多组分混凝土配合比设计理论系统总结

一

国内外研究状况

混凝土是我国建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一，全国每年就有数十亿立方米混凝土的需求，而且随着国家基础建设的加大投入，每年的混凝土用量仍呈递增趋势。伴随混凝土用量的增长，混凝土专业技术人员的增加，混凝土整体质量逐年提升，但和国外相比还存在较大差距，主要体现在混凝土的和易性和耐久性上。这是因区域的不同用于混凝土生产的原材料质量千差万别，而为了应付生产，找不到适合的原材料只能以次充好，就以混凝土胶凝材料来说，目前大量用于混凝土生产的胶凝材料是通用硅酸盐水泥中的普通硅酸盐水泥，众所周知，普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，而混合材是降低水泥材料成本的唯一途径，所以有些水泥厂为了追求水泥利润，加大混合材的掺加量，远超过20%混合材的限制，而这样的水泥运到混凝土搅拌站后在生产过程中还要掺加矿物掺合料，对于混凝土搅拌站来说，并不清楚水泥厂所掺加的混合材的种类和数量，于是就形成了生产混凝土经常出现的质量问题，如水泥和外加剂的适应性问题，混凝土滞后泌水，混凝土凝结时间不正常，混凝土开裂、碳化加剧等等，大大增加了混凝土生产过程质量控制的难度。从2000年以来，国内多家混凝土咨询单位开始了相关的技术研究，具体思路就是做配合比试验，在试验室技术效果明显，降低成本的作用比较理想，而一旦投入使用，配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加，降低成本的目标就会受挫。最近几年这项技术的研究处于停滞状态。

    在国外，欧美国家属于发达国家，由于大多数地区处于发达状态，建筑行业处于相对稳定的循环经济状态，建设总量较小，由于国外使用的水泥主要为纯硅酸盐水泥，砂石质量稳定，因此没有进行这方面的研究。

二

多组分混凝土配合比设计理论的创新点

1.建立了配制单位强度混凝土所需水泥量的计算公式

    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检验时，标准砂并没有破坏，水泥浆体被压力破坏，因此我们认为纯水泥浆的强度与胶砂的标准养护强度不同。水泥水化形成的强度等于胶砂标准养护强度除以水泥浆在标准胶砂中的体积比。本研究确定了水泥强度与混凝土配制强度之间直接的对应关系计算公式，建立配制单位强度混凝土所需水泥量的计算公式，这些计算公式在国内外属于首创，具体包括以下几部分：水泥胶砂中水泥体积比的计算公式1；水泥胶砂中水泥水化形成的强度计算公式2；水泥胶砂中水泥浆体密度的计算公式3；提供1MPa强度所需水泥量的计算公式4；配制强度为f_cuo的混凝土基准水泥用量的计算公式5。
    计算公式1：
    计算公式2：

    计算公式3：

    计算公式4：
    计算公式 5：

2.建立了掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式

    建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式，强度等级在C10—C60之间的混凝土配制过程中主要利用粉煤灰和矿渣粉的活性系数，强度等级大于C60的混凝土在配制过程中主要考虑粉煤灰和矿渣粉的活性系数，硅粉的填充系数。这些计算公式在国内外属于首创，具体包括以下7个计算公式：矿渣粉活性系数的计算公式6；粉煤灰活性系数的计算公式7；硅粉活性系数计算公式8；硅粉填充系数的计算公式9；水泥填充系数的计算公式10；粉煤灰填充系数的计算公式11；矿渣粉填充系数计算公式12。
    计算公式6：
    计算公式7：
    计算公式8：
    计算公式9：
    计算公式10：
    计算公式11：
    计算公式12：

3.建立了胶凝材料合理用水量的计算公式

    为了改善混凝土的耐久性，胶凝材料的最佳水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比，凝固后浆体形成的孔结构最合理，抗渗和抗冻效果最佳，建立了胶凝材料合理用水量的计算公式13，这些计算公式在国内外属于独创。
    计算公式13：

4.建立了外加剂掺量合理的调整方法

    外加剂的调整以胶凝材料标准稠度为基准，外加剂的掺量以净浆流动扩展度达到220～240mm为基准，配制的混凝土在拌合物状态下，可以保证混凝土拌合物不离析不泌水。这种复合胶凝材料需水量与外加剂检验的科学方法，解决了外加剂与水泥适应性之间的矛盾；这种方法在国内外属于独创，通过以上调整方法对外加剂的调整，将水泥、掺合料、外加剂、水分与混凝土的工作性、强度、耐久性紧密结合起来。

三

多组分混凝土配合比设计方法的特点

1.具有较宽的适应范围

    以前的混凝土配合比设计是根据所需要的强度由水胶比定则计算出水胶比，再由用水量来确定胶凝材料用量。一般来说，对于不同强度等级的混凝土，用水量变化不大，但水胶比则变化很大。这将造成低强度等级混凝土由此而计算出的胶凝材料用量太少，而高强度等级混凝土计算出的胶凝材料用量太多。因此，传统的方法适应的范围较窄。本方法由于利用的是胶凝材料的最佳水胶比，根据混凝土设计强度等级与水泥的强度贡献之间的量化计算，结合掺合料的活性指数直接确定胶凝材料用量，采取分段计算方法，对于不同的强度等级段采取不同的计算方法，因而有较宽的适应范围，适用于C10～C100之间的各种高性能混凝土配合比设计。

2.充分体现了矿物掺合料和化学外加剂的作用

    矿物掺合料和化学外加剂已经成为现代混凝土不可缺少的组分，一种好的混凝土配合比设计方法必须能够体现这些组分的作用。在本方法中，从两个方面来反映这些组分对混凝土性能的贡献：一是通过对混凝土用水量的影响来体现这些组分的作用。在混凝土用水量确定时，以水泥标准稠度用水量为基准，考虑到减水剂对混凝土工作性的影响和作用，扣除了减水剂所能减少的水，不仅对于减水剂可以如此，对于矿物掺合料也可以采取类似的方法处理，如通过矿物掺合料需水量比来增减混凝土的用水量。二是通过填充强度贡献指数来反映矿物掺合料的作用。通过这些方面来反映矿物掺合料和化学外加剂的作用，更能适应现代混凝土的特点。

3.保持较稳定的浆体体积率

    浆体体积率对混凝土的诸多性能都有十分显著的影响，太多或太少的浆体含量都是不合适。本方法采取了分不同强度等级段采取不同的确定胶凝材料用量的方法来控制混凝土中的浆体体积率，特别是对于低强度等级混凝土，采取控制胶凝材料总量基本不变，以矿物掺合料掺量来调节混凝土的强度，有效地避免了低强度等级混凝土浆体含量太少的问题。对于高强度等级混凝土，增加超细掺合料的份额，以防止混凝土浆体含量太多。这对协调混凝土其他性能有着很大的作用。
由于上述这些特点，本方法是不同于传统方法和其他方法的一种独特的方法，是一种适应现代混凝土特点的方法。

四

混凝土石子填充法配合比设计方法的意义

多组分混凝土强度及配合比设计计算理论解决了利用硅酸盐系列水泥配制预拌混凝土的技术难题，实现了利用硅酸盐系列水泥配制不同强度等级的预拌混凝土时水泥用量的准确计算方法，技术效果明显，降低成本的作用比较理想，为这项技术的推广应用奠定了坚实的理论基础。

    本项技术理论的研究成功对水泥行业、混凝土行业与外加剂行业的发展具有重大的指导意义。对合理使用水泥、矿物掺合料、砂、石和外加剂，特别是对推广应用硅酸盐系列水泥配制预拌混凝土，合理使用掺合料，减少运输量，解决外加剂的适应性，降低企业生产成本，节约社会资源，起到了技术桥梁的作用。

作者：朱效荣