CN103992076A - 基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：(1)确定混凝土材料的工作性能、强度指标和抗氯离子侵入性能指标设计参数；(2)确定混凝土制备所采用的原材料；(3)计算混凝土的强度配制值和氯离子扩散系数配制值；(4)确定混凝土的水胶比计算模型；(5)确定氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型；(6)计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量；(7)验算混凝土矿物掺合料掺量和水胶比；(8)确定混凝土的单方用水量和砂率；(9)进行混凝土的配合比计算。该方法能满足28天龄期混凝土规定的抗氯离子侵入性能指标和强度指标要求。

Description

基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法

一、技术领域

本发明涉及一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，能够将混凝土的抗氯离子侵入性能指标和强度指标同时纳入计算模型中，并通过计算和定量分析进行混凝土配合比设计，使制备得到的混凝土能够同时满足氯盐环境下的耐久性要求和强度要求的方法。

二、背景技术

氯盐环境下混凝土结构中的钢筋由于受到氯离子的侵蚀而发生锈蚀，从而引发混凝土的开裂、剥落，严重时将导致混凝土结构的耐久性破坏，造成经济损失，危及人们的工作和安全。

混凝土的氯离子扩散系数和龄期衰减系数是衡量混凝土抗氯离子侵入和扩散性能的重要指标，是决定氯盐环境下混凝土服役寿命和耐久性的控制参数，采用氯离子扩散系数较低、龄期衰减系数较高的混凝土作为建筑材料可以显著提高氯盐环境下混凝土结构的耐久性，因此，设计合理的混凝土配合比，并制备得到适宜的氯离子扩散系数和龄期衰减系数的混凝土成为了增强混凝土结构耐久性的关键。

目前，混凝土配合比的设计方法主要有三类：一类是基于强度要求、同时兼顾耐久性的配合比设计方法，第二类是基于提高混凝土密实性的配合比设计方法，第三类是基于耐久性的配合比设计方法。国内外的规范主要采用第一类，即基于强度要求、同时兼顾耐久性的配合比设计方法，包括我国现行规程JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、美国ACI211.1-普通、特重和大体积混凝土配合比设计的标准操作规程和日本规范-JGC16等。该方法主要基于水胶比和混凝土强度的关系模型，根据混凝土的强度要求计算水胶比，并通过对水胶比最大值的控制兼顾了耐久性的要求，但是难以按照预定的耐久性设计参数开展混凝土配合比设计。第二类方法是基于提高混凝土密实性的配合比设计方法，其代表是美国Metha教授提出的最佳浆骨比配合比设计方法和我国的陈建奎教授提出的全计算配合比设计方法。美国的Metha教授在Cement，concreteand aggregates期刊的1990年第2期上发表了Principles underlying production ofhigh-performance concrete一文，介绍了最佳浆骨比配合比设计方法。我国的陈建奎教授在《硅酸盐学报》的2000年第2期上发表了“高性能混凝土配合比设计新法——全计算法”一文，介绍了全计算配合比设计方法。该类方法的核心思想是根据水胶比和混凝土强度的关系模型，通过对粗骨料、细骨料、胶凝材料和水四种组分在混凝土中所占体积的合理分配和控制，实现提高混凝土密实度，改善混凝土耐久性的目的。但是该类方法仍然难以按照预定的耐久性设计参数开展混凝土配合比设计。第三类方法是基于耐久性的配合比设计方法，其代表是我国廉慧珍教授发表在《建筑技术》2001年第1期的“按耐久性设计高性能混凝土的原则和方法”一文中提出的基于耐久性设计的高性能混凝土配合比设计方法。该方法根据经验用列表的方式建立了氯离子扩散系数、饱盐混凝土电导率与水胶比和强度的经验对应范围，据此计算混凝土各组分的用量。但该方法未建立氯离子扩散系数与水胶比的计算模型，且忽略了粉煤灰、矿粉等矿物掺合料对混凝土氯离子扩散系数的影响以及氯离子扩散系数的龄期衰减特性，因此也难以按照预定的耐久性和强度设计参数开展混凝土配合比设计。综上所述，传统配合比设计方法未能将混凝土的耐久性能参数纳入计算模型中，难以按照强度和耐久性指标开展耐久性定量设计。

因此，将混凝土的氯离子扩散系数、龄期衰减系数和强度同时作为开展混凝土配合比设计的控制参数，建立科学的配合比定量计算模型，使制备得到的混凝土能同时满足氯盐环境下的耐久性和强度指标要求，从而保证混凝土结构在氯盐侵蚀环境中能够达到预定的设计使用年限，具有重要的学术意义和工程应用前景。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，该方法通过合理设计混凝土配合比，使之同时满足混凝土的抗氯离子侵入性能和强度指标要求。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

1、确定混凝土材料的工作性能参数、强度指标和抗氯离子侵入性能指标等设计参数：根据混凝土结构施工条件，确定混凝土的坍落度；根据结构承载力要求和构件设计结果，确定结构不同部位的混凝土设计强度等级；根据混凝土结构所处的环境作用等级、设计使用年限和混凝土保护层等指标，利用专利申请号为201210562397.4的“一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法”，确定混凝土的氯离子扩散系数限值和龄期衰减系数；

2、确定混凝土制备所采用的原材料：根据混凝土材料的设计强度等级确定水泥类别与强度等级，结合当地混凝土制备的原材料情况，选取粗骨料类别与粒径范围、矿物掺合料类别与组合以及外加剂；

3、计算混凝土的强度配制值和氯离子扩散系数的配制值：根据混凝土的设计强度等级计算确定混凝土的强度配制值；根据混凝土的氯离子扩散系数限值计算确定混凝土的氯离子扩散系数配制值；

4、确定混凝土的水胶比计算模型：根据步骤3确定的混凝土强度配制值、以及步骤2确定的水泥强度等级和骨料类别，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土的水胶比计算模型R_W/B＝f(R_SG，R_SF)，其中R_W/B为水胶比，R_FA和R_SG分别表示粉煤灰和矿粉掺量的百分数；

5、确定氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型：根据步骤2确定的混凝土矿物掺合料组合情况，以水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量作为因素，选择合理的氯离子扩散系数计算模型D＝f(R_W/B，R_FA，R_SG)和龄期衰减系数计算模型n＝g(R_FA，R_SG)，其中D为28天龄期混凝土的氯离子扩散系数，单位为×10^-12m²/s，n为混凝土的龄期衰减系数；可以根据已有文献提供的研究成果或现场试验结果确定氯离子扩散系数和龄期衰减系数计算模型；

6、计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量：根据步骤1和步骤3确定的混凝土龄期衰减系数、混凝土强度配制值与氯离子扩散系数配制值，利用步骤4和步骤5确定的混凝土水胶比计算模型、氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型，计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量；

7、验算混凝土矿物掺合料掺量和水胶比：如果步骤6计算得到的矿物掺合料掺量不小于零，也未超过JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》规定的矿物掺合料限值要求，则直接进入下一步，继续开展混凝土配合比设计；反之，如果步骤6计算得到的矿物掺合料掺量小于零，或超过了JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的限值要求，则需要提高混凝土强度指标5MPa或10MPa，回到步骤3重新进行计算；

8、确定混凝土的单方用水量和砂率：根据步骤1确定的混凝土坍落度和步骤2确定的粗骨料的类别、粒径范围以及外加剂，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土的单方用水量和砂率；

9、进行混凝土的配合比计算：根据步骤1至步骤8确定的水胶比、单方用水量、砂率以及矿物掺合料组合及掺量，利用重量法或体积法计算混凝土的配合比，确定单方混凝土中水、水泥、粗骨料、细骨料和矿物掺合料的用量。

所述混凝土的矿物掺合料包括粉煤灰和矿粉。

所述混凝土的龄期衰减系数的范围为0.2至0.6。

所述混凝土的氯离子扩散系数的范围为1×10^-12m²/s至1.5×10^-11m²/s。

所述的氯离子扩散系数的变异系数与混凝土制备工艺有关，工艺控制较好、质量波动较小的混凝土的氯离子扩散系数的变异系数较小，该变异系数的范围通常为0.1至0.3。

本发明的突出优点在于：

首次提供一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，能同时满足混凝土的抗氯离子侵入性能指标和强度等级要求的混凝土配合比，从而保证混凝土结构的设计使用年限。

四、具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

本实施例为一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法的具体实例，包括以下步骤：

1、确定混凝土材料的工作性能参数、强度指标和抗氯离子侵入性能指标等设计参数：

一堵混凝土墙，位于我国北部湾的近海大气区，设计使用年限为50年，工程采用泵送混凝土的方式进行施工，根据泵送施工对混凝土工作性能的要求，确定混凝土的坍落度为180mm；按照该混凝土墙的承载能力要求，确定混凝土设计强度等级为C30；根据该混凝土墙所处的海洋环境作用等级、设计使用年限和混凝土保护层厚度等指标，利用申请号为201210562397.4的“一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法”，通过定量计算可得到该环境条件下混凝土的氯离子扩散系数上限值为10.16×10^-12m²/s，龄期衰减系数下限值为0.32，

2、确定混凝土制备所采用的原材料：

选取的水泥强度等级通常为混凝土设计强度等级的0.8～1.5倍，其中混凝土设计强度等级较低时取较高倍数值，混凝土设计强度等级较高时取较低倍数值，本实施例中的混凝土设计强度等级为C30，选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，代号为PO42.5，结合当地混凝土制备的原材料情况，选取粗骨料类别为碎石，粒径范围为5～31.5mm、矿物掺合料为复掺粉煤灰和矿粉的组合，外加剂选用减水率为20％的聚羧酸减水剂，

3、计算混凝土的强度配制值和氯离子扩散系数配制值：

根据混凝土的设计强度等级计算确定混凝土的强度配制值：本实施例中混凝土的设计强度等级值为30MPa，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式4.0.1-1，即f_cu，0≥f_cu，k+1.645σ_cu计算混凝土的强度配制值，式中f_cu，0为混凝土的强度配制值，f_cu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，这里取混凝土的设计强度等级值，σ_cu为混凝土强度标准差，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表4.0.2取σ_cu＝5.0MPa，则本实例中混凝土的强度配制值f_cu，0≥30+1.645×5.0＝38.23MPa，取3位有效数字则f_cu，0＝38.3MPa；

根据混凝土的氯离子扩散系数限值要求，根据公式D₀≤D_k-1.645σ_D计算氯离子扩散系数配制值，式中D₀、D_k分别为氯离子扩散系数的配制值和上限值，σ_D＝δ_DD_k为氯离子扩散系数的标准差，其中δ_D为氯离子扩散系数的变异系数。本实施例中氯离子扩散系数上限值为10.16×10^-12m²/s，选择氯离子扩散系数的变异系数为0.15，即可计算得到氯离子扩散系数配制值

D₀≤10.16×10^-12-1.645×0.15×10.16×10^-12＝7.653×10^-12m²/s，取3位有效数字

D₀＝7.65×10^-12m²/s，

4、确定混凝土的水胶比计算模型：

根据本实施例中混凝土的强度配制值38.3MPa，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式5.1.1、式5.1.3和式5.1.4，即f_b＝γ_f·γ_s·f_ce和f_ce＝γ_c·f_ce，g初算混凝土的水胶比，f_ce为水泥28d实际强度，f_ce，g为水泥的强度等级值，本实施例中为42.5MPa，γ_c为水泥强度等级富余系数，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.1.4取γ_c＝1.16；f_b为胶凝材料28d胶砂抗压强度值，γ_f和γ_s分别为粉煤灰影响系数和矿粉影响系数，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.1.3，分别可根据公式γ_f＝1-0.01·R_FA和 ${\mathrm{\γ}}_s=-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999$ 进行近似求解；α_a和α_b为粗骨料系数，本实施例采用的粗骨料为碎石，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中表5.1.2分别取0.53和0.20，由此可得水胶比与矿物掺合料的关系式，或称为水胶比的计算模型

$\frac{W}{B}=\frac{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999\×1.16\×42.5}{38.3+0.53\×0.20\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}$

或 $\frac{W}{B}=\frac{1}{\frac{38.3}{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}+0.20}$

5、确定氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型：

根据步骤2确定的混凝土矿物掺合料双掺粉煤灰加矿粉的组合，以水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量作为因素，选择的氯离子扩散系数计算模型为

D＝a₁R_W/BR_FA+a₂R_W/BR_FA+a₃R_W/B+a₄R_FA+a₅R_SG+a₆

其中D为28天龄期混凝土的氯离子扩散系数，单位为×10^-12m²/s，R_W/B为水胶比，R_FA和R_SG分别为粉煤灰掺量和矿粉掺量的百分数，a₁至a₆为系数；根据已有文献提供的不同矿物掺合料和配合比混凝土的氯离子扩散系数试验值，通过回归分析，确定系数a₁至a₆，得

D＝37.1105R_W/B+0.3946R_FA+0.1731R_SG-0.6627R_W/BR_FA-0.4758R_W/BR_SG-12.3969

此外，根据美国的life365报告，选取作为龄期衰减系数计算模型，

6、计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量：

根据步骤1和步骤3确定的混凝土龄期衰减系数0.32、混凝土强度配制值38.3MPa与氯离子扩散系数配制值7.65×10^-12m²/s，利用步骤4和步骤5确定的混凝土水胶比计算模型、氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型，计算得到混凝土水胶比为0.52，粉煤灰掺量为15％，矿粉掺量为0％，

7、验算混凝土矿物掺合料掺量和水胶比：

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表3.0.5-1，选用普通硅酸盐水泥，当水胶比大于0.4时，钢筋混凝土中粉煤灰的最大掺量为30％，复合掺合料的最大掺量为45％，由于步骤6计算得到的粉煤灰掺量和矿粉掺量都不小于零，且粉煤灰掺量和两者之和都未超过最大限值，则直接进入下一步，继续开展混凝土配合比设计，

8、确定混凝土的单方用水量和砂率：

根据步骤1确定的混凝土的坍落度要求为180mm，以及步骤2确定的粗骨料选用最大粒径为31.5mm的碎石和外加剂选用减水率为20％的聚羧酸减水剂，参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式5.2.2，即m_w0＝m′_w0(1-β)计算混凝土的单方用水量；式中m_w0为混凝土的单方用水量，m’_w0为未掺外加剂时推定的满足实际坍落度要求的单方用水量，根据本实施坍落度要求为180mm，可参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.2.1-2取单方用水量值为200kg，β为外加剂的减水率，则m_w0＝m′_w0(1-β)＝200×(1-20％)＝160，确定混凝土的单方用水量为160kg；根据粗骨料选用最大粒径为31.5mm的碎石和初设水胶比0.52，参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.4.2，确定混凝土砂率为0.33至0.39，根据混凝土试配情况，砂率为0.38时，混凝土不离析、不泌水、坍落度符合要求，则本试验选择0.38作为混凝土砂率，

9、进行混凝土的配合比计算：

根据步骤1至步骤8中得到的水胶比0.52、单方用水量160kg、砂率0.38以及粉煤灰掺量15％、矿粉掺量0％，已知单方混凝土质量为2400kg，利用重量法计算混凝土的配合比，计算得到单方混凝土中各原材料的理论用量为：用水量160kg，水泥用量262kg，粉煤灰用量46kg，矿粉用量0kg，砂用量734kg，碎石用量1198kg。

实施例2

本实施例为一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法的又一具体实例，包括以下步骤：

1、确定混凝土材料的工作性能参数、强度指标和抗氯离子侵入性能指标等设计参数：

一个混凝土柱，位于我国华东地区的海水浪溅区，设计使用年限为100年，工程采用泵送混凝土的方式进行施工，根据泵送施工对混凝土工作性能的要求，确定混凝土的坍落度要求为180mm；按照该混凝土板的承载能力要求，确定混凝土设计强度等级为C40；根据该混凝土柱所处的海洋环境作用等级、设计使用年限和混凝土保护层厚度等指标，利用申请号为201210562397.4的“一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法”，通过定量计算可得到该环境条件下混凝土的氯离子扩散系数上限值为3.32×10^-12m²/s，龄期衰减系数下限值为0.39，

2、确定混凝土制备所采用的原材料：

选取的水泥强度等级通常为混凝土设计强度等级的0.8～1.5倍，其中混凝土设计强度等级较低时取较高倍数值，混凝土设计强度等级较高时取较低倍数值，本实施例中的混凝土设计强度等级为C40，选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，代号为PO42.5，结合当地混凝土制备的原材料情况，选取粗骨料类别为碎石，粒径范围为5～31.5mm、矿物掺合料为复掺粉煤灰和矿粉的组合，外加剂选用减水率为20％的聚羧酸减水剂，

3、计算混凝土的强度配制值和氯离子扩散系数配制值：

根据混凝土的设计强度等级计算混凝土的强度配制值：本实施例中混凝土的设计强度等级值为40MPa，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式4.0.1-1，即f_cu，0≥f_cu，k+1.645σ_cu计算混凝土的强度配制值，式中f_cu，0为混凝土的强度配制值，f_cu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，这里取混凝土的设计强度等级值，σ_cu为混凝土强度标准差，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表4.0.2取5.0MPa，则本实例中混凝土的强度配制值为f_cu，0≥40+1.645×5.0＝48.23MPa，取3位有效数字则f_cu，0＝48.3MPa；

根据混凝土氯离子扩散系数限值要求，根据公式D₀≤D_k-1.645σ_D计算氯离子扩散系数配制值，式中D₀、D_k分别为氯离子扩散系数的配制值和限值，σ_D＝δ_DD_k为混凝土氯离子扩散系数的标准差，其中δ_D为氯离子扩散系数的变异系数。本实施例中混凝土的氯离子扩散系数上限值为3.32×10^-12m²/s，选择氯离子扩散系数的变异系数为0.15，即可计算得到氯离子扩散系数配制值

D₀≤3.32×10^-12-1.645×0.15×3.32×10^-12＝2.5000×10^-12m²/s，取3位有效数字

D₀＝2.50×10^-12m²/s，

4、确定混凝土的水胶比计算模型：

根据本实施例中混凝土的强度配制值48.3MPa，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式5.1.1、式5.1.3和式5.1.4，即f_b＝γ_f·γ_s·f_ce和f_ce＝γ_c·f_ce，g初算混凝土的水胶比，f_ce为水泥28d实际强度，f_ce，g为水泥的强度等级值，本实施例中为42.5MPa，γ_c为水泥强度等级富余系数，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.1.4取γ_c＝1.16；f_b为胶凝材料28d胶砂抗压强度值，γ_f和γ_s分别为粉煤灰影响系数和矿粉影响系数，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.1.3，分别可根据公式

γ_f＝1-0.01·R_FA和 ${\mathrm{\γ}}_s=-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999$ 进行近似求解；α_a和α_b

为粗骨料系数，本实施例采用的粗骨料为碎石，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.1.2分别取0.53和0.20，由此可得水胶比与矿物掺合料的关系式，或称为水胶比的计算模型

$\frac{W}{B}=\frac{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999\×1.16\×42.5}{48.3+0.53\×0.20\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}$

或 $\frac{W}{B}=\frac{1}{\frac{48.3}{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}+0.20}$

5、确定氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型：

根据步骤2确定的混凝土矿物掺合料双掺粉煤灰加矿粉的组合，以水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量作为因素，选择的氯离子扩散系数计算模型为

D＝a₁R_W/BR_FA+a₂R_W/BR_FA+a₃R_W/B+a₄R_FA+a₅R_SG+a₆

其中D为28天龄期混凝土的氯离子扩散系数，单位为×10^-12m²/s，R_W/B为水胶比，R_FA和R_SG分别为粉煤灰掺量和矿粉掺量的百分数，a₁至a₆为系数；根据已有文献提供的不同矿物掺合料和配合比混凝土的氯离子扩散系数试验值，通过回归分析，确定系数a₁至a₆，得

D＝37.1105R_W/B+0.3946R_FA+0.1731R_SG-0.6627R_W/BR_FA-0.4758R_W/BR_SG-12.3969

此外，根据美国的life365报告，选取作为龄期衰减系数计算模型，

6、计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量：

根据步骤1和步骤3确定的混凝土龄期衰减系数0.39、混凝土强度配制值48.3MPa与氯离子扩散系数的配制值2.50×10^-12m²/s，利用步骤4和步骤5确定的混凝土水胶比计算模型、氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型，计算得到混凝土水胶比为0.45，粉煤灰掺量为-3％，矿粉掺量为37％，

7、验算混凝土矿物掺合料掺量和水胶比：

由于计算得到的粉煤灰掺量小于零，则提高混凝土强度指标10MPa，即提高混凝土强度等级至C50，回到步骤3重新进行计算，由于混凝土的强度等级值为50MPa，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式4.0.1-1，即f_cu，0≥f_cu，k+1.645σ_cu计算混凝土的强度配制值，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表4.0.2取σ_cu＝6.0MPa，则本实例中混凝土的强度配制值为f_cu，0≥50+1.645×6.0＝59.87MPa，取3位有效数字则f_cu，0＝59.9MPa，根据步骤4计算得到水胶比的计算模型

$\frac{W}{B}=\frac{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999\×1.16\×42.5}{59.5+0.53\×0.20\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}$

或 $\frac{W}{B}=\frac{1}{\frac{59.9}{0.53\×(1-0.01\·R_{\mathrm{FA}})\×(-1.205\×{10}^{-4}\·R_{\mathrm{SG}}^2+1.455\×{10}^{-3}\·R_{\mathrm{SG}}+0.999)\×1.16\×42.5}+0.20},$ 然后根据混凝土龄期衰减系数0.39、混凝土强度配制值59.9MPa与氯离子扩散系数的配制值2.50×10^-12m²/s，利用重新确定的混凝土水胶比计算模型和步骤5氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型，计算得到混凝土水胶比为0.36，粉煤灰掺量为10％，矿粉掺量为20％，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表3.0.5-1，选用普通硅酸盐水泥、水胶比小于0.4时，钢筋混凝土中粉煤灰的最大掺量为30％，矿粉的最大掺量为55％，复合掺合料的最大掺量为55％，由于此时计算得到的粉煤灰掺量和矿粉掺量都不小于零，且粉煤灰掺量和矿粉掺量以及两者之和也都未超过最大限值，则进入下一步，继续开展混凝土配合比设计，

8、确定混凝土的单方用水量和砂率：

根据步骤1确定的混凝土的坍落度要求为180mm，以及步骤2确定的粗骨料选用最大粒径为31.5mm的碎石和外加剂选用减水率为20％的聚羧酸减水剂，参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的式5.2.2，即m_w0＝m′_w0(1-β)计算混凝土的单方用水量；式中m_w0为混凝土的单方用水量，m’_w0为未掺外加剂时推定的满足实际坍落度要求的单方用水量，根据本实施坍落度要求为180mm，可参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.2.1-2取单方用水量值为200kg，β为外加剂的减水率，则m_w0＝m′_w0(1-β)＝200×(1-20％)＝160，确定混凝土的单方用水量为160kg；根据粗骨料选用最大粒径为31.5mm的碎石和初设水胶比0.52，参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的表5.4.2，确定混凝土砂率为0.32至0.37，根据混凝土试配情况，砂率为0.37时，混凝土不离析、不泌水、坍落度符合要求，则本试验选择0.37作为混凝土砂率，

9、进行混凝土的配合比计算：

根据步骤1至步骤8中得到的水胶比0.36、单方用水量160kg、砂率0.37以及粉煤灰掺量10％、矿粉掺量20％，已知单方混凝土质量为2450kg，利用重量法计算混凝土的配合比，计算得到单方混凝土中各原材料的理论用量为：用水量160kg，水泥用量315kg，粉煤灰用量45kg，矿粉用量90kg，砂用量680kg，碎石用量1160kg。

实施例3

本实施例为实施例1至实施例2的验证实施例，通过开展相应配合比的混凝土制备与氯离子扩散系数测定试验验证方法的正确性：

1、根据实施例1设计得到的混凝土配合比，即用水量160kg，水泥用量262kg，粉煤灰用量46kg，矿粉用量0kg，砂用量734kg，碎石用量1198kg，进行混凝土试配和试件制备，在标准养护条件下养护28天后，根据GB/T50082-2009提供的普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法测得该混凝土试件的氯离子扩散系数为7.20×10^-12m²/s，根据GB/T50081-2002提供的普通混凝土力学性能试验方法测得该混凝土试件的抗压强度均值为36.9MPa。实测氯离子扩散系数小于10.16×10^-12m²/s，满足混凝土的氯离子扩散系数上限要求；同时混凝土的抗压强度也达到了C30的强度等级。由此说明，根据该配合比设计方法制备得到的混凝土可以同时满足混凝土的抗氯离子侵入性能指标和强度等级的要求。

2、根据实施例2设计得到的混凝土配合比，即用水量160kg，水泥用量315kg，粉煤灰用量45kg，矿粉用量90kg，砂用量680kg，碎石用量1160kg，进行混凝土试配和试件制备，在标准养护条件下养护28天后，根据GB/T50082-2009提供的普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法测得该混凝土试件的氯离子扩散系数为2.47×10^-12m²/s，根据GB/T50081-2002提供的普通混凝土力学性能试验方法测得该混凝土试件的抗压强度均值为56.3MPa。实测氯离子扩散系数小于3.32×10^-12m²/s，满足混凝土的氯离子扩散系数上限要求；同时混凝土的抗压强度也满足了C40的强度等级。由此说明，根据该配合比设计方法制备得到的混凝土可以同时满足混凝土的抗氯离子侵入性能指标和强度等级的要求。

Claims (5)

1.一种基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1确定混凝土材料的工作性能参数、强度指标和抗氯离子侵入性能指标设计参数：根据混凝土结构施工条件，确定混凝土的坍落度；根据结构承载力要求和构件设计结果，确定结构不同部位的混凝土设计强度等级；根据混凝土结构所处的环境作用等级、设计使用年限和混凝土保护层指标，利用海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法，确定混凝土的氯离子扩散系数限值和龄期衰减系数；

1.2确定混凝土制备所采用的原材料：根据混凝土材料的设计强度等级确定水泥类别与强度等级，结合当地混凝土制备的原材料情况，选取粗骨料类别与粒径范围、矿物掺合料类别与组合以及外加剂；

1.3计算混凝土的强度配制值和氯离子扩散系数配制值：根据混凝土的设计强度等级计算确定混凝土的强度配制值；根据混凝土的氯离子扩散系数限值计算确定混凝土的氯离子扩散系数配制值；

1.4确定混凝土的水胶比计算模型：根据步骤3确定的混凝土的强度配制值、以及步骤2确定的水泥强度等级和骨料类别，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土的水胶比计算模型R_W/B＝f(R_SG，R_SF)，其中R_W/B为水胶比，R_FA和R_SG分别表示粉煤灰和矿粉掺量的百分数；

1.5确定氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型：根据步骤2确定的混凝土矿物掺合料组合情况，以水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量作为因素，选择合理的氯离子扩散系数计算模型D＝f(R_W/B，R_FA，R_SG)和龄期衰减系数计算模型n＝g(R_FA，R_SG)，其中D为28天龄期混凝土的氯离子扩散系数，单位为×10^-12m²/s，n为混凝土的龄期衰减系数；确定氯离子扩散系数和龄期衰减系数计算模型；

1.6计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量：根据步骤1和步骤3确定的混凝土龄期衰减系数、混凝土强度配制值与氯离子扩散系数配制值，利用步骤4和步骤5确定的混凝土水胶比计算模型、氯离子扩散系数计算模型和龄期衰减系数计算模型，计算混凝土的水胶比和矿物掺合料掺量；

1.7验算混凝土矿物掺合料掺量和水胶比：如果步骤6计算得到的矿物掺合料掺量不小于零，也未超过JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》规定的矿物掺合料限值要求，则直接进入混凝土配合比设计；反之，如果步骤6计算得到的矿物掺合料掺量小于零，或超过了JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的限值要求，则需要提高混凝土强度指标5MPa或10MPa，回到步骤3重新进行计算；

1.8确定混凝土的单方用水量和砂率：根据步骤1确定的混凝土坍落度和步骤2确定的粗骨料的类别与粒径范围以及外加剂，利用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土的单方用水量和砂率；

1.9进行混凝土的配合比计算：根据步骤1至步骤8中得到的水胶比、单方用水量、砂率以及矿物掺合料组合及掺量，利用重量法或体积法计算混凝土的配合比，确定单方混凝土中水、水泥、粗骨料、细骨料和矿物掺合料的用量。

2.根据权利要求1所述的基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述混凝土的矿物掺合料包括粉煤灰和矿粉。

3.根据权利要求1所述的基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述混凝土的龄期衰减系数的范围为0.2至0.6。

4.根据权利要求1所述的基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述混凝土的氯离子扩散系数的范围为1×10^-12m²/s至1.5×10^-11m²/s。

5.根据权利要求1所述的基于抗氯离子侵入性能和强度指标要求的混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述的氯离子扩散系数的变异系数与混凝土制备工艺有关，工艺控制较好、质量波动较小的混凝土的氯离子扩散系数的变异系数较小，该变异系数的范围通常为0.1至0.3。