一种基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法
【专利摘要】一种基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，包括如下步骤：（1）根据最紧密堆积理论确定骨料的组成；（2）根据鲍罗米公式和耐久性设计要求，确定水胶比；（3）确定胶凝材料总用量和用水量；（4）通过试验确定外加剂种类和掺量；(5) 测试不同胶凝材料组成下的混凝土相关性能，建立胶凝材料组成与混凝土性能之间的关系；(6) 在图上作出胶凝材料组成与每个混凝土性能之间的关系图，确定胶凝材料组成的安全区域，不同性能区域的重叠区即为胶凝材料的最佳组成。利用本发明设计方法选定具备多种性能要求的高性能混凝土之胶凝材料的最佳组成，不仅操作简单，省时省力，而且可以直观准确的预测非试验点下混凝土的相关性能，为胶凝材料组分设计提供依据。
【专利说明】
一种基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，具体的说，是涉及 一种根据多种性能要求的高性能混凝土的设计方法。
【背景技术】
[0002] 在配制混凝土时，掺入辅助性胶凝材料部分取代水泥，可有效改善混凝土的一些 性能。在混凝土原材料组成中，起骨架作用的砂石占70-80%，起胶结作用的硬化胶凝材料占 20-30%。在凝结硬化过程中，砂石物理化学性能相对稳定，而胶凝材料的物理化学性能往往 存在较大差异，使得胶凝材料组成对混凝土性能具有显著的影响。现有的混凝土设计规范 仅仅规定了辅助性胶凝材料的最大和最小用量，在规范范围内，如何确定水泥和辅助性胶 凝材料的具体比例一一即胶凝材料组成设计是一个难题。传统的胶凝材料组成设计多以经 验为主，设计胶凝材料组成往往需要经过多次尝试才能制备出满足性能要求的混凝土，不 仅费时费力，而且无法预测非试验点的混凝土相关性能。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是，克服现有混凝土设计的不足，提供一种基于多种性 能要求的高性能混凝土设计方法，不仅操作简单，省时省力，而且可直观准确的预测非试验 点下混凝土的相关性能，为胶凝材料组分设计提供依据。
[0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是： 应用单一-质心设计胶凝材料组成，测试不同胶凝材料组成下的混凝土相关性能，基于 多种性能要求，确定胶凝材料组成的安全区域，不同性能区域的重叠区即为胶凝材料的最 佳组成。
[0005] 本发明之基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，包括以下步骤： (1) 根据最紧密堆积理论，通过测试砂石最大容重法确定粗、细骨料的组成； (2) 根据鲍罗米公式计算高性能混凝土的最大水胶比，结合《混凝土结构耐久性设计规 范》(GB/T 50476-2008)，从两者中选取水胶比的较小值;为保证混凝土强度，较小值减0.01 ~0.03即为设计的水胶比。
[0006] (3)通过测试砂石表观密度和砂石混合料的堆积密度，计算骨料空隙率，并根据富 余浆体理论，结合《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)，确定胶凝材料总用量 和用水量； (4) 应用单一-质心法设计胶凝材料组成，并根据上述计算的配比进行混凝土试验，基 于混凝土流动性要求，通过试验确定外加剂种类和掺量； (5) 测试不同胶凝材料组成下的混凝土相关性能，建立胶凝材料组成与混凝土性能之 间的关系； (6) 在图上作出胶凝材料组成与每个混凝土性能之间的关系图，基于多个混凝土的性 能要求，确定胶凝材料组成的安全区域，不同性能区域的重叠区即为胶凝材料的最佳组成。
[0007] 进一步，步骤(4)中，胶凝材料（X1，X2,......,Xn)的百分比之和应满足X1+X2+......+ Xn =100%〇
[0008] 进一步，步骤(4)中，任一胶凝材料组成(xm)的百分含量应满足0彡xm彡100%。 [0009]进一步，步骤(4)中，外加剂种类和掺量由混凝土流动性试验确定。
[0010]进一步，步骤(5)中，胶凝材料组成与混凝土性能之间的关系由单一-质心设计原 理确定。
[0011] 使用本发明设计具有多种性能要求的混凝土之胶凝材料的最佳组成，不仅操作简 单，省时省力，而且可以直观准确的预测非试验点下混凝土的相关性能，为胶凝材料组分设 计提供依据。
[0012]
【附图说明】
[0013] 图1是混凝土的三元胶凝材料组成设计图； 图2-a是实施例1某工程A混凝土抗压强度的等值线图； 图2 - b是实施例1某工程A混凝土抗开裂性能的等值线图； 图2 - c是实施例1某工程A混凝土碱-骨料反应性能的等值线图； 图2 - d是实施例1某工程A混凝土氯离子迀移性能的等值线图； 图2 - e是实施例1某工程A混凝土碳化深度性能的等值线图； 图3是实施例1某工程A混凝土确定的胶凝材料组成； 图4 一a是实施例2某工程B混凝土抗压强度性能的等值线图； 图4一b是实施例2某工程B混凝土抗开裂性能的等值线图； 图4一 c是实施例2某工程B混凝土碱-骨料反应性能的等值线图； 图4一d是实施例2某工程B混凝土氯离子迀移性能的等值线图； 图4一 e是实施例2某工程B混凝土碳化深度性能的等值线图； 图5是实施例2某工程B混凝土确定的胶凝材料组成。
【具体实施方式】
[0014] 下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述。应该说明的是，不得将下述实施例 解释为对本
【发明内容】
的限制。
[0015] 实施例1 某工程A的C30混凝土材料必须满足强度、抗开裂性、抗碱-集料反应、抗氯离子渗透性 及抗碳化性达到100年使用寿命的设计要求； (1) 根据最紧密堆积理论，通过测试砂石最大容重法，确定最佳砂率为40 ± 2wt%; (2) 根据鲍罗米公式计算C30混凝土的最大水胶比为0.5,《混凝土结构耐久性设计规 范》(GB/T 50476-2008)中规定C30混凝土的最大水胶比为0.55，确定水胶比为0.48; (3) 通过测试砂石表观密度和砂石混合料的堆积密度，计算骨料空隙率，并根据富余浆 体理论，《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)中规定C30混凝土的胶凝材料总 用量不宜小于280kg/m3，确定胶凝材料总用量和用水量，分别为320 kg/m3和154 kg/m3; (4) 根据图1，应用单一-质心设计胶凝材料组成，其中水泥占胶凝材料组成的比例为50 ~100%，粉煤灰和矿粉占胶凝材料组成的比例为O~50%。根据上述计算的配比进行混凝土试 验，基于混凝土流动性要求，确定C30混凝土掺入0.6%的聚羧酸减水剂，混凝土的配合比见 表1; (5)测试不同胶凝材料组成下的混凝土的强度、抗开裂性、抗碱-集料反应、抗氯离子 渗透性、抗杂散电流腐蚀性及抗碳化性，其等值线图见附图。图2 - a是实施例1某工程A混凝 土抗压强度的等值线图；图2 - b是实施例1某工程A混凝土抗开裂性能的等值线图；图2 - c 是实施例1某工程A混凝土碱-骨料反应性能的等值线图；图2 - d是实施例1某工程A混凝土 氯离子迀移性能的等值线图；图2 - e是实施例1某工程A混凝土碳化深度性能的等值线图。 [0016] (6)某工程A的C30混凝土需要满足抗压强度大于38MPa、28天不开裂、碱骨料反应 膨胀值小于〇. 1%、氯离子迀移系数小于5.0 X l(T12m2/s、碳化深度小于6.5mm，根据这些性能 要求确定胶凝材料组成不同性能下的安全区域，其重叠区A即为某工程A的C30混凝土胶凝 材料的最佳组成，见图3。在重叠区A选取配合比A-8进行验证，配合比A-8制备混凝土的抗压 强度为42MPa、28天不开裂、碱骨料反应膨胀值为0.045%、氯离子迀移系数为2.6\1〇- 121112/ s、碳化深度为5.7_，满足某工程A的C30混凝土的设计要求。
实施例2 某工程B的C55混凝土材料必须满足强度、抗开裂性、抗碱-集料反应、抗氯离子渗透性 及抗碳化性能达到100年使用寿命的设计要求； (1) 根据最紧密堆积理论，通过测试砂石最大容重法，确定最佳砂率为39 ± 2%; (2) 根据鲍罗米公式计算C55混凝土的最大水胶比为0.3,《混凝土结构耐久性设计规 范》(GB/T 50476-2008)中规定C55混凝土的最大水胶比为0.36，确定水胶比为0.29; (3) 通过测试砂石表观密度和砂石混合料的堆积密度，计算骨料空隙率，并根据富余浆 体理论，《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)中规定C55混凝土的胶凝材料总 用量不宜小于380kg/m3，确定胶凝材料总用量和用水量，分别为480 kg/m3和139 kg/m3; (4) 根据图1，应用单一-质心设计胶凝材料组成，其中水泥占胶凝材料组成的比例为50 ~100%，粉煤灰和矿粉占胶凝材料组成的比例为0~50%。根据上述计算的配比进行混凝土试 验，基于混凝土流动性要求，确定C55混凝土掺入1.3%的聚羧酸减水剂，混凝土的配合比见 表2; (5) 测试不同胶凝材料组成下的混凝土的强度、抗开裂性、抗碱-集料反应、抗氯离子 渗透性及抗碳化性能，其等值线图见附图。图4一a是实施例2某工程B混凝土抗压强度性能 的等值线图；图4一b是实施例2某工程B混凝土抗开裂性能的等值线图；图4一c是实施例2某 工程B混凝土碱-骨料反应性能的等值线图；图4一d是实施例2某工程B混凝土氯离子迀移性 能的等值线图；图4一e是实施例2某工程B混凝土碳化深度性能的等值线图。
[0018] (6)某工程B的C55混凝土需要满足抗压强度大于65MPa、28天不开裂、碱骨料反应 膨胀值小于〇. 1%、氯离子迀移系数小于2.5 X HT1 V/s、碳化深度小于2.0mm，根据这些性能 要求确定胶凝材料组成不同性能下的安全区域，其重叠区A即某工程B的C55混凝土胶凝材 料的最佳组成，见图5。在重叠区A选取配合比B-8进行验证，配合比B-8制备混凝土的抗压强 度为69MPa、28天不开裂、碱骨料反应膨胀值为0.06%、氯离子迀移系数为2.1 X l(T12m2/S、碳 化深度为1.9_，满足某工程B的C55混凝土的设计要求。
本发明基于单一-质心设计理论，选取七个特征点设计混凝土的胶凝材料组成(参见图 1 )，根据图1所示的胶凝材料组成制备混凝土，测试混凝土的性能，绘制混凝土的性能等值 线图。按照混凝土的性能要求，划出符合要求混凝土各性能等值线图的临界线，不同性能临 界线的重叠区域即为满足多种性能要求的混凝土胶凝材料组成。本发明方法不仅操作简 单，省时省力，而且可以直观准确的预测非试验点下混凝土的相关性能，为胶凝材料组分设 计提供依据。
【主权项】
1. 一种基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 根据最紧密堆积理论，通过测试砂石最大容重法确定粗、细骨料的组成； (2) 根据鲍罗米公式计算高性能混凝土的最大水胶比，结合《混凝土结构耐久性设计规 范》(GB/T 50476-2008)，确定水胶比； (3) 通过测试砂石表观密度和砂石混合料的堆积密度，计算骨料空隙率，并根据富余浆 体理论，结合《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)，确定胶凝材料总用量和用 水量； (4) 应用单一-质心法设计胶凝材料组成，并根据上述计算的配比进行混凝土试验，基 于混凝土流动性要求，通过试验确定外加剂种类和掺量； (5) 测试不同胶凝材料组成下的混凝土相关性能，建立胶凝材料组成与混凝土性能之 间的关系； (6) 在图上作出胶凝材料组成与每个混凝土性能之间的关系图，基于多个混凝土的性 能要求，确定胶凝材料组成的安全区域，不同性能区域的重叠区即为胶凝材料的最佳组成。2. 根据权利要求1所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在于，步 骤(2)中，水胶比小于鲍罗米公式计算结果和《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)中的要求。3. 根据权利要求2所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在于，从 鲍罗米公式计算结果和《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)的要求中选取较 小值，为保证混凝土强度，较小值减〇. 01~〇. 03，即为设计的水胶比。4. 根据权利要求1或2所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在 于，步骤(4)中，胶凝材料的百分比之和应满足X1+X2+......+χη =100%。5. 根据权利要求1或2所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在 于，步骤(4)中，任一胶凝材料组成的百分含量应满足0< Xm <100%。6. 根据权利要求1或2所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在 于，步骤(4)中，外加剂种类和掺量由混凝土流动性试验确定。7. 根据权利要求1或2所述的基于多种性能要求的高性能混凝土设计方法，其特征在 于，步骤(5)中，胶凝材料组成与混凝土性能之间的关系由单一-质心设计原理确定。
【文档编号】C04B103/30GK106007541SQ201610374781
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】史才军, 王德辉, 何富强, 安晓鹏, 石振国, 童柏辉, 刘蒙
【申请人】湖南大学