一种自密实混凝土拌合物配合比设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混凝±施工技术领域，设及一种自密实混凝±拌合物配合比设计方 法。
【背景技术】
[0002] 自密实混凝±是一种在低水胶比下具有很高流动性而不离析、不泌水、保证在不 利诱筑条件下能不经振捣而自行充满模腔和包裹钢筋的新型高性能混凝±。因使用大量工 业废弃矿物细渗料，自密实混凝上能明显降低混凝上的溫升，从而提高抵抗外界环境侵蚀 劣化的能力，进而提高混凝±结构的耐久性；同时矿物细渗料的使用节约了水泥，减少了水 泥生产中的碳排放和能源消耗。由于具有上述优点，自密实混凝±特别适用于传统混凝± 难W诱筑甚至无法诱筑的部位，可避免振捣不足造成的空桐、蜂窝、麻面等质量缺陷，保证 和提高施工质量，适应了现代化机械施工的需求，大大降低了施工噪声、加快了施工速度， 是现代混凝±技术取得的突破性成就，综合效益较为显著。
[0003] 自密实混凝±作为现代高性能混凝±，除工作性之外，还要在耐久性、强度、体积 稳定性、适用性和经济性等方面表现优异，而运些性能都需要合理的原材料选用和配合比 设计来保证，诚然各原材料在组成上有其自身特点，如在砂率、浆骨比、水胶比等配合比设 计参数的选择方面，但传统混凝±配合比设计理论和方法已不能直接应用，而现有自密实 混凝±拌合物配合比设计方法也存在一定不足，如现行行业标准《JGJT283自密实混凝± 应用技术规程》，虽是按照预定自密实性能等级进行的配合比设计，但由于设计方法缺乏必 要的理论依据，因而设计参数巧日粗骨料用量，砂浆用量、砂率等）只能靠经验取值，虽然使 拌合物工作性和硬化混凝±强度及耐久性达到一定预期的具体材料的组成参数具有唯一 性，但由于不同地区的原材料性能差异并不能保证经验值与实际值总是相符，而初始参数 选择的不当往往带来累计误差，最终导致实际结果难W满足预期。而现有一些完全依赖计 算确定拌合物配合比的方法同样存在参数选择与实际材料性能脱节的缺陷，尤其未考虑到 骨料和胶凝材料固体颗粒体系的堆积特性对拌合物和硬化混凝±性能的影响，因而使得自 密实混凝±的性能难W达到设计要求，后期的反复试配和调整也使其优点难W得到体现。
[0004] 数世纪W来，颗粒堆积问题一直受到科学界的关注，堆积理论也拥有其广泛的应 用背景，设及到核工业、航空航天、±木工程、制药业、食品工业、复合材料等许多学科领域。 尽管堆积理论已在混凝±行业中研究应用多年，但到目前为止，尚无一套依据该理论建立 起来的确定自密实高性能混凝±拌合物配合比的实用方法，更不能将拌合物的材料组成与 自密实性能等级建立直接联系，如中国专利（申请公布号CN103304206A)公布了一种超高 强自密实混凝±及其制备方法，主要由胶凝材料、高效减水剂、细骨料、粗骨料、水及PVA纤 维组成，组成胶凝材料的水泥、矿渣及娃粉的质量百分比为：水泥70%-80%、矿渣10%-20%、 娃粉5%-10%。该发明虽然提到是基于最密实堆积理论对超高强自密实混凝±进行的优化设 计，但申请文件并未设及利用最密堆积理论来确定各种材料用量的任何方法方面的信息， 其实际采用的仍是传统混凝±的配合比设计方法和模式，且所设计拌合物的性能无法预 知，必须经过后期的试验检验和试配调整。
[0005] 总体而言，现有技术在材料配合比设计方面的盲目性不仅增大了试配调整的工作 量，也带来了资源浪费，因而，有必要探讨一种更为实用的自密实高性能混凝±拌合物配合 比设计的新方法。
【发明内容】
[0006] 本发明主要目的是在现有技术基础上，通过材料性能与其组成内在规律的发现及 参数模型的建立，提供一种自密实混凝±拌合物配合比设计方法。
[0007] 本发明所述自密实混凝±拌合物配合比设计思路如下： 对由多种粗细骨料组成的混合骨料，依据颗粒物的密实堆积原理，利用化ller-Ta化〇1 级配公式设计5组初选级配，对满足5组初选级配的混合骨料进行堆积密度和空隙率试验， 确定骨料的实际最密级配； 对仅有一种粗骨料和一种细骨料组成的混合骨料，利用本发明所提出的砂率计算公式 组配5组不同砂率的混合骨料，并对5组混合骨料进行堆积密度和空隙率试验，确定混合骨 料达到最密堆积时的实际砂率； 对满足最密堆积要求的骨料混合料进行松散堆积和最密堆积试验，确定两种堆积状 态下对应的空隙率，并将空隙可填充的胶凝材料体积与预期的自密实性能等级建立联系， 即： 当满足最密堆积要求的骨料混合料达到松散堆积状态时，不同粒径的固体颗粒刚好形 成点接触，颗粒体形成较大的可填充空间，如果运些空间刚好用来填充胶凝材料和水组成 的浆体，此时粗细骨料形成的"骨架效应"和胶凝材料浆体形成的"松动效应"可刚好平衡， 使拌合物具有初级的自密实填充性能； 当满足最密堆积要求的骨料混合料达到最紧密堆积状态时，不同粒径颗粒形成的接触 点最多，颗粒体形成最小的可填充空间，假定运些空间只用来填充胶凝材料，粗细骨料和胶 凝材料将形成最稳定的固体骨架结构，只有添加拌合水才能使骨架松动，此时拌合水的"润 滑"和"松动效应"占支配地位，使拌合物具有最高等级的自密实填充性能； 假定在松散堆积和最紧密堆积状态之间还存在一个间密堆积状态，则间密堆积状态决 定的胶凝材料和拌合水用量可使拌合物具有中等自密实填充性能。
[000引下面对本发明所采取的技术方案详细介绍如下。
[0009] -种自密实混凝±拌合物配合比设计方法，具体包括W下步骤。
[0010] (1)确定性能设计目标，具体而言，根据工程的复杂程度、钢筋最小净距等参数确 定欲制备的自密实混凝±拌合物的自密实性能等级，根据工程结构安全设计要求确定欲制 备的自密实混凝±的强度等级。
[0011] (2)确定自密实混凝±的配制强度和水胶比，具体而言，首先依据现行行业标准《JGJ55-2011普通混凝±配合比设计规程》中相关规定计算自密实混凝±配制强度/。。,。； 然后按本发明提出的下述公式1计算水胶比（mynib); 公式1，
式中：A为每立方米自密实混凝±中用水量，kg; 为每立方米自密实混凝±中胶凝材 料的质量，kg 为依据现行行业标准计算所得自密实混凝±配制强度；/b为水泥28d实 测抗压强度，MPa;当水泥28d抗压强度/b未能进行实测时，可采用水泥强度等级对应 值乘W1. 1替代； 需要注意的是，当渗入矿物渗合料时，考虑矿物渗合料对水泥抗压强度影响，则/b按 下述公式2进行计算； 公式2，
式中，g为水泥强度等级，单位MPa; A为矿物渗合料的活性影响系数；具体而言，对于微娃粉（i=l)、S95或S105级矿渣粉 (i=2)、I级或II级粉煤灰（i=3)、石灰石粉（i=4)可分别取值1.0、-0. 1、-0.6、-0.9; A为矿物渗合料的质量分数；具体而言，对于微娃粉，0. 1 ;对于S95或S105级 矿渣粉，公0. 4 ;对于I级或II级粉煤灰，公0. 13 ;对于石灰石粉，公0. 2,需要 注意的是，总的矿物渗合料占胶凝材料总用量的质量分数不宜小于0. 2 ; n为渗入矿物渗合料的种类数量。
[0012] (3)确定骨料的最密级配(或砂率）及不同堆积状态的空隙率， 一般而言，混凝±中骨料的最密堆积状态对拌合物的工作性和硬化混凝±的强度和耐 久性具有决定性影响，而骨料的最密堆积状态取决于合理的级配，即：只有粗细骨料颗粒的 数量搭配合理，不同大小的颗粒才能形成最紧密的接触，此时应力的传递才能更为均匀，而 结构强度和体积稳定性同时能够达到最好，此时粗颗粒的"拱桥效应"和细颗粒的"松动效 应"易于达到平衡； 达到最密堆积状态的骨料间隙如果完全填充胶凝材料浆体，混凝±拌合物将具有最高 等级的自密实填充性能，同时，由于骨料达到最紧密状态时形成的空隙最小，需要填充的胶 凝材料浆体量也最少，此时拌合物的成本也最低； 基于上述原理，自密实混凝±配合比设计时应首先确定骨料的最密级配(多种粗、细骨 料时）或最密堆积时的砂率(一种粗、细骨料时)，但由于实际工程中骨料的选择受多种因素 的影响，因而为避免直接采用经验模型带来的误差，最密级配或最密堆积砂率必须由实测 确定，当然借助经验模型有利于尽快锁定目标，减少盲目性和试验工作量，因而，确定最密 级配或最密堆积砂率时可依据W下步骤和原则进行： A. 根据构件截面形状的复杂程度及配筋情况，确定粗骨料的最大粒径A同时对粗细 骨料(碎石和砂）分别进行筛分，获得粗细骨料的级配曲线； B. 如实际工程应用中骨料料源充足且可供选择，即可由多种粗细骨料混合搭配时，根 据下述公式3 (化ller-Ta化〇1级配公式）设计骨料的初始目标级配： 公式3，
式中为某一级颗粒的粒径，mm;巧为《颗粒的通过率，％ ;幼最大颗粒粒径，mm;k为级配指数，取值0. 40~0. 60, 一般而言，当k=0. 45时，级配骨料可达到最密堆积； 在上述公式3基础上，可按公式4计算连续级配骨料混合料中粒径为《一级颗粒的筛 余百分含量（即在级配骨料混合料中百分含量)， 公式4，：
式中：遍为大于i的相邻一级颗粒粒径，mm; 在上述公式基础上，可分别取k= 0. 40、0. 45、0. 5、0. 55和0. 60设计5条初始目标级 配曲线，按W下公式5 (方程组）求解满足某条目标级配曲线的各种骨料的组成， 公式5，
式中：m为级配颗粒的粒级数；n为骨料种类数；X,为第j种骨料在连续级配