江苏建筑 ２０１４年第１期（总第１６０期） ９３ 基于浆骨比的现代混凝土配合比设计 王国友‘，石亮 ，刘建忠。。 （ 江苏博特新材料有限公司，江苏南京２１０００８； 江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京２１０００８） 【摘 要］ 随着现代混凝土技术的发展，配合比设计方法也经历着变革，”科学”与”实用”兼顾的配合比设计方法为业界所 追求。本文在对比分析混凝土常见配合比设计方法的基础上，优选采用浆骨比法进行现代混凝土配合比设计，并通过某高强 泵送混凝土工程对基于浆骨比的现代混凝土配后比设计方法进行了验证。 【关键词】 浆骨比；现代混凝土；配合比；设计方法 【中图分类号】ＴＵ ５２８ ［文献标识码］Ａ【文章．￣］１ｏｏ５—６２７０｛２０１４）０１—００９３—０３ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｍｉ】Ｉ【Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｓｔｅ－Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｒａｔｉｏ ＷＡＮＧ Ｇｕｏ－ｙｏｕ ＳＨＩ Ｌｉａｎｇ 。ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｚｈｏｎｇ 。 （１．Ｊｉａｎｇｓｕ ＢＯＴＥ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００８ Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００８ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｍｉｘ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｌｓｏ ｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇ ｃｈａｎｇｅ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｓｅｅｋｉｎｇ ａ ｍｉｘ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔａｋｅ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｏｆ”ｓｃｉｅｎｃｅ”ａｎｄ”ｐｒａｃｔｉｃａｌ”．Ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｉｘ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｐａｓｔｅ－ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｈｏｓｅ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐａｓｔｅ－ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｈｉｇｈ— ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｓｔｅ－ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｒａｔｉｏ；ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ０前育 本文对比分析了现阶段常见的混凝土配合比设计方 法。在此基础上。从“科学”与“实用”角度出发，优选基于浆 固比的现代混凝土配合比设计方法进行混凝土制备．并在 某高强泵送混凝土工程中进行验证分析．为现代混凝土的 配合比设计提供借鉴。 １混凝土配合比设计方法对比 １．１现行标准设计法 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一．它以水泥 为主要胶凝材料．砂石骨料为集料，加水拌合而成。随着材 料科学的不断发展．混凝土的组成与制备技术也发生着变 化，粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料以及化学外加剂的使 用是混凝土走向“现代”的重要标志 配合比设计是混凝土 制备过程中的重要环节．它是混凝土从原材料走向成品的 关键。现阶段我国最常用的混凝土配合比设计方法依据《普 通混凝土配合比设计规程》（ＪＧＪ ５５—２０１１）进行，主要设计 现行标准配合比设计方法即《普通混凝土配合比设计 规程》（ＪＧＪ ５５—２０１１）中规定的设计方法，该方法在设计混 思想涵盖以下几方面：①新拌混凝土和易性好、易于施工； ②混凝土硬化后强度达标、耐久性好；③在符合上述两项要 求下，选用最经济的材料组合。随着计算机科学的发展，最 优化设计方法、人工神经网络设计方法等其他混凝土配合 比设计方法也应运而生 凝土配合比有以下５个主要步骤【 １：①确定配制强度；②确 定配合比设计中的基本参数：根据坍落度、配置强度及耐久 性要求．查表确定单位用水量、砂率、外加剂和掺合料的掺 量、最大水灰比和最小水泥用量、引气剂掺量等基本参数； ③计算配合比：计算配制强度ｆｃｕ，０并求出相应的水灰比； 基金项目：国家科技支撑计划（十二五）资助（２Ｏｌ１ＢＡＥ２７Ｂ０２）； 江苏省交通科学研究计划项目“灌河大桥腐蚀环境下耐久 性应用研究”资助 【收稿日￣］２０１３．１２．０５ 【作者简介】王国友，（１９８５一），江苏博特新材料有限公司，助理工程 师。 选取每立方米混凝土的用水量．并计算出每立方米混凝土 的水泥用量；选取砂率。计算粗骨料和细骨料用量，并提出 供试配用的计算配合比；④试配、调整与确定：进行混凝土 试配，完成和易性调整、强度校核、密度校核等；⑤特殊性能 校核：对有抗渗、抗冻要求的混凝土以及泵送混凝土、大体 积混凝土等．应根据实际要求对配合比做出相应调整。 现行标准配合比设计方法中配合比大量参数靠查表选 值．属于以经验为基础的半定量设计方法．存在很多不利因 素．使得配制结果随机性较大。工作效率不高。方法主要在 以下几个方面不能充分满足现代混凝土制备的需要：①设 计周期较长；②设计的变量较少，主要是水泥、水和粗细骨 料的用量。由于矿物粉料和外加剂的掺入．基于经验的配合 比设计方法难以配制出组分复杂、具有特殊性能的混凝土： ③考虑的性能较单一。主要满足强度及工作性的要求，缺乏 对耐久性等特殊性能要求的设计手段．致使现行标准配合 比设计方法制备的结构混凝土耐久性偏低；④不利于混凝 土生产的计算机控制；⑤优化配合比设计十分困难。 １．２浆固比法 许多专家认为．配合比设计的指导思想应从强度设计 向多种性能设计转化．从可行性设计向优化设计转化 合理 的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、 耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下， 确定各种成份的用量．获得最经济和适用的混凝土。 江苏博特新材料有限公司对现代混凝土配合比设计进 行了大量研究，提出浆固比法离，修正《普通混凝土配合比设 计规程｝（ＪＧＪ ５５—２０１ １）中的绝对体积法。该配合比设计方 法首先对混凝土材料组成进行了４项假定：（１）混凝土组成 材料（包括固液气三相）具有体积加和性；（２）石子的空隙率 由砂浆来填充；（３）砂浆的空隙率由水泥浆来填充；（４）水泥 浆由水泥、矿物掺合料和空气组成。其次，根据Ｍｅｈｔａ和 Ａｉｔｃｉｎ教授的观点：要使现代混凝土同时达到最佳工作性 能和强度。水泥浆与骨料的体积比应为３５：６５；水泥与细粉 料的体积比应为７５：２５。最后。通过推导，得出基于浆固比 的现代混凝土配合比设计解析计算式 基于浆固比的现代混凝土配合比设计步骤主要有以下 几步： （１１根据设计的混凝土强度等级，设定浆骨比．混凝土 浆骨比范围宜取０．３３～０．３５：０．６７～０．６５： ｆ２）根据各材料的表观密度，确定浆体组成； ｆ３）根据混凝土强度、掺合料掺人情况、目标含气量，以 及水泥强度情况．设定水胶比： （４１计算浆体部分各材料体积，求得实际浆体组成各原 材料质量： （５）设定砂率。计算骨料部分各材料体积，求得骨料组 成各原材料质量： （６１得出计算配合比； ｆ７１和易性、强度试配； 江苏建筑 ２０１４年第１期（总第１６０期） ｆ８１特殊性能校核。 １．３最优化设计法 张继先吼曾经提出一种单目标的非线性规划模型．以混 凝土价格为目标函数、各种原材料的用量为设计变量。通过 对数学模型的优化．在混凝土的性能符合用户需要的前提 下．使成本最低。 １．４人工神经网络设计法 神经网络有很强的学习、联想、自组织和自适应的能 力，采用并行、分布式存储和处理机制．系统具有容错性和 强壮性。其知识是从样本或事例的数据集合中自动学习获 取的，并用神经元间的连接权值。加以隐性地表达Ｈ。这种系 统借助计算机模拟．对知识和信息的处理、对混凝土性质的 模拟．可以大大减少试验室的试配工作。将神经网络专家系 统应用于混凝土配合比优化设计和质量控制．可以节约材 料、提高生产率。 对于当代混凝土工程而言，《普通混凝土配合比设计规 程》（ＪＧＪ ５５—２０１１）中规定的标准设计方法科学性与实用性 均存在弊端．经验参数的选用以及设计灵活度的欠缺．导致 了采用其设计出的混凝土．常常不能满足施工与耐久的需 求：最优化设计法和人工神经网络设计法采用了先进的计 算机技术．对于实际工程混凝土生产控制尤为关键．但以上 两种方法的实现需要大量的试验数据作为支撑．方法的完 善工作还需继续：基于浆固比的现代混凝土配合比设计方 法实现了“科学”与“实用”的完美统一．所有配合比参数的 选择均由实际工程混凝土性能指标计算得出．且设计过程 耗时短，优化灵活度高，宜在现代混凝土设计与制备中广泛 应用。 ２基于浆固比的现代混凝土配合比设计 江苏某混凝土工程混凝土设计强度等级Ｃ７０．施工工 艺为泵送．通过设计方法分析．采用基于浆固比的现代混凝 土配合比设计方法进行设计．实现混凝土的制备．为工程提 供有益借鉴 ２．１混凝土指标要求 设计Ｃ７０泵送混凝土，应达到以下指标：①初始坍落 度／０＝２２０ ｍｍ￣２０ ｍｍ；ｌ ｈ后坍落度Ｔｌｈ＝２２０ ｍｍ￣２０ ｍｍ， 扩展度 １ ｈ￣＞５００ ｍｍ；②含气量Ａｉｒ￣３％；③倒坍流出时 间 流≤１５ ｓ；④抗压强度Ｒ２８＞￣８０．５ ＭＰａ ２．２原材料 水泥：江南小野田Ｐ．ＩＩ ５２．５（以下简称Ｃ），＝０３１４０ ｋｇｍ ； 矿渣粉：梅宝￥９５级（以下简称ＳＬ），ｐ＝２８００ ｋｇ／ｍ３； 粉煤灰：华望Ｉ级（以下简称Ｆａ），０＝２２００ ｋ咖 ； 砂：苏博特试验室用砂（以下简称Ｓ），Ｍｘ＝Ｚ７，０＝２６４０ｋｇｍ ； 石：苏博特试验室用碎石（以下简称Ｇ）。５ ｍｍ ２５ ｍｍ 连续级配，ｐ＝２７６０ ｋｇ／ｍ ； 外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司聚羧酸高性 能减水剂ＰＣＡ—Ｉ ２－３设计方法分析 江苏建筑 ２０１４年第１期（总第１６０期） ９５ 工程所用混凝土水胶比较低．水胶比降低是现代混凝 求。 ３结论 土技术发展的趋势．低水胶比下．混凝土能够获得良好的力 学性能与耐久性能．但与此同时．工作性能的劣化成为困扰 业界的一大技术难题。理论研究表明。矿物掺合料以及化学 外加剂技术可以实现现代混凝土力学、耐久、工作性的协调 （１）《普通混凝土配合比设计规程》（ＪＧＪ ５５—２０１１）中规 定的标准设计方法最易掌握，但是效率较低；以计算机为依 托的最优化设计法和人工神经网络法仍不够成熟．且实施 统一。但问题的解决需要在各原材料合理组合前提下实现． 此时的混凝土配合比设计方法至关重要．由前面分析可知， 时需要较高的技术平台：基于浆固比的现代混凝土配合比 设计方法设计周期短、工作量小。对和易性的控制明显优于 基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法是首选．并且考 虑到实际工程可能存在原材料质量波动．此时浆固比法相 较于标准设计方法而言．灵活性更强。且通过计算机编程可 实现基于浆固比的现代混凝土配合比设计计算机化．生产 控制更为方便 ２．４配合比设计 标准设计方法．对耐久性的控制上优于标准设计方法。 ｆ２）采用基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法成功 实现了Ｃ７０泵送混凝土的设计与制备．混凝土性能指标均 满足设计要求。 参考文献 【１】ｊｃｊ ５５－２０１１普通混凝土配合比设计规程【ｓ】．中国建筑 工业出版社．２０１１． 按照基于浆固比的现代混凝土配合比设计方法进行设 计．过程及数据见表ｌ。 经试配、校核。修正配合比见表２。 ２．５混凝土性能指标分析 【２】孙树，刘加平，缪昌文，等．谈聚羧酸系外加剂应用于客运 专线灌注桩高性能砼的配合比设计及施工常见问题的解决措 施ｆＧ１／／聚羧酸系高性能减水剂研究与工程应用论文集． 按照表２所示配合比拌制的混凝土和易性指标和２８ ｄ 强度见表３ 【３】张继先．混凝土优化设计方法Ｕ】．混凝土，１９９６（２）：３－１０． ［４１ ＷＡＮＧ ｊｉ～ＺＯＮＧ，ＮＩ ＨＯＮＧ—ＧＵＡＮＧ，ＨＥ ＪＩＮ～ ＹＵＮ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｃｑｕｉｓｉｉｏｎ ｏｆ ｔｋｎｏｗｌｅｄｇｅ 由表可以看出．采用基于浆固比的现代混凝土配合比 设计方法进行设计与制备．混凝土拌合物和易性优异。满足 ｔｏ ｍｉｘ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ【『】．Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｋｅｓｅａｒｃｈ， １９９９，２９（１２）：１８７５－１８８０． 泵送需求．试件２８ｄ抗压强度为８５．１ＭＰａ．满足Ｃ７０设计要 江苏省土木建筑学会暨《江苏建筑》编辑部向支 持学会的学术交流。＆－ｔ－ ，，会刊编辑出版的土木 ，工程与建筑企事业单位高等院校兄弟学会表示衷 心的感谢！