CN114822727B - 一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，包括步骤：选取原材料并进行准备工作；计算取值符合国家标准的水胶比；基于体积填充模型理论，计算胶凝材料用量、拌合水用量、泵送剂用量和砂石骨料用量；按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整。本发明提供的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，用于满足现代大流态泵送混凝土在材料和性能上的需求，为生产实践提供指导。

Description

一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明涉及建筑材料生产技术领域，特别是涉及一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法。

背景技术

随着现代新型混凝土设计、生产技术的不断涌现，水泥混凝土原材料的组成逐渐复杂化，对混凝土拌合物的和易性及硬化后混凝土的力学性能、耐久性能的要求也越来越高。现行标准规范依据普通混凝土组成与性能的基本规律计算得到初始配合比，再经试配调整得到以强度要求为技术指标的传统配合比设计方法。但是，这种“假定质量法”已经不能满足现代大流态泵送混凝土在材料和性能上的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，用于满足现代大流态泵送混凝土在材料和性能上的需求，为生产实践提供指导。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

S1)选取原材料并进行准备工作，包括在实验室中检测水泥的实际强度、胶凝材料的活性指数，对粗细骨料进行筛分试验，确定粗骨料的最佳掺配比例，并检测粗细骨料的表观密度以及达到饱和面干状态时的吸水率，确定泵送剂减水率代表值；

S2)计算取值符合国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定的水胶比，公式为：

其中：W为拌合总用水量，Kg/m³；B为每方混凝土中胶凝材料的总用量，Kg/m³；α_a、α_b均为回归系数，α_a取值0.58，α_b取值0.42；f_b为胶凝材料28天实际强度，Mpa；f_cu·o为混凝土配制强度，Mpa；

S3)基于体积填充模型理论，计算胶凝材料用量、拌合水用量、泵送剂用量和砂石骨料用量；具体的，包括：

S301)计算在1L混凝土中填充空隙和包裹碎石所需要的砂浆体积总和V_s，公式为：

其中：V_s为砂浆体积总和；P_g为粗骨料振实空隙率，取0.35；α为砂浆体积；

所述砂浆体积α，公式为：

其中：d_s为砂子的平均粒径，mm；d_g为碎石的平均粒径，mm；n为砂浆裹覆层的厚度；

同理，计算在1L砂浆中填充空隙和包裹砂粒所需的胶浆总体积V_e，公式为：

其中：P_s为细骨料振实空隙率，取值0.31；β为胶浆的体积；

所述胶浆的体积β，公式为：

计算1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e (6)

其中：V_e为胶浆体积总和；

或

其中：ρ_b为胶凝材料表观密度；

将公式(6)和公式(7)联立，从而求出胶凝材料用量m_b；

S302)单方混凝土拌合水用量W满足：

S303)计算泵送剂用量μ，公式为：

其中：γ为与泵送剂含固量相关的系数；W₀为达到目标坍落度时的用水量：

所述达到目标坍落度时的用水量W₀，公式为：

其中：T为目标坍落度；K为与碎石最大粒径相关的系数；

S304)计算砂石骨料用量：

计算1m³混凝土拌合物中砂的质量S，公式为：

S＝ρ_s×V′_s (11)

其中：ρ_s为砂子的表观密度，取2.6Kg/cm³；V′_s为1m³混凝土拌合物中砂的体积；

所述1m³混凝土拌合物中砂的体积V′_s，公式为：

V′_s＝V_s-V′_e+V′_s×0.04 (12)

其中：V′_e为1m³混凝土拌合物中胶浆的体积；

所述1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e (13)

计算1m³混凝土拌合物中碎石的质量G，公式为：

G＝ρ_g×V′_g (14)

其中：ρ_g为碎石的表观密度；V′_g为1m³混凝土拌合物中碎石的体积；

所述1m³混凝土拌合物中碎石的体积V′_g，公式为：

V′_g＝1000-V_air-V′_s-V′_e+V′_g×0.006 (15)

其中：V_air为混凝土的含气量；

S4)按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整。

可选的，步骤S2)中所述混凝土配制强度f_cu·o满足：

f_cu·o≥f_cu·k+t×σ (16)

其中：f_cu·k为混凝土标准养护28天龄期的立方体抗压强度标准值，Mpa；t为概率度系数；σ为混凝土立方体抗压强度标准差。

可选的，步骤S301)中所述砂浆裹覆层的厚度n以砂粒平均粒径的倍数计算，低流动性时取值1.5～4，大流动性时取值4～6，自流平混凝土取值7以上。

可选的，步骤S4)所述按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整，具体包括：

确定最优砂率：用计算的水胶比和选定的泵送剂用量，每次增减1％或2％的砂率进行试拌，坍落度扩展度最大时的砂率为最优砂率；

确定最佳水胶比：在确定最优砂率不变的前提下，采用三个不同水胶比的配合比，增减幅度0.03，以泵送剂用量调整不同水胶比时拌合物的和易性，保持三个水胶比的混凝土拌合物和易性相一致，制作混凝土抗压试件，绘图或者计算法确定配制强度对应的水胶比；

调整施工配合比：检测砂石骨料的含水率，从拌合用水量中扣除，并检测混凝土拌合物的表观密度，与计算的表观密度对比，求出配合比调整系数δ；

所述配合比调整系数δ，公式为：

其中：m_c,c为混凝土拌合物的计算表观密度，Kg/cm³；m_c,t为混凝土拌合物的实测表观密度，Kg/cm³。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，采用配合比设计，通过建立体积模型，抽象出理论公式，计算出混凝土中胶凝材料、砂石骨料、水、泵送剂的用量，再通过实验室检验调整各组分的实际用量，修正后用于指导生产实践；本发明的方法更趋于科学性及合理性，使得现代新型混凝土的配合比设计从“质量假定——经验法”迈向“体积法”，也更贴近于如今的工业化自动化生产，为现代新型混凝土配合比设计提供了新的思路。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，用于满足现代大流态泵送混凝土在材料和性能上的需求，为生产实践提供指导。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

S1)选取原材料并进行准备工作，包括在实验室中检测水泥的实际强度、胶凝材料的活性指数，对粗细骨料进行筛分试验，确定粗骨料的最佳掺配比例，并检测粗细骨料的表观密度以及达到饱和面干状态时的吸水率，确定泵送剂减水率代表值；

以C30泵送混凝土为例，选取原材料并进行准备工作：

水泥：临港金隅水泥有限公司，水泥的28天强度53.4Mpa，混凝土强度设计时取值f_ce≥50Mpa，表观密度代表值3.02Kg/cm³；矿粉：沧州中铁装备制造材料有限公司，矿粉对水泥的影响系数由回归曲线γ_g＝-0.61k²+0.49k+1.03得到，其中：γ_g为矿粉的影响系数；k为矿粉的掺量(15％～45％，矿粉占矿粉水泥总量的百分值)，表观密度代表值2.9Kg/cm³；粉煤灰：渤海新区国华电力实业公司，粉煤灰的影响系数由回归曲线γ_f＝-0.98f+0.99得到，其中：γ_f为粉煤灰的影响系数；f为粉煤灰的掺量，粉煤灰占胶凝材料总量的百分值(0％～50％)，表观密度代表值2.3Kg/cm³；泵送剂：唐山宏实科技有限公司，胶凝材料的2.0％掺量时减水率30％；骨料的技术指标，见表1：

表1骨料的技术指标

S2)计算取值符合国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定的水胶比，公式为：

其中：W为拌合总用水量，Kg/m³；B为每方混凝土中胶凝材料的总用量，Kg/m³；α_a、α_b均为回归系数，α_a取值0.58，α_b取值0.42；f_b为胶凝材料28天实际强度，Mpa；f_cu·o为混凝土配制强度，Mpa；

步骤S2)中所述混凝土配制强度f_cu·o满足：

f_cu·o≥f_cu·k+t×σ

其中：f_cu·k为混凝土标准养护28天龄期的立方体抗压强度标准值，Mpa；t为概率度系数，由给定的保证率P确定，见表2；σ为混凝土立方体抗压强度标准差，无近期同品种混凝土抗压强度统计资料时可参考表3选值；

表2保证率和概率度系数的关系

保证率P，％	70	75	80	84	85	90	95	97.7	99.9
										概率度系数t	0.525	0.675	0.84	1.0	1.04	1.28	1.645	2.0	3.0

表3标准差σ选用值

水胶比的数值计算过程如下：设定粉煤灰的掺量26％、矿粉的掺量35％(总胶凝材料的26％)，计算影响系数分别为

γ_f＝0.73、γ_g＝1.15；

ρ_b＝0.26×2.3+0.26×2.9+0.48×3.2＝2.888；

f_b＝f_ce×γ_f×γ_g＝50×0.73×1.15＝41.98；

f_cu,o≥f_cu,k+tσ＝30+2.0×3.3＝36.6；

其中：ρ_b为胶凝材料表观密度(即水泥、矿粉、粉煤灰复合表观密度)；

S3)基于体积填充模型理论(体积填充模型认为混凝土拌合物各组份均占有一定的体积，即胶凝材料与水混合成胶浆裹覆砂子流动，石子由外力嵌入砂浆，浇筑后的混凝土实体由振捣而密实)，计算胶凝材料用量、拌合水用量、泵送剂用量和砂石骨料用量；具体的，包括：

S301)计算在1L混凝土中填充空隙和包裹碎石所需要的砂浆体积总和V_s，公式为：

其中：V_s为砂浆体积总和；P_g为粗骨料振实空隙率，通常取0.35；α为砂浆体积；

所述砂浆体积α，公式为：

其中：1.25为将碎石假定为球体时，体积修正系数；d_s为砂子的平均粒径，mm；d_g为碎石的平均粒径，mm；n为砂浆裹覆层的厚度，以砂粒平均粒径的倍数计算，低流动性时取值1.5～4，大流动性时取值4～6，自流平混凝土取值7以上；

同理，计算在1L砂浆中填充空隙和包裹砂粒所需的胶浆总体积V_e，公式为：

其中：P_s为细骨料振实空隙率，通常取值0.31；β为胶浆的体积；

所述胶浆的体积β，公式为：

计算1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e或

其中：V_e为胶浆体积总和；

同时

或/>

将公式联立，从而求出胶凝材料用量m_b：

S302)单方混凝土拌合水用量W满足：

S303)计算泵送剂用量μ，公式为：

其中：γ为与泵送剂含固量相关的系数，泵送剂含固量8％时，取值7.5；W₀为达到目标坍落度时的用水量：

所述达到目标坍落度时的用水量W₀，公式为：

其中：T为目标坍落度；K为与碎石最大粒径相关的系数，见表4；

表4K取值

碎石公称最大粒径，mm	13.2	26.5	31.5
				K	60	56	54.5

S304)计算砂石骨料用量：

计算1m³混凝土拌合物中砂的质量S，公式为：

S＝ρ_s×V′_s

其中：ρ_s为砂子的表观密度，取2.6Kg/cm³；V′_s为1m³混凝土拌合物中砂的体积；

所述1m³混凝土拌合物中砂的体积V′_s，公式为：

V′_s＝V_s-V′_e+V′_s×0.04

其中：V′_e为1m³混凝土拌合物中胶浆的体积；绝干状态的砂子与胶浆拌合，干砂会吸收部分水分，达到饱和面干时砂子的吸水率4％(体积比)；

所述1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e

计算1m³混凝土拌合物中碎石的质量G，公式为：

G＝ρ_g×V′_g

其中：ρ_g为碎石的表观密度，细石的表观密度2.6Kg/cm³、二级配碎石的表观密度2.68Kg/cm³、三级配碎石的表观密度2.71Kg/cm³；V′_g为1m³混凝土拌合物中碎石的体积；

所述1m³混凝土拌合物中碎石的体积V′_g，公式为：

V′_g＝1000-V_air-V′_s-V′_e+V′_g×0.006

其中：V_air为混凝土的含气量；绝干状态的碎石会吸收部分水分，达到饱和面干时碎石的吸水率0.6％(体积比)；

胶凝材料用量、拌合水用量、泵送剂用量和砂石骨料用量的数值计算过程如下：n取6；/>

所以拌合用水量W′≤172，此处取值170Kg/cm³；V′_e＝1000×V_s×V_e≤298.6，此处取值296，S＝288×2.6＝750，V_air＝0.015m³，

G＝403×2.72＝1100

最终得出C30泵送混凝土配合比设计表，见表5：

表5C30泵送混凝土配合比设计表

标号	B	C	K	F	S	G1	G2	G3	W	A
											C30	345	166	90	89	750	200	625	275	170	7.4

S4)按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整，具体包括：

确定最优砂率：用计算的水胶比和选定的泵送剂用量，每次增减1％或2％的砂率进行试拌，坍落度扩展度最大时的砂率为最优砂率；

确定最佳水胶比：在确定最优砂率不变的前提下，采用三个不同水胶比的配合比，增减幅度0.03，以泵送剂用量调整不同水胶比时拌合物的和易性，保持三个水胶比的混凝土拌合物和易性相一致，制作混凝土抗压试件，绘图或者计算法确定配制强度对应的水胶比；

调整施工配合比：检测砂石骨料的含水率，从拌合用水量中扣除，并检测混凝土拌合物的表观密度，与计算的表观密度对比，求出配合比调整系数δ；

所述配合比调整系数δ，公式为：

其中：m_c,c为混凝土拌合物的计算表观密度，Kg/cm³；m_c,t为混凝土拌合物的实测表观密度，Kg/cm³；

其他技术指标要求：当混凝土有抗渗、抗冻等其他技术要求时，须进行相应性能检测，不满足要求则需调整到满足要求为止。

混凝土试配调整配合比：依据计算配合比进行试拌，C30泵送混凝土坍落度T₀＝220mm，T₆₀＝210mm，微微泌浆，和易性良好，含气量1.8％，实测拌合物表观密度2.355Kg/cm3；按计算砂率调整砂率39.5％、41.5％，再次试拌，检测拌合物和易性，39.5％砂率时泌水，41.5％时，T₀＝230mm、T₆₀＝225mm，确定最佳砂率41.5％；按照水胶比0.49、0.52、0.55，砂率41.5％进行试配，保持拌合用水量170不变，总胶材分别为365、345、325，留置28天标准养护试块，标样试块强度见表6：

表6C30泵送混凝土28天标样试块强度

W/B	B	7d强度平均值	28d强度平均值
				0.49	365	34.2	43.7
0.52	345	27.9	39.2
				0.55	325	25.1	33.4

确定最佳水胶比后，调整配合比见表7：

表7调整后的C30泵送混凝土配合比

标号	B	C	K	F	S	G1	G2	G3	W	A
											C30	345	166	90	89	765	200	620	265	170	7.4

本发明提供的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，采用配合比设计，通过建立体积模型，抽象出理论公式，计算出混凝土中胶凝材料、砂石骨料、水、泵送剂的用量，再通过实验室检验调整各组分的实际用量，修正后用于指导生产实践；本发明的方法更趋于科学性及合理性，使得现代新型混凝土的配合比设计从“质量假定——经验法”迈向“体积法”，也更贴近于如今的工业化自动化生产，为现代新型混凝土配合比设计提供了新的思路。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)选取原材料并进行准备工作，包括在实验室中检测水泥的实际强度、胶凝材料的活性指数，对粗细骨料进行筛分试验，确定粗骨料的最佳掺配比例，并检测粗细骨料的表观密度以及达到饱和面干状态时的吸水率，确定泵送剂减水率代表值；

S2)计算取值符合国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定的水胶比，公式为：

其中：W为拌合总用水量，Kg/m³；B为每方混凝土中胶凝材料的总用量，Kg/m³；α_a、α_b均为回归系数，α_a取值0.58，α_b取值0.42；f_b为胶凝材料28天实际强度，Mpa；f_cu·o为混凝土配制强度，Mpa；

S3)基于体积填充模型理论，计算胶凝材料用量、拌合水用量、泵送剂用量和砂石骨料用量；具体的，包括：

S301)计算在1L混凝土中填充空隙和包裹碎石所需要的砂浆体积总和V_s，公式为：

其中：V_s为砂浆体积总和；P_g为粗骨料振实空隙率，取0.35；α为砂浆体积；

所述砂浆体积α，公式为：

其中：d_s为砂子的平均粒径，mm；d_g为碎石的平均粒径，mm；n为砂浆裹覆层的厚度；

同理，计算在1L砂浆中填充空隙和包裹砂粒所需的胶浆总体积V_e，公式为：

其中：P_s为细骨料振实空隙率，取值0.31；β为胶浆的体积；

所述胶浆的体积β，公式为：

计算1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e (6)

其中：V_e为胶浆体积总和；

或

其中：ρ_b为胶凝材料表观密度；

将公式(6)和公式(7)联立，从而求出胶凝材料用量m_b；

S302)单方混凝土拌合水用量W满足：

S303)计算泵送剂用量μ，公式为：

其中：γ为与泵送剂含固量相关的系数；W₀为达到目标坍落度时的用水量：

所述达到目标坍落度时的用水量W₀，公式为：

其中：T为目标坍落度；K为与碎石最大粒径相关的系数；

S304)计算砂石骨料用量：

计算1m³混凝土拌合物中砂的质量S，公式为：

S＝ρ_s×V′_s (11)

其中：ρ_s为砂子的表观密度，取2.6Kg/cm³；V′_s为1m³混凝土拌合物中砂的体积；

所述1m³混凝土拌合物中砂的体积V′_s，公式为：

V′_s＝V_s-V′_e+V′_s×0.04 (12)

其中：V′_e为1m³混凝土拌合物中胶浆的体积；

所述1m³混凝土拌合物中胶浆的体积V′_e，公式为：

V′_e＝1000×V_s×V_e (13)

计算1m³混凝土拌合物中碎石的质量G，公式为：

G＝ρ_g×V′_g (14)

其中：ρ_g为碎石的表观密度；V′_g为1m³混凝土拌合物中碎石的体积；

所述1m³混凝土拌合物中碎石的体积V′_g，公式为：

V′_g＝1000-V_air-V_s′-V_e′+V′_g×0.006 (15)

其中：V_air为混凝土的含气量；

S4)按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整。

2.根据权利要求1所述的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤S2)中所述混凝土配制强度f_cu·o满足：

f_cu·o≥f_cu·k+t×σ (16)

其中：f_cu·k为混凝土标准养护28天龄期的立方体抗压强度标准值，Mpa；t为概率度系数；σ为混凝土立方体抗压强度标准差。

3.根据权利要求1所述的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤S301)中所述砂浆裹覆层的厚度n以砂粒平均粒径的倍数计算，低流动性时取值1.5～4，大流动性时取值4～6，自流平混凝土取值7以上。

4.根据权利要求1所述的大流态多组份水泥基泵送混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤S4)所述按照计算的混凝土设计配合比进行实验室试拌，再根据混凝土拌合物的坍落度、含气量、泌浆泌水、离析情况判断混凝土的工作和易性，对初步确定的胶凝材料、拌和用水、泵送剂和砂石骨料的用量进行调整，具体包括：

确定最优砂率：用计算的水胶比和选定的泵送剂用量，每次增减1％或2％的砂率进行试拌，坍落度扩展度最大时的砂率为最优砂率；

确定最佳水胶比：在确定最优砂率不变的前提下，采用三个不同水胶比的配合比，增减幅度0.03，以泵送剂用量调整不同水胶比时拌合物的和易性，保持三个水胶比的混凝土拌合物和易性相一致，制作混凝土抗压试件，绘图或者计算法确定配制强度对应的水胶比；

调整施工配合比：检测砂石骨料的含水率，从拌合用水量中扣除，并检测混凝土拌合物的表观密度，与计算的表观密度对比，求出配合比调整系数δ；

所述配合比调整系数δ，公式为：

其中：m_c,c为混凝土拌合物的计算表观密度，Kg/cm³；m_c,t为混凝土拌合物的实测表观密度，Kg/cm³。