本发明涉及混凝土制备技术领域，具体涉及一种高性能混凝土制备方法。
背景技术：
随着我国建筑和基础建设向高层化、大型化、大跨度、现代化方向发展，需要更高强更优良的混凝土，国内传统的混凝土配合比设计方法(如绝对体积法和假定容重法)，是凭经验定水胶(灰)比、定容重、定砂石比的半经验定量半计算的方法，已经不能全面满足现代混凝土的性能要求，而高性能混凝土由于具有高耐久性、高强度、高工作性和体积稳定性等许多优良性能，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，必将成为新世纪的重要建筑工程材料。高性能混凝土至今已在多种重要工程中采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程。其有如下诸多优点：
(1)、高耐久性，目前有关建筑法规中，一级建筑的安全使用期只定为50年，高性能混凝土由于其耐久性大幅度提高，安全使用期大大延长：
①在不利的使用条件下和严峻环境中，冻融、海水、严寒、酷热等地区，经妥善设计和优质施工的hpc结构体的安全使用期不低于100年；
②在正常环境中使用的hpc结构体，安全使用期不低于200年；
③特殊重要工程在采取必要措施后，安全使用期不低于300年。
在正常使用环境下具有超长的使用年限和较小的维护费用；在特殊要求的使用条件下，能满足抗侵蚀、抗冻融等抵抗恶劣使用环境下的特殊要求。
(2)、高施工性能，有良好的工作性，混凝土拌和物具有较高的流动性，在成型过程中不分层、不离析，易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。能在具体的施工条件下，顺畅地完成混凝土的运送和浇筑，能得到密实性和均匀性优越的混凝土结构体。
(3)、较高强度，能满足设计承载力所提出的强度要求，且具有足够的后期强度增长能力。
(4)、较高体积稳定性，混凝土凝硬化后几乎无收缩无徐变，不粘模，体积变化小，具有较好的抗裂能力。
(5)、抗渗能力好，由于hpc密实度较高，有一定的抗渗抗氯离子能力。(当然，抗渗能力的高低，取决于原材料质量和检测数据的准确性)
(6)、能满足环境保护和可持续发展的要求。
总之，高性能混凝土是能更好地满足结构功能要求、施工工艺要求和环境要求的多优良性能的混凝土，能大幅提高和延长混凝土结构体的使用年限，降低工程造价和维护费用。
申请人多年走访全国多地的混凝土生产企业和公路、铁路等国家的大型建设项目的混凝土现场拌合站，水泥用量都不少，然而混凝土的质量、耐久性和强度等各性能离理想状态还有很大的差距。现阶段，我国能设计高性能混凝土的工程师、技术人员相当缺乏，加上我国传统的经验+质量的半定量半计算的混凝土设计方法在一些老工程师、老技术员心里根深蒂固，或者认为高性能混凝土设计方法复杂而繁琐，离实际应用还有很大的差距，不愿接受或质疑新技术新事物的可靠性和适用性。
目前，全国每年生产预拌混凝土约18亿立方米，其中公路铁路及国家大型工程约12亿立方米，2014年8月25日，国家住建部印发工程质量终身负责制文件“建质[2014]124号”，建设方对混凝土的质量非常重视，要求混凝土配合比设计增加水泥用量，建筑施工方为提高质量和减少后期的维护费用增加混凝土水泥用量，这样造成了大量的水泥需求，而水泥生产企业又是高能耗高污染企业，并且开采石灰石严重破坏自然资源，这与国家的节能减排、保护环境、保护自然资源和生态环境的政策是背道而驰的。
综上所述，亟需一种高性能混凝土制备技术方案来解决现有技术中高性能混凝土制备所面临的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高性能混凝土制备方法，解决了具有广泛适用性的完整的高性能混凝土的制备问题，使用富勒氏连续级配曲线和dinger-funk方程，优化到粗细骨料紧密堆积的最小空隙。让普通混凝土从业者轻松实现高性能混凝土的设计和配制，并且能大大降低试验工作量，提高工作效率及可靠性，使用简单，让高性能混凝土在全国普及成为可能和易以实现。
需要说明的是，本发明所依据的理论核心和基础为：不同物质、不同颗粒大小组成的结构体，密实度是结构体强度的根本因素，尤其是大颗粒作为强度骨料的结构体，组成混凝土的各组分材料按各自数量(颗粒由大到小，数量不多不少)达到最高密实度(理论趋于零，即零空隙率)是本发明方法建立的核心基础。组成混凝土的各材料，由砂子填满石子间的空隙，来达到一级密实，而砂子间的空隙由胶凝材料来填充(同时起到粘接各组分材料和润滑的作用)，在胶凝材料中，水泥颗粒间的空隙由颗粒更小的粉煤灰来填充，粉煤灰颗粒间的空隙由更小颗粒的矿渣粉来填充，一级填一级，达到混凝土结构体更好的密实度，如果配制超高强度混凝土，由更细小的硅灰来填充矿渣粉颗粒间的空隙，最终向零空隙率的理论迈进，最后，由水来填充所有材料间的空隙，同时与水泥发生水化作用，搅拌让混凝土各组分材料有机结合在一起，形成最强结构体的胚胎。
周知一，从事混凝土行业的技术人员都清楚：低水胶比可显著提高混凝土强度，其实这只是提高混凝土密实度的一个因素，因为过多的水在混凝土中占有了空间，混凝土硬化后，这些水最终都蒸发到空气中了，混凝土中就留下了原来水占有的空间，形成空隙，也就是密实度降低了，混凝土的强度也就降低了，这就是设计强度越高的混凝土，设计的水胶比越小的原因。当然，前提是要有足够水泥水化所需的用水量及其他胶凝材料在整个化学反应过程中所需的用水量。
周知二，增加水泥用量能提高混凝土强度，但是针对其原因目前技术人员难以用技术或者科学原理解释，其实增加水泥用量能提高混凝土强度只在低强度混凝土(c60以下)中正确，当加到一定量后再加也不能提高混凝土强度，而且还会带来因水化热较高，大体积混凝土出现裂纹和强度降低，混凝土无韧性等诸多问题。这是因为水泥在混凝土中除了胶结作用(一定范围内，水泥多一些，胶结作用要强一些，但不是正比关系)外，还有填充混凝土空隙的作用，水泥颗粒较细，既能填充较大空隙也能填充较小空隙。但水泥颗粒间没有更细的矿渣粉或者粉煤灰或者硅灰来填充，所以强度到一定值后就不再增加。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种高性能混凝土制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)根据混凝土的性能要求确定混凝土设计参数，对制备混凝土的原材料进行检测，得出原材料的检测数据；
2)根据混凝土的设计参数确定混凝土拌合物的用水量、胶凝材料用量、水泥、矿渣粉、粉煤灰的用量，并将水泥、矿渣粉、粉煤灰按原材料检测数据表观密度换算为质量用量；
3)根据粗骨料的粒径大小确定砂率，根据砂率确定细骨料用量，将粗骨料、细骨料按原材料检测数据表观密度换算为质量用量；
4)根据减水剂的掺量和减水率、砂含水率，确定混凝土拌合物需要加入的水量，确定混凝土配合比的容重。
以上方法可以进一步细化为：
1、按混凝土的性能要求确定设计参数；
2、对所用原材料进行检测，得出数据备用；
3、根据设计要求的参数和原材料检测数据确定混凝土拌合物的用水量；
4、确定胶凝材料用量(体积)；
5、根据设计参数矿物掺合料率和空气含量确定水泥、矿渣粉、粉煤灰的用量(体积)；
6、把5的胶凝材料按原材料检测数据表观密度换算为质量用量；
7、根据粗骨料的粒径大小确定砂率(体积砂率，也可按砂、石头表观密度计算为质量砂率)；
8、确定粗细骨料(石、砂)用量(体积)；
9、把8的粗细骨料按原材料检测数据表观密度换算为质量用量；
10、根据减水剂的掺量和减水率、砂含水率，最终确定拌合物需要加入的水量；
11、所有数据确定完成，得出混凝土配合比。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤2)中，混凝土拌合物的用水量为无减水剂无水砂总用水量，通过混凝土设计空气含量、水泥表观密度、矿物掺合料混合表观密度、混凝土配制强度、水泥标号和水泥富裕强度计算无减水剂无水砂总用水量。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤2)中，混凝土拌合物的用水量为无减水剂无水砂总用水量，通过混凝土设计空气含量和水胶比计算无减水剂无水砂总用水量；
无减水剂无水砂总用水量＝(350-混凝土设计空气含量)/(1+((混凝土配制强度/(0.46×水泥强度标准值×水泥富裕强度)+0.07)/(((1–矿物掺合料率/100)×水泥表观密度+(矿物掺合料率/100×矿物掺合料混合表观密度)))))
或者当矿物掺合料率＝25％时，公式可以化简为：
无减水剂无水砂总用水量＝(350-混凝土设计空气含量)/(1+0.335/水胶比)；
所述水胶比＝1/((混凝土配制强度/(0.46×水泥标号×水泥富裕强度))+0.07)。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤2)中，胶凝材料用量＝350-混凝土拌合物的用水量-混凝土设计空气含量。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤2)中，根据混凝土设计参数矿物掺合料率、各矿物掺合料比例和空气含量确定水泥、矿渣粉、粉煤灰的用量体积，并根据原材料检测数据表观密度换算成质量。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤3)中，根据胶凝材料体积、混凝土设计空气含量、粗骨料体积和表观密度、细骨料体积和表观密度、粗骨料的粒径大小，采用富勒氏连续级配曲线和dinger-funk方程计算确定砂率。早在1907年「富勒氏及汤姆森」(fullerandthomson)提出，固体粒料粒径分布定义的理论方程式及其分布曲线，富勒氏连续级配曲线为混合骨材粒度分布的数理依据，在混凝土配比设计时，本领域技术人员通常从以富勒曲线(flc)作为一设计的重要参考依据。dinger-funk方程的表述为cpft＝(dq-dsq)/(dlq-dsq)。方程中cpft指某一粒级以下的累计百分比，q指粒度分布系数。d是指颗粒粒度尺寸，ds最小颗粒粒度尺寸，dl指最大颗粒粒度尺寸。对于q值一般浇注料在0.2～0.25之间。下调q值细料增多，上调q值粗料增多。但一般最大0.37。同时颗粒跟基质可以分开计算，中间缺失。一般浇注料可取0.23，自流料可分开取值骨料为0.30，基质为0.21。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤3)中，根据砂率计算粗细骨料用量，并换算成含水砂用量、碎石用量，含水砂用量＝无水砂用量/(1-砂含水率/100)，碎石用量＝(650×(1-砂率)×石子表观密度)×(1+石子含水率/100)。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤4)中，根据减水剂的掺量和减水率、砂含水率，最终确定拌合物需要加入的水量，用减水剂含水砂需加入的水量＝无减水剂无水砂总用水量-(含水砂用量×砂含水率)-(无减水剂无水砂总用水量×减水剂减水率)。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤4)中，当混凝土强度为c60以上时，根据坍落度设计要求和减水剂浓度，用以下公式计算减水剂用量：
a减水剂是低浓度时：
减水剂用量＝((215-无减水剂无水砂总用水量)/215+(0.005×坍落度/10-0.04))×0.0917×(水泥用量+矿渣粉用量+粉煤灰用量)；
b减水剂是高浓度时：
减水剂用量＝((215-无减水剂无水砂总用水量)/215+(0.005×坍落度/10-0.04))×0.0367×(水泥用量+矿渣粉用量+粉煤灰用量)；
c当不考虑坍落度因素且减水剂是低浓度时：
减水剂用量＝((215-无减水剂无水砂总用水量)/215)×0.0917×(水泥用量+矿渣粉用量+粉煤灰用量)
d当不考虑坍落度因素且减水剂是高浓度时：
减水剂用量＝((215-无减水剂无水砂总用水量)/215)×0.0367×(水泥用量+矿渣粉用量+粉煤灰用量)。
如上所述的一种高性能混凝土制备方法，所述步骤4)中，配合比的容重为：
混凝土容重＝水泥用量+矿渣粉用量+粉煤灰用量+含水砂用量+碎石用量+减水剂用量+用减水剂含水砂需加入的水量。
本发明有益效果如下：
(1)对混凝土生产企业的价值：
能达到大大降低原材料成本，提高企业经济效益的有力方法，并且有较高的强度富裕，增强市场竞争力，减少因强度不足带来的各种烦恼。
(2)社会价值：
本发明使全国公路、铁路等国家的大型建设项目中混凝土水泥的用量可以减少30％左右，同时对钢铁、铝、铜等企业的废渣，火力发电企业的粉煤灰等等工业企业的废弃物(渣、粉)进行处理利用，变废为宝，资源综合利用，减少了地球对环境破坏自净循环的压力，保护了土地保护了环境。这对混凝土生产企业，有工业废渣灰产生的企业，都是很有利的，同时也很好的支持了国家多项政策，多利而无一害。
本发明解决了设计和配制高耐久性、高强度、高工作性、体积稳定性等诸多优良性能的高性能混凝土；并且简单易学易用，易于普及推广，还可以让高性能混凝土在全国普及成为现实，所要做的原材料检测少，大大减少试验工作量，提高了工作效率及可靠性，降低了混凝土生产企业的成本，处理了工业废渣，达到资源综合利用，对国家的节能减排，保护环境，保护自然资源和生态环境政策的有力支持。
附图说明
图1为高性能混凝土制备方法流程图；
图2为根据高性能混凝土制备方法开发的软件程序界面示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
针对本发明方法，申请人开发了辅助的设计软件，以下首先结合软件设计对本发明进行详细描述，以下内容中对公式中的变量做如下定义：
fce:水泥标号(32.5/42.4/52.5/62.5)
c:水泥用量
k:矿渣粉用量
f:粉煤灰用量
s:无水砂用量
sw:含水砂用量
g:碎石用量
jsj:减水剂用量
water:无减水剂无水砂总用水量
w:用减水剂含水砂需加入的水量
peizhiqdu:混凝土配制强度
concretejgqd:混凝土结构强度
jncltv:胶凝材料体积
sjb:水胶比
bzcxs:标准差系数
cememtfyqd:水泥富裕强度
jsjcl:减水剂掺量
jsjjsl:减水剂减水率
wsandlv:砂含水率
sandmd:砂表观密度
sandlv:砂率
wsand：含水砂
cementmd:水泥表观密度
cementv：(水泥体积)
cementfyqd：(水泥富裕强度)
xcltv：矿物掺合料体积
stonemaxd：石子最大粒径
kfmd:矿渣粉表观密度
fmhmd:粉煤灰表观密度
air:混凝土设计空气含量
wstonelv:石子含水率
stonemd:石子表观密度
xcll:矿物掺合料占胶凝材料的比例
xclbl:矿物掺合料各比例
xclhhmd：矿物掺合料混合表观密度
jsjsy:配制强度c60以上混凝土选择的减水剂的索引号
tld:坍落度
jsjnd:减水剂浓度系数
szjpbl:石子级配比例
rz：混凝土容重
按混凝土的性能要求确定设计参数，对所用原材料进行检测，得出数据备用。
用以下公式计算无水砂的用水量：
⑴water＝(350-air)/(1+((4/(3×cementmd+xclhhmd))×((peizhiqdu/(0.46×fce×cementfyqd))+0.07)))
⑵water＝(350-air)/(1+((4/(3×cementmd+(kfmd×xclbl+fmhmd)/(xclbl+1)))×((peizhiqdu/(0.46×fce×cementfyqd))+0.07)))
⑶water＝(350-air)/(1+((peizhiqdu/(0.46×fce×cementfyqd)+0.07)/(((1–xcll/100)×cementmd+(xcll/100×xclhhmd)))))
⑷sjb＝1/((peizhiqdu/(0.46×fce×cementfyqd))+0.07)
⑸water＝(350-air)/(1+0.335/sjb)
用以下公式计算胶凝材料用量(体积)：
jncltv＝350-water–air
根据设计参数矿物掺合料率、各矿物掺合料率和空气含量用以下公式确定水泥、矿渣粉、粉煤灰的用量(体积)，并根据原材料检测数据表观密度换算成质量：
⑴cementv＝jncltv×(1–xcll/100)×cementmd
⑵xcltv＝jncltv×xcll/100
⑶k＝jncltv×(xcll/100)×kfmd
⑷k＝jncltv×(xcll/100)×xclbl/(xclbl+1)×kfmd
⑸f＝jncltv×(xcll/100)/(xclbl+1)×fmhmd
根据胶凝材料体积、空气设计含量、粗细集料体积和表观密度、粗骨料的粒径大小用以下公式计算体积砂率(也可按砂、石头表观密度计算为质量砂率)
体积砂率：
当stonemaxd＝10：sandlv＝(475–jncltv–air)/650
当stonemaxd＝20：sandlv＝(450–jncltv–air)/650
当stonemaxd＝25：sandlv＝(430–jncltv–air)/650
当stonemaxd＝31.5：sandlv＝(415–jncltv–air)/650
当stonemaxd＝40：sandlv＝(408–jncltv–air)/650
或者
stonemaxd＝10：sandlv＝(475–(350–water–air)–air)/650
stonemaxd＝20：sandlv＝(450–(350–water–air)–air)/650
stonemaxd＝25：sandlv＝(430–(350–water–air)–air)/650
stonemaxd＝31.5：sandlv＝(415–(350–water–air)–air)/650
stonemaxd＝40：sandlv＝(408–(350–water–air)–air)/650
当粗骨料和细集料表观密度相同时(即粗骨料、细集料是同一种物质)：
当stonemaxd＝10：sandlv＝(125+water)/650
当stonemaxd＝20：sandlv＝(100+water)/650
当stonemaxd＝25：sandlv＝(80+water)/650
当stonemaxd＝31.5：sandlv＝(65+water)/650
当stonemaxd＝40：sandlv＝(58+water)/650
当粗骨料和细集料表观密度不相同时：
当stonemaxd＝10：sandlv＝((125+water)×sandmd)/((525–water)×stonemd+(125+water)×sandmd)
当stonemaxd＝20：sandlv＝((100+water)×sandmd)/((550–water)×stonemd+(100+water)×sandmd)
当stonemaxd＝25：sandlv＝((80+water)×sandmd)/((570–water)×stonemd+(80+water)×sandmd)
当stonemaxd＝31.5：sandlv＝((65+water)×sandmd)/((585–water)×stonemd+(65+water)×sandmd)
当stonemaxd＝40：sandlv＝((58+water)×sandmd)/((592–water)×stonemd+(58+water)×sandmd)
根据确定的砂率用以下公式计算粗细骨料(石、砂)用量,并换算成含水砂质量、石子质量：
⑴s＝650×sandlv×sandmd
⑵wsand＝s/(1-wsandlv/100)
⑶g＝(650×(1-sandlv)×stonemd)×(1+wstonelv/100)
当配制的混凝土强度小于c60时，根据减水剂的掺量和减水率，按以下公式计算减水剂用量：
jsj＝(c+k+f)×jsjcl
根据减水剂的掺量和减水率、砂含水率，最终确定拌合物需要加入的水量：
⑴w＝water-(s/(1-wsandlv/100)×wsandlv/100)
⑵w＝water-(water×jsjjsl/100)-(wsand×wsandlv/100)
⑶w＝water-wsand×wsandlv/100
设计高强度混凝土(c60以上)，根据坍落度设计要求和减水剂浓度，用以下公式计算减水剂用量：
⑴减水剂是低浓度时：
jsj＝((215-water)/215+(0.005×tld/10-0.04))×0.0917×(c+k+f)
⑵减水剂是高浓度时：
jsj＝((215-water)/215+(0.005×tld/10-0.04))×0.0367×(c+k+f)
⑶当不考虑坍落度因素且减水剂是低浓度时：
jsj＝((215-water)/215)×0.0917×(c+k+f)
⑷当不考虑坍落度因素且减水剂是高浓度时：
jsj＝((215-water)/215)×0.0367×(c+k+f)
用以下公式计算配合比的容重：
rz＝c+k+f+sw+g+jsj+w
配合比所需的所有数据计算完毕，得出质量配合比。计算结果可以做试拌检验，原材料检测数据较准确也可以直接用于生产。
以下为根据本发明方法，结合具体的设计软件，对相关的试配实验数据：
本发明解决了设计和配制高耐久性、高强度、高工作性、体积稳定性等诸多优良性能的高性能混凝土；并且简单易学易用，易于普及推广。降低了混凝土生产企业的成本，处理了工业废渣，达到资源综合利用，对国家的节能减排，保护环境，保护自然资源和生态环境政策的有力支持。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。