CN114283904A - 利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用“体积‑质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法；细集料机制砂在我国大流动性水泥混凝土中越来越应用广泛，现有规范两种配合比设计方法理论“绝对体积法”和“质量法”难以适应需要和本身局限性。为适应大流动性水泥混凝土中细集料采用机制砂的设计配方需要，本发明提出“体积‑质量理论法”新设计法；包括准备阶段；设计参数计算阶段；验证配合比阶段；确定设计配合比；提出施工生产配合比。针对新材料机制砂配制大流动性水泥混凝土设计运用，以现有规范中水泥混凝土配合比“绝对体积法”和“质量法”为基础兼顾两者优点而有效融合建立的新理论。特别运用机制砂配制大流动性水泥混凝土得到良好效果。减少人为因素干扰。

Description

利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法

技术领域

本发明理论的建立涉及用于工程建设中新材料机制砂配制大流动性水泥混凝土配合比设计的新理论。并在工程实践中得到良好效果验证。

背景技术

为解决水泥混凝土细集料供应困难影响施工进度和缩短工期问题，有利于保护生态环境，降低工程成本，我国多地已采用机制砂代替天然砂生产大流动性水泥混凝土。由于对混凝土质量要求高，依据《自密实混凝土应用技术规范》(JGJ/T 283-2012)运用“绝对体积法”配制混凝土容重小(ρ_砼≤2350Kg/m³)；依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)运用“质量法”配制混凝土，要求技术经验丰富，设计参数取值随意性大，混凝土性能往往需要反复调试才能够符合设计要求。鉴于大流动性水泥混凝土自身特点和机制砂颗粒形状棱柱形、片状、表面粗糙、毛刺、不光滑，多属Ⅱ/Ⅲ类-1区-粗砂、致密性大、表观密度大等特性；机制砂配制出大流动性水泥混凝土性能没有传统天然砂配制出大流动性水泥混凝土性能好。实验证明，细集料采用机制砂生产大流动性水泥混凝土运用传统水泥混凝凝土设计理论具有局限性和不适应性，配制出大流动性水泥混凝土难以满足设计和施工要求。

发明内容

为了解决现有技术的问题，经过试验技术人员反复论证提出配制水泥混凝土配合比设计一种新理论法，提出了一种利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法。本理论发明了表征大流动性水泥混凝土的技术指标包括：黏聚性、保水性、表观密度、坍落度、坍落扩展度、标准立方体抗压强度、离析率。

“体积-质量理论法”是把“绝对体积法”[《自密实混凝土应用技术规范》(JGJ/T283-2012)]和“质量法”《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)两者理论有效融合基础上建立的新理论。首先运用“绝对体积法”理论精确计算出胶凝材料、水胶比、砂率；其次假定混凝土表观密度(容重)；最后运用“质量法”理论根据已确定的材料数量重新修正砂石数量。

实验证明，大流动性水泥混凝土细集料采用机制砂，本理论重新修订了胶凝材料掺量和胶凝系数，混凝土表观密度，每方混凝土中粗集料的体积，每方混凝土中砂的体积分数，每方砼中引入空气的体积的取值范围技术指标。

本发明的技术方案如下：

一种利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步；准备阶段：包括原材料检验，确定矿物掺合料掺量β，计算试配强度f_cu.o，假定水泥混凝土表观密度ρ_砼；

第二步：设计参数计算阶段：包括计算砂率βs，胶凝材料表观密度ρ_b，水胶比m_w/m_b，浆体体积V_p，每方砼胶凝材料质量m_b、用水量m_w、矿物掺合料质量m_m、水泥质量m_c、外加剂质量m_ca、修正砂质量m_sj、碎石质量m_gj；

第三步：验证配合比阶段：选三个水胶比分别试拌；验证各项技术指标：包括坍落度、28天或设计龄期的标准立方体抗压强度、坍落扩展度、离析率、表观密度、黏聚性和保水性是否符合设计技术指标要求；

第四步：确定设计配合比：选一个各项技术指标符合设计要求，经济合理的理论基准配合比为设计配合比:m_b：m_sj：m_gj：m_w：m_ca；

第五步：提出施工生产配合比：实测砂石含水率ω_s、ω_g换算施工配合比运用工程中。

所述的方法第一步包括如下步骤：

1)原材料检验：按照国家相关规范、标准进行检测，质量达到设计要求；

2)矿物掺合料掺量β：Ⅰ级/Ⅱ级粉煤灰取值β≤35％；胶凝系数γ＝0.5/0.4；

S75级矿渣粉取值β≤30％；胶凝系数γ＝0.9；

S95级矿渣粉取值β≤40％；胶凝系数γ＝0.92；

S105级矿渣粉取值β≤45％；胶凝系数γ＝0.95；

3)计算试配强度f_cu.o；试配强度按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55)规定计算；

4)假定水泥混凝土表观密度ρ_砼：一般取值:

C30及以下：ρ_砼＝(2400±50)kg/m³；

C35～C50：ρ_砼＝(2450±50)kg/m³；

C55及以上：ρ_砼＝(2500±50)kg/m³；

ρ_砼-混凝土表观密度(kg/m³)。

所述的方法第二步包括如下步骤：

1)胶凝材料表观密度ρ_b；ρ_b＝1/[((1-β)/ρ_c)+β/ρ_m]；

其中：ρ_b——胶凝材料表观密度(kg/m^3；)；ρ_c——水泥的表观密度(kg/m³)^；；β——每方砼中矿物掺合料占胶凝材料的质量分数(％)；ρ_m——矿物掺合料表观密度(kg/m³)；

2)计算每方砼中粗集料质量m_g；m_g＝V_g·ρ_g；

其中：m_g——每方砼中粗集料质量(kg)；V_g——每方砼中粗集料的体积(m³)；一般设计坍落度200mm～240mm，设计坍落扩展度SF＝450mm～600mm时V_g＝0.33～0.35；设计坍落度240mm～280mm，设计坍落扩展度SF＝600～700mm时V_g＝0.30～0.33；ρ_g——粗集料的表观密度(kg/m³)；

3)计算每方砼中砂质量m_s；m_s＝(1－V_g)·Ф_s·ρ_s；

其中：m_s——每方砼中砂质量kg；Ф_s-砂体积分数，宜取0.43～0.48，一般机制砂1区粗砂取上限；2区中砂取下限；ρ_s——机制砂的表观密度(kg/m³)；

4)计算砂率β_s；β_s＝m_s/(m_s+m_g)；其中：β_s——混凝土砂率(％)；

5)计算浆体体积V_p＝(1－Ф_s)(1－V_g)；其中：V_p——每方砼中浆体体积(％)；

6)计算水胶比m_w/m_b；m_w/m_b＝[0.42f_ce(1-β+β·γ)]/(f_cu.o+1.2)

其中：m_w/m_b——混凝土水胶比；f_ce——水泥的28天实测抗压强度(MPa),无实测数据；水泥强度等级乘以1.1倍的数值作为水泥抗压强度值；f_cu.o——混凝土配制强度值(MPa)；

7)计算每方砼胶凝材料质量m_b和水量m_w、矿料掺合料质量m_m、水泥质量m_c、外加剂质量m_ca；

每方砼胶凝材料质量m_b＝(V_p–V_a)/[(1/ρ_b)+(m_w/m_b)/ρ_w]；

每方砼水量m_w＝m_b·(m_w/m_b)；

每方砼中矿料掺合料质量m_m＝m_b·β；

每方砼中水泥质量m_c＝m_b-m_m；

每方砼中外加剂质量m_ca＝m_b·α

其中：m_b——每方砼中胶凝材料质量(kg)；V_a——每方砼中引入空气的体积(L)；机制砂砼取20L～50L；ρ_w——混凝土拌合水的密度(kg/m³)，取1000kg/m³；m_w——每方砼中拌合水的质量(kg)；m_m——每方砼中矿料掺合料质量(kg)；m_c——每方砼中水泥质量(kg)；m_ca——每方砼中外加剂质量(kg)；α——每方砼中外加剂占胶凝材料总量的质量比(％)，通过试验确定掺量；

8)修正每方砼砂碎石质量：按下列公式计算：

计算所得：m_sj、m_gj；

确定理论基准配合比：m_b：m_sj：m_gj：m_w：m_ca

其中：m_sj——修正后每方砼中砂质量(kg)；m_gj——修正后每方砼中碎石质量(kg)。

所述的方法第三步包括如下步骤：

1)混凝土试配验证采用工程实际使用的原材料；每盘试盘混凝土量不宜小于25L；

2)以理论基准配合比为准，上下增减水胶比0.02，用水量与理论基准配合比相同，组成三个水胶比不同的理论配合比进行试拌验证；分别检测混凝土的黏聚性、保水性、坍落度、坍落扩展度、离析率、表观密度、标准立方体抗压强度(28天或设计龄期)；试验方法依据JTG 3420和JGJ/T 283；

3)当三个水胶比试拌的混凝土性能均不符合设计要求，应在水胶比不变，在合理范围内适当调整外加剂的掺量和性能或砂率，直至符合设计要求为止。

所述的方法五步包括如下：

计算出施工配合比：(m_c+m_m)：m_sjs：m_gjs：m_ws：m_ca

其中：ω_s——实测砂含水率(％)；ω_gs——实测碎石含水率(％)；m_bs——施工配合比中每方砼中胶凝材料质量(kg)；m_sjs——施工配合比中每方砼中砂质量(kg)；m_gjs——施工配合比中每方砼中碎石质量(kg)；

m_ws——施工配合比中每方砼中拌合用水量(kg)；m_cas——施工配合比中每方砼中外加剂质量(kg)。

具体说明如下：

第一步；准备阶段：包括原材料检验，确定矿物掺合料掺量β，计算试配强度f_cu.o，假定水泥混凝土表观密度ρ_砼。

这个阶段是试验准备阶段，区别：

1.收集试验数据，传统“绝对体积法”和“质量法”都把水泥混凝土中细集料(砂)理想为利于水泥混凝土和易性的球状体，“绝对体积法”只获取材料本身固有特性数据来服务配合比设计，“质量法”只考虑单纯水泥混凝土单位质量问题；而“体积-质量理论法”兼顾两者优点，既考虑细集料的本身固有特性，也考虑了由于机制砂生产工艺不同生产出的机制砂形状不同特点，同时也考虑机制砂致密性高和桥梁设计最不利力影响设计理念，从而利用“质量法”中假定密度法进行设定水泥混凝土表观密度。

2.大量试验研究证明，运用机制砂配制的大流动型水泥混凝土致密性高，表观密度偏高，板结性较强，水泥混凝土抗压强度高，结合试验验证选取不同矿物掺合料掺量时胶凝系数也不同。

第二步：设计参数计算阶段；包括计算砂率βs，胶凝材料表观密度ρ_b，水胶比m_w/m_b，浆体体积V_p，每方砼胶凝材料质量m_b、用水量m_w、矿物掺合料质量m_m、水泥质量m_c、外加剂质量m_ca、修正砂质量m_sj、碎石质量m_gj。

此阶段本理论法与传统“绝对体积法”和“质量法”区别分别是：

1.本理论法考虑了机制砂表面形状设计；

2.在粗集料的体积V_g，砂体积分数Ф_s取值时，考虑了设计坍落度和设计坍落扩展度技术指标取值，并且经过试验验证后新规定了取值范围；

3.此步骤计算了砂率。“绝对体积法”仅考虑了坍落扩展度和一般经验数据取值，没有计算砂率。“质量法”只是按照坍落度和仅凭经验选取砂率，总之，传统两者方法，在数据取值上均把砂理想为圆球状，圆柱状的天然砂。

4.采用机制砂生产的混凝土一般致密性较高，可能造成坍落扩展度不满足要求，不利于砼泵送或大流动性或抗冻性等要求，混凝土外加剂有必要掺入少量引气剂，所以本理论设计对每方砼中引入空气量作出新的取值范围。

结合点：试验数据研究证明，由于细集料对混凝土影响较大和结合机制砂的特性，采用机制砂生产的混凝土表观密度不同于其他两种方法，所以混凝土表观密度是两种方法的结合点。试验研究，重新规定了采用机制砂生产不同标号的水泥混凝土表观密度范围。先用“绝对体积法”理论计算出水泥混凝土

单位每方各材料用量，其次假定表观密度，后用“质量法”理论修正单位每方材料中粗细集料用量。第三步：验证配合比阶段；选三个水胶比分别试拌。

此阶段本理论法配合比验证阶段，经试验研究证明；若检测技术指标不符合设计要求时，可以通过调整砂率或减水剂的掺量和性能进行改善符合要求，减少了调整其他参数干扰指标。而“绝对体积法”建议调整胶凝材料用量、外加剂量或砂体积分数等参数改善；“质量法”建议调整水泥浆用量，外加剂用量或砂率参数等改善。

本发明“体积-质量理论法”建立在“绝对体积法”和“质量法”基础上；“体积-质量理论法”计算公式全部采用“绝对体积法”和“质量法”的计算公式。利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土，选择表征技术指标来自于“绝对体积法”和“质量法”设计混凝土的技术指标。同时本发明提出如下不同点：

1.利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配合比，细集料采用机制砂；“绝对体积法”和“质量法”并未规定砂种类，一般细集料用天然砂适宜此两方法。

2.利用“体积-质量理论法”设计大流动性水泥混凝土配合比，一般坍落度200mm-280mm；坍落扩展度SF≤700mm；

3.试验研究证明，“体积-质量理论法”几个参数(砂体积分数、每方砼中粗集料的体积，每方砼中引入空气的体积、砼表观密度)取值与“绝对体积法”和“质量法”不同。

4.“体积-质量理论法”引入计算砂率参数，并作为调整改善砼参数。“绝对体积法”无砂率参数，“质量法”砂率是按规范范围建议凭技术人员经验自由选择砂率数值，随意性较大。

5.利用“体积-质量理论法”设计混凝土配方时，根据试验数据分析，结合材料特性和参考相关规范，对掺合料掺量和胶凝系数作出新规定。

6.利用“体积-质量理论法”设计混凝土配方，表征混凝土技术指标包括：坍落度、坍落扩展度、表观密度、离析率、抗压强度、黏聚性、保水性。不同于“绝对体积法”和“质量法”。

本发明利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配合比，已在国道240范县黄河大桥项目得到成功运用。特别运用机制砂配制大流动性水泥混凝土得到良好效果。生产水泥混凝土过程中减少人为因素干扰。

本发明涉及利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法；细集料机制砂在我国大流动性水泥混凝土中越来越应用广泛，现有规范两种配合比设计方法理论“绝对体积法”和“质量法”难以适应需要和本身局限性。为适应大流动性水泥混凝土中细集料采用机制砂的设计配方需要，本发明提出“体积-质量理论法”新设计法；包括准备阶段；设计参数计算阶段；验证配合比阶段；确定设计配合比；提出施工生产配合比。针对新材料机制砂配制大流动性水泥混凝土设计运用，以现有规范中水泥混凝土配合比“绝对体积法”和“质量法”为基础兼顾两者优点而有效融合建立的新理论。

附图说明

图1：利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法流程图说明：f_cu.0-混凝土配制强度(MPa)；f_cu.k-混凝土的设计强度等级值(MPa)；σ-混凝土强度标准差(MPa)。其他标注与现有标准中一致。

具体实施方式

实例：

国道240范县黄河公路大桥及接线工程地处河南范县和山东鄄城交界处，主桥跨越黄河。桥梁总长7600m；；桩基1370根。桩基直径D＝2.0m～2.2m,桩长L＝72m～95m；桩基水下混凝土设计标号C30大流动水泥混凝土；

现运用“体积—质量理论法”设计C30大流动性水下水泥混凝土配合比：采用如图所示的流程：

第一步准备阶段

设计要求：C30；设计坍落度：200mm～240mm；设计坍落扩展度SF＝450mm～600mm；

离析率SR≤20％；设计容重ρ_砼＝2410Kg/m³；黏聚性良好、保水性无。

1.原材料检验符合规范要求。

2.各材料表观密度如下：

水泥：河南同力水泥厂P.O42.5；密度：ρ_C＝3080kg/m³；

粉煤灰：鹤壁同力建材厂F-Ⅱ级；密度：ρ_m＝2400kg/m³；掺量：β＝20％；γ＝0.4

机制砂：安阳中联碎石厂；粗砂细度模数M_X＝3.20；表观密度ρ_s＝2720kg/m³；

碎石：安阳中联碎石厂；5mm-20mm连续级配；表观密度ρ_g＝2710kg/m³；

水：饮用水密度：ρ_w＝1000kg/m³；

外加剂：聚羧酸高性能减水剂。掺量α＝1.2％；

3.计算试配强度：f_cu.o≥f_cu.k+1.64σ＝30+1.645×5＝38.2MPa；

4.假定砼表观密度：ρ_砼＝2410kg/m³；

第二步设计参数计算阶段

1.胶凝材料表观密度；

ρ_b＝1/[((1-β)/ρc)+β/ρ_m]＝1/[(20％/2400)+(1-20％)/3080]＝2915kg/m³；

2.计算每方砼粗集料质量m_g＝V_g·ρg＝0.35×2710＝949Kg

(V_g—每方砼粗集料体积，取0.34～0.35)；

3.计算每方砼砂质量m_s＝(1－V_g)·Ф_s·ρ_s＝(1-0.35)×0.44×2720＝780Kg

(Ф_s-砂体积分数，取0.43～0.48，一般机制砂1区粗砂取上限；2区中砂取下限；)

4.计算砂率βs＝m_s/(m_s+m_g)＝780/(780+949)＝45％；

5.浆体体积V_p＝(1－Ф_s)(1－V_g)＝(1-0.44)(1-0.35)＝0.364；

6.计算水胶比m_w/m_b＝(0.42f_ce(1-β+β·γ))/(f_cu.o+1.2)

＝(0.42×42.5×1.1×(1-20％+20％×40％))/(38.2+1.2)

＝0.44

(f_ce—水泥28d实测抗压强度(MPa),采用水泥强度等级乘以1.1倍数值；γ—矿物掺合料胶凝系数；)

7.计算每方砼胶凝材料质量m_b和水量m_w,矿料掺合料质量m_m,水泥质量m_c，外加剂质量m_ca

m_b＝(V_p–Va)/[(1/ρ_b)+(m_w/m_b)/ρ_w]

＝(0.364-0.020)/[(1/2915)+0.00044]

＝440kg/m³

(Va——每方砼引入空气体积(L)；机制砂砼取20L～50L)；

水量m_w＝m_b×(m_w/m_b)＝440×0.44＝194kg/m³；

矿料掺合料粉煤灰质量m_m＝440×20％＝88kg/m³；

水泥质量m_c＝440-88＝352kg/m³

外加剂质量m_ca＝440×1.2％＝5.3kg/m³

8.修正每方砼砂碎石质量计算如下：

代入数据：

计算得：修正后砂质量m_sj＝799kg/m³；修正后碎石质量m_gj＝977kg/m³；

故理论基准配合比：

(m_c+m_m)：m_sj：m_gj：m_w：m_ca＝(352+88)：799：977：194：5.3；

第三步验证配合比阶段

表1分别按下表不同水胶比试拌混凝土做各项技术指标(单位：kg/m³)

(注：碎石采用5mm-20mml连续级配碎石，(5mm-10mm)：(10mm-20mm)＝3:7)

表2不同水胶比实测各项技术指标

第四步确定设计配合比阶段

经数据和经济分析及规范要求，设计配合比确定为：

(m_c+m_m)：m_sj：m_gj：m_w：m_ca＝(352+88)：799：977：194：5.3

第五步换算施工(生产)配合比运用工程中

实测砂含水率w_s＝2.5％；碎石含水率w_g＝0.0％；换算后施工配合比：

(m_cs+m_ms)：m_sjs：m_gjs：m_ws：m_cas＝(352+88)：819：977：174：5.3

表3黄河大桥北堤内引桥桩基混凝土检测结果

经实践证明，采用体积-质量理论法配制大流动性水下混凝土，过程中混凝土灌注速度均匀，泥浆溢流速率均匀，混凝土埋入导管长度达7-10m。超声波检桩均为Ⅰ类桩。

对比例：

利用“绝对体积法”设计C30大流动性水下水泥混凝土配方

(JGJ/T 283-2012规程设计)

第一步：准备阶段

1.各材料表观密度如下：

水泥：河南同力水泥厂P.O42.5；密度：ρ_C＝3080Kg/m³；

粉煤灰：鹤壁同力建材厂F-Ⅱ级；密度：ρ_m＝2400Kg/m³；掺量：β＝20％；γ＝0.4

机制砂：安阳中联碎石厂；粗砂细度模数M_X＝3.20；表观密度ρ_s＝2720Kg/m³

碎石：安阳中联碎石厂；5mm-20mm连续级配；表观密度ρ_g＝2710Kg/m³

水：饮用水密度：ρ_w＝1000kg/m³；

外加剂：聚羧酸高性能减水剂。掺量α＝1.2％；

2.计算试配强度：f_cu.o≥f_cu.k+1.64σ＝30+1.645×5＝38.2MPa；

第二步设计参数计算阶段

1.胶凝材料表观密度；

ρ_b＝1/[((1-β)/ρc)+β/ρ_m]＝1/[(20％/2400)+(1-20％)/3080]＝2915Kg/m³

2.计算每方砼粗集料质量m_g＝V_g·ρg＝0.35×2710＝949Kg

(V_g—每方砼粗集料体积，取0.30～0.35)；

3.计算每方砼砂质量m_s＝(1－V_g)·Ф_s·ρ_s＝(1-0.35)×0.44×2720＝780Kg

(Ф_s-砂体积分数，取0.42～0.45)

4.浆体体积V_p＝(1－Ф_s)(1－V_g)＝(1-0.44)(1-0.35)＝0.364；

5.计算水胶比m_w/m_b＝(0.42f_ce(1-β+β·γ))/(f_cu.o+1.2)

＝(0.42×42.5×1.1×(1-20％+20％×40％))/(38.2+1.2)＝0.44

(f_ce—水泥28d实测抗压强度(MPa),采用水泥强度等级乘以1.1倍数值；γ—矿物掺合料胶凝系数；)

6.计算每方砼胶凝材料质量m_b和水量m_w,矿料掺合料质量m_m,水泥质量m_c，外加剂质量m_ca

m_b＝(V_p–Va)/[(1/ρ_b)+(m_w/m_b)/ρ_w]

＝(0.364-0.050)/[(1/2915)+0.00044]

＝440kg/m³

(Va——每方砼引入空气体积(L)取10L-20L)；

水量m_w＝m_b×(m_w/m_b)＝440×0.44＝194kg/m³；

矿料掺合料粉煤灰质量m_m＝440×20％＝88kg/m³；

水泥质量m_c＝440-88＝352kg/m³

外加剂质量m_ca＝440×1.2％＝5.3kg/m³

故基准配合比：

(m_c+m_m)：m_s：m_g：m_w：m_ca＝(352+88)：780：949：194：5.3；

第三步验证配合比阶段

基准配合比试拌混凝土做各项技术指标(单位：kg/m³)

基准配合比实测各项技术指标

利用“质量法”设计C30大流动性水下水泥混凝土配方

(依据JGJ 55-2011规程设计)

第一步：准备阶段

1.各材料表观密度如下：

水泥：河南同力水泥厂P.O42.5；

粉煤灰：鹤壁同力建材厂F-Ⅱ级；掺量：β＝20％；

机制砂：安阳中联碎石厂；粗砂细度模数M_X＝3.20；

碎石：安阳中联碎石厂；5mm-20mm连续级配；

水：饮用水；

外加剂：聚羧酸高性能减水剂。掺量α＝1.2％；减水率30％

假定砼表观密度：ρ_砼＝2410kg/m³

3.计算试配强度：f_cu.o≥f_cu.k+1.64σ＝30+1.645×5＝38.2MPa；

第二步：确定基准配合比计算

1.计算水胶比W/B＝α_af_b/(f_cu.0+α_aα_bf_b)

＝(0.53×0.75×42.5×1.16)/(38.2+0.53×0.20×0.75×42.5×1.16)

＝0.47；

2.确定用水量：查表得用水量260kg/m3；

掺外加剂后用水量m_w0＝260×(1-30％)＝182kg/m³；

3.胶凝材料用量确定：

胶凝材料用量m_b0＝182/0.47＝387kg/m³

每方砼中外加剂用量：m_a0＝387×1.2％＝4.6kg/m³

每方砼中粉煤灰用量：m_f0＝387×20％＝77kg/m³

每方砼中水泥用量：m_c0＝387-77＝310kg/m³

4.砂率确定

查表和内插法的选取砂率β_s＝43％；

5.计算每方砼中砂、碎石用量

计算得：m_S0＝791kg/m³ m_g0＝1050kg/m³

基准配合比：(m_c0+m_f0):m_S0:m_g0:m_w0:m_a0＝(310+77):791:1050:182:4.6

第三步 验证配合比阶段

基准配合比试拌混凝土做各项技术指标(单位：kg/m³)

基准配合比实测各项技术指标

分析：利用“绝对体积法”设计水泥混凝土配比试拌验证检测各项指标，离析率不合格，黏聚性和保水率一般，混凝土表观密度偏低。需要反复调整。这是由于砂体积分数选取不合理，表观密度偏低是此法的缺点。

利用“质量法”设计水泥混凝土配比试拌验证检测各项指标除表观密度外，其它各项指标均不符合设计要求，需要有经验专业技术人员反复调整。这是由于水胶比太大，砂率凭经验选取造成。

利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比试拌验证检测各项指标全符合设计要求。在施工中由于材料变化可以适当微调砂率和减水剂掺量进行生产混凝土。“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比吸收“绝对体积法”和“质量法”两者方法优点，减少人为因素技术水平差别影响混凝土的质量波动。

本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。本发明未尽事宜属于公知技术。

Claims (5)

1.一种利用“体积-质量理论法”设计水泥混凝土配比的方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步；准备阶段：包括原材料检验，确定矿物掺合料掺量β，计算试配强度f_cu.o，假定水泥混凝土表观密度ρ_砼；

第二步：设计参数计算阶段：包括计算砂率βs，胶凝材料表观密度ρ_b，水胶比m_w/m_b，浆体体积V_p，每方砼胶凝材料质量m_b、用水量m_w、矿物掺合料质量m_m、水泥质量m_c、外加剂质量m_ca、修正砂质量m_sj、碎石质量m_gj；

第三步：验证配合比阶段：选三个水胶比分别试拌；验证各项技术指标：包括坍落度、标准立方体抗压强度、坍落扩展度、离析率、表观密度、黏聚性和保水性是否符合设计技术指标要求；

第四步：确定设计配合比：选一个各项技术指标符合设计要求，经济合理的理论基准配合比为设计配合比:m_b：m_sj：m_gj：m_w：m_ca；

第五步：提出施工生产配合比：实测砂石含水率ω_s、ω_g换算施工配合比运用工程中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是第一步包括如下步骤：

1)原材料检验：按照国家相关规范、标准进行检测，质量达到设计要求；

2)矿物掺合料掺量β：Ⅰ级/Ⅱ级粉煤灰取值β≤35％；胶凝系数γ＝0.5/0.4；

S75级矿渣粉取值β≤30％；胶凝系数γ＝0.9；

S95级矿渣粉取值β≤40％；胶凝系数γ＝0.92；

S105级矿渣粉取值β≤45％；胶凝系数γ＝0.95；

3)计算试配强度f_cu.o；试配强度按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55)规定计算；

4)假定水泥混凝土表观密度ρ_砼：一般取值:

C30及以下：ρ_砼＝(2400±50)kg/m³；

C35～C50：ρ_砼＝(2450±50)kg/m³；

C55及以上：ρ_砼＝(2500±50)kg/m³；

ρ_砼-混凝土表观密度kg/m³。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是第二步包括如下步骤：

1)胶凝材料表观密度ρ_b；ρ_b＝1/[((1-β)/ρ_c)+β/ρ_m]；

其中：ρ_b——胶凝材料表观密度(kg/m^3；)；ρ_c——水泥的表观密度kg/m^3；；β——每方砼中矿物掺合料占胶凝材料的质量分数％；ρ_m——矿物掺合料表观密度kg/m³；

2)计算每方砼中粗集料质量m_g；m_g＝V_g·ρ_g；

其中：m_g——每方砼中粗集料质量kg；V_g——每方砼中粗集料的体积m³；一般设计坍落度200mm～240mm，设计坍落扩展度SF＝450mm～600mm时V_g＝0.33～0.35；设计坍落度240mm～280mm，设计坍落扩展度SF＝600～700mm时V_g＝0.30～0.33；ρ_g——粗集料的表观密度kg/m³；

3)计算每方砼中砂质量m_s；m_s＝(1－V_g)·Ф_s·ρ_s；

其中：m_s——每方砼中砂质量kg；Ф_s-砂体积分数，宜取0.43～0.48，一般机制砂1区粗砂取上限；2区中砂取下限；ρ_s——机制砂的表观密度kg/m³；

4)计算砂率β_s；β_s＝m_s/(m_s+m_g)；其中：β_s——混凝土砂率(％)；

5)计算浆体体积V_p＝(1－Ф_s)(1－V_g)；其中：V_p——每方砼中浆体体积(％)；

6)计算水胶比m_w/m_b；m_w/m_b＝[0.42f_ce(1-β+β·γ)]/(f_cu.o+1.2)

其中：m_w/m_b——混凝土水胶比；f_ce——水泥的28天实测抗压强度MPa,无实测数据；水泥强度等级乘以1.1倍的数值作为水泥抗压强度值；f_cu.o——混凝土配制强度值MPa；

7)计算每方砼胶凝材料质量m_b和水量m_w、矿料掺合料质量m_m、水泥质量m_c、外加剂质量m_ca；

每方砼胶凝材料质量m_b＝(V_p–V_a)/[(1/ρ_b)+(m_w/m_b)/ρ_w]；

每方砼水量m_w＝m_b·(m_w/m_b)；

每方砼中矿料掺合料质量m_m＝m_b·β；

每方砼中水泥质量m_c＝m_b-m_m；

每方砼中外加剂质量m_ca＝m_b·α

其中：m_b＝每方砼中胶凝材料质量kg；V_a——每方砼中引入空气的体积L；机制砂砼取20L～50L；ρ_w——混凝土拌合水的密度kg/m³，取1000kg/m³；m_w——每方砼中拌合水的质量kg；m_m——每方砼中矿料掺合料质量kg；m_c——每方砼中水泥质量kg；m_ca——每方砼中外加剂质量kg；α——每方砼中外加剂占胶凝材料总量的质量比(％)，通过试验确定掺量；

8)修正每方砼砂碎石质量：按下列公式计算：

m_b+m_sj+m_gj+m_w＝ρ_砼

}计算所得：m_sj、m_gj；

m_sj/(m_sj+m_gj)＝β_s

确定理论基准配合比：m_b：m_sj：m_gj：m_w：m_ca

其中：m_sj——修正后每方砼中砂质量kg；m_gj——修正后每方砼中碎石质量kg。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是第三步包括如下步骤：

1)混凝土试配验证采用工程实际使用的原材料；每盘试盘混凝土量不宜小于25L；

2)以理论基准配合比为准，上下增减水胶比0.02，用水量与理论基准配合比相同，组成三个水胶比不同的理论配合比进行试拌验证；分别检测混凝土的黏聚性、保水性、坍落度、坍落扩展度、离析率、表观密度、标准立方体抗压强度(28天或设计龄期)；试验方法依据JTG3420和JGJ/T 283；

3)当三个水胶比试拌的混凝土性能均不符合设计要求，应在水胶比不变，在合理范围内适当调整外加剂掺量和性能或砂率，直至符合设计要求为止。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是第五步包括如下：

m_bs＝m_b＝m_c+m_m

m_sjs＝m_sj·(1+ω_s)

m_gjs＝m_gj·(1+ω_g) }计算出施工配合比：(m_c+m_m)：m_sjs：m_gjs：m_ws：m_ca

m_ws＝m_w-m_sj·ω_s-m_gj·ω_g

m_cas＝m_ca

其中：ω_s——实测砂含水率％；ω_g——实测碎石含水率％；m_bs——施工配合比中每方砼中胶凝材料质量kg；m_sjs——施工配合比中每方砼中砂质量kg；m_gjs——施工配合比中每方砼中碎石质量kg；m_ws——施工配合比中每方砼中拌合用水量kg；m_cas——施工配合比中每方砼中外加剂质量kg。

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