不同的耐久性要求, 提出的配合比设计方案。

二、关于混凝土配合比优化设计方法

图1 砂及粗骨料的级配曲线

1.材料和实验设备

（1）材料的制备。第一砂的化学成份。砂为细骨料, 用于填充砾石等粗骨料的空隙并共同组成钢纤维混凝土的骨架。本试验所用砂根据土的工程分类标准(GBJ14590), 由标准筛确定分级, 范围从细到中（图1)，细度模数为1.8, 密度为2.6g/cm3, 级配良好, 洁净, 灰和粘土含量极少。第二碎石的性能。碎石通过压碎石灰岩得到, 是组成钢纤维混凝土的骨架材料,为粗骨料。碎石颗粒表面较粗糙, 富有棱角, 能产生良好的机械嵌固性能, 与水泥浆有较强的粘结力。本试验所用碎石有两种级配( 图1可见有3/8和8/15)。表1给出砂、碎石的物理、形态和机械性能.。第三水泥成分。水泥为胶凝材料, 把砂、石和钢纤维胶结成整体。本试验所用水泥是425号普通硅酸盐水泥。该型号水泥容易生产而且在中国建筑行业使用广泛. 其密度为3.6 g/cm3, 比表面积为3600cm2/ g.根据Bogue法得到的主要矿物成分见表2。值得注意的是, 由于氧化物在C3S替换了某些CaO成分, 所以Bogue法低估C3S的含量, 而高估C2S的含量。第四减水剂,本文所用减水剂密度为12, 干燥物含量为21.25%。减水剂为表面活性剂, 可增大混凝土拌合物的流动性, 减少用水量,降低水灰比, 提高混凝土强度, 减少混凝土拌合物泌水、离析现象。

表1试验所用砂及碎石的物理、形态参数

表2 硅酸盐水泥的矿物成分( 质量百分比)

2.试验设备及原理介绍

（1）钢纤维混凝土拌合料的和易性指拌合料能保持其成分均匀, 不致发生离析现象和易于施工操作的现象.：是包括拌合料的流动性、粘聚性和保水性等方面的一项综合性技术性能.。通常和易性是测定拌合物的流动性(或称稠度)。稠度的测定方法有三种: 坍落度法、维勃稠度法和倒置坍落度筒法. 坍落度法用坍落度值表示, 此法适用于坍落度值不小于20mm的钢纤维混凝土拌合料的稠度. 维勃稠度法适用于维勃稠度在5-30s之间的钢纤维混凝土拌合料稠度测定, 用维勃(VB)值时间表示。由于在混凝土拌合料中加入钢纤维后, 钢纤维在拌合料中形成网状结构, 而且钢纤维的表面积很大, 使拌合料内部摩阻力加大, 阻止拌合料的流动, 从而引起稠度的明显降低. 纤维的体积率和长径比越大, 纤维表面越粗糙, 其流动性降低越明显. 试验表明: 经振捣后钢纤维混凝土拌合料的流动性与未加钢纤维时的流动性相近. 因此, 用坍落度表示其稠度, 有时不能完全反映钢纤维混凝土拌合料的稠度, 尤其对半干硬性和干硬性钢纤维混凝土拌合料更是如此. 当钢纤维混凝土拌合料坍落度小于20mm时, 测值不敏感, 误差较大。维勃稠度法当维勃稠度VB值在5-10s时, 误差也较大。

图2测量和易性装置( LCL测试仪)

（2）为此, 本文试验采用特制的LCL仪(见图2)测试和易性, 用拌合料流动时间表示. 该仪器由具有光滑不变形表面的棱形金属模板组成, 配有振动棒。可拆卸的金属隔板倾斜角度为38°, 将LCL仪内部分割成两个独立空间。由图2可知, LCL和易性测试仪中连续的试验过程为: 将纤维混凝土注入模板；搅拌振动均匀；去掉金属隔板(开始计时)；纤维混凝土流动到指定位置(计时结束)。与维勃稠度测试方法和坍落度测试方法相比本法有两个优点:第一维混凝土拌合料数量比坍落度测试方法可多5倍, 这样所测结果更接近于工程实际中的真实情况, 更具有代表性。第二由图2可见, 纤维混凝土的流动性更具有动态, 可更好地模拟施工过程中模板内部的纤维混凝土性能。在拌合料试拌时, 需要水量与固体颗粒的表面积以及孔洞体积有关。适当增大水灰比和用水量有利于钢纤维的分散均匀性。 但不能单纯依靠改变用水量来调整其和易性, 而应在保持水灰比不变的条件下, 调整水泥浆的用量以满足和易性要求, 否则会影响其强度和耐久性。在此假定基础上, 本试验选取不同外加剂、水泥和水用量, 但保持水灰比为常量。

3.试件准备及试验过程

（1）纤维混凝土的各成分用量如下:水泥: 350kg/m3。砂: 758kg/m3，碎石: 1073kg/m3 ，水: 215kg/m3 (该数值考虑拌合料的吸水性能)拌合时, 各组成材料的投放方法和顺序与普通混凝土不同。本文试件需要的混凝土在50L的搅拌器里一次性配好. 在添加液态减水剂后, 采用特定的搅拌方法: 干搅拌碎石30s, 干搅拌水泥和碎石30s, 加水搅拌180s, 加入不同体积率的减水剂和钢纤维后搅拌150-210s。随后取出钢纤维混凝土并将其倒入钢模板内, 采用振动台上振捣以使其密实. 振捣时间与钢纤维的体积率、长径比有关。24 h后, 拆除模板，随后在22 ℃ 条件下养护28天后进行力学强度试验。

（2）和易性的测量。影响钢纤维混凝土拌合料和易性的因素,主要有钢纤维的体积率和长径比、水泥浆用量和稠度、砂率骨料性质及外加剂等。因此测量素混凝土与纤维混凝土和易性的方法通常有所不同。本文试验测量LCL测试仪内部的混凝土在准静态振动条件下流出指定位置处所需要的时间。

4.试验结果。本文试验过程中首先采用5组不同的纤维体积率,分别为0(素混凝土) 、0.5%、1%、1.5% 和2%, 其次采用7组百分含量不同的外加剂, 分别为0、0.5%、1%、1.25%、1.5%、1.75%和2%. 试验过程包含有35种完整的纤维和外加剂组合。对每一组配制组合均采用LCL测试仪测量纤维混凝土流动时间。图3中给出了7条不同的和易性时间随纤维体积率变化的曲线。

图3 和易性时间随纤维含量变化

5.讨论。从本文的试验结果, 可以得到以下结论:第一本文提出纤维混凝土的配合比优化方法。试验中保持水灰比为常数, 取外加剂成分、水和水泥数量为变量。第二纤维混凝土采用本优化设计方法远强于Swamy 法，得到的纤维混凝土机械性能更佳。Swamy 法在素混凝土或低纤维含量时结果好, 而本优化方法在高纤维体积率时效果明显。第三添加剂成分在小于1%时, 纤维混凝土的可适用性很差, 和易性不佳。第四本优化设计法兼顾了纤维混凝土的和易性与强度, 给出了最佳的纤维体积百分率区间为0.23%-0.73% , 对工程上的应用有一定参考价值.

目前，混凝土技术已经有了很大的进展, 混凝土的强度也已经远远超过了工程所需要的范围, 对混凝土的技术要求也已经达到很高的程度。合理的混凝土配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、工作性、均匀性等性能要求的前提下, 确定各种成分的用量, 以此来获得最经济、最适用的混凝土, 而利用经典的设计方法很难达到这些目标。因此针对更多性能要求的混凝土进行合理配合比优化设计成为迫切的需要。

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