史才軍1,王德輝1,安曉鵬2,焦登武1,李 晃1
(1. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082;2. 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院,綠色建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)
摘 要:提出了一種基于多種性能要求的混凝土組成設(shè)計(jì)方法。首先采用混合砂石容重法確定粗、細(xì)骨料的最緊密堆積和骨料間最小空隙率;其次結(jié)合Bowromi公式和耐久性要求,確定混凝土的水膠比,然后根據(jù)骨料間的最小孔隙率和達(dá)到所需工作性或流變特性的骨料表面富余漿體厚度,得到混凝土中漿體量,通過(guò)調(diào)整減水劑和黏度改性劑來(lái)調(diào)節(jié)混凝土的屈服應(yīng)力和塑性黏度,改善混凝土的工作性能。在此基礎(chǔ)上采用單純型重心設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)膠凝材料組成,用最少的實(shí)驗(yàn)量建立混凝土性能與膠凝材料組成間的關(guān)系,最后根據(jù)對(duì)混凝土不同性能的要求,確定滿足要求的膠凝材料組成范圍。同時(shí),該方法可用于預(yù)測(cè)不同膠凝材料組成制備的混凝土性能。
關(guān)鍵詞:組成設(shè)計(jì);最緊密堆積;富余漿體理論;單純型重心設(shè)計(jì)法;混凝土組成與性能關(guān)系
中圖分類(lèi)號(hào):TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):0454–5648(2018)02–0230–09
網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2017–11–02
收稿日期:2017–05–31。
修訂日期:2017–06–28。
基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0310101);國(guó)家自然科學(xué)基金(U1305243);國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)(2015DFA50880)。
第一作者:史才軍(1963—),男,博士,教授。
前言
傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法是一種計(jì)算-試配法,其計(jì)算準(zhǔn)則基于逐級(jí)填充原理,即水與膠凝材料組成水泥漿,水泥漿填充砂的空隙組成砂漿,砂漿再填充石子的空隙組成混凝土,設(shè)計(jì)的原則基于假定容重法或絕對(duì)體積法。高性能混凝土是滿足建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工和使用對(duì)混凝土特性的總體要求,全面考慮混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆注和后期構(gòu)筑物使用等過(guò)程的綜合性能指標(biāo)的優(yōu)異拌合物[1]。高性能混凝土不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能,同時(shí)還需要有優(yōu)異的工作性能和耐久性,確?;炷两Y(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的可靠性。因此,在許多情況下,高性能混凝土性能會(huì)有多個(gè)指標(biāo)要求。與傳統(tǒng)混凝土相比,高性能混凝土在組成設(shè)計(jì)時(shí),使用礦物摻合料和高效減水劑,這不僅可減少拌合用水量,降低孔隙率,同時(shí)也能很大程度上提高混凝土強(qiáng)度[1–2]。
早在20世紀(jì)90年代初,Metha和Aitcin等就提出了應(yīng)用較為廣泛的Metha-Aitcin設(shè)計(jì)方法[3–4],該方法認(rèn)為水泥漿體的體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)對(duì)混凝土的強(qiáng)度、工作性能、體積穩(wěn)定性有最佳的平衡作用,細(xì)骨料和粗骨料的最佳體積比為65%,細(xì)骨料與粗骨料的最佳比例為2:3。該方法簡(jiǎn)單,且將輔助性膠凝材料很好地應(yīng)用至高性能混凝土設(shè)計(jì)中。但此方法中有許多假設(shè),一些假設(shè)對(duì)不同地區(qū)的原料不一定能適用,且需進(jìn)行大量的試配,工作量大。美國(guó)ACI的高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[5],適用于抗壓強(qiáng)度在40~80 MPa之間的非引氣普通混凝土,它采用一系列不同膠凝材料組成和用量進(jìn)行試驗(yàn),從而得到合適的配合比。IPT-EPUSP方法[6]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試不同坍落度下的干灰漿率(即水泥、細(xì)集料于水泥、粗細(xì)集料的質(zhì)量之比)和用水量關(guān)系,從而得到不同配比與混凝土性能間的關(guān)系圖,此種方法在巴西等國(guó)廣泛應(yīng)用。Carbonari[7–8]通過(guò)不斷優(yōu)化膠凝材料和骨料間的比例,在粗骨料和細(xì)骨料之間存在一個(gè)最佳比例。在此比例下,孔隙率最低,膠凝材料摻入后,超出最小孔隙率的那部分膠凝材料稱(chēng)為富余膠凝材料。通過(guò)調(diào)整剩余膠凝材料用量確定粗細(xì)骨料和膠凝材料的用量,該方法原理簡(jiǎn)單、實(shí)用性較強(qiáng)。
近些年來(lái),研究人員試圖通過(guò)骨料最緊密堆積理論和統(tǒng)計(jì)方法等進(jìn)行混凝土組成的設(shè)計(jì),得到了工作和力學(xué)性能均較好的混凝土組成[9–11],也提出了統(tǒng)計(jì)因子模型法和流變法[12]。但這些設(shè)計(jì)方法大多數(shù)僅針對(duì)單一性能,只改變單一因素條件下對(duì)混凝土組成進(jìn)行設(shè)計(jì)或優(yōu)化,需多次試配和測(cè)試,才能得到一些滿足有多個(gè)性能指標(biāo)要求的混凝土組成。有時(shí)在試配過(guò)程中目標(biāo)性能可能此長(zhǎng)彼消,試驗(yàn)工作量會(huì)非常大。另外,膠凝材料用量的確定缺乏具體的理論依據(jù),僅通過(guò)滿足流動(dòng)性要求時(shí)的經(jīng)驗(yàn)用水量和水灰比推算,容易造成膠材使用量偏大、混凝土尺寸穩(wěn)定性和耐久性較差[13]、碳排放高等問(wèn)題。單純型重心設(shè)計(jì)法是由Scheffe[14]提出的混料設(shè)計(jì)方法演變而來(lái),能夠通過(guò)較少試驗(yàn)量定量評(píng)價(jià)多組分混合物的性能。其設(shè)計(jì)原則如下:如果有n個(gè)組分,那么所需要進(jìn)行2n–1組試驗(yàn)得到相應(yīng)的等值線圖和對(duì)應(yīng)的函數(shù)公式,以3組分為例,則需進(jìn)行7組試驗(yàn);首先根據(jù)約束條件確定各分量的范圍,然后分別選取三角形頂點(diǎn)、三邊中點(diǎn)和中心點(diǎn)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn),得到每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的性能參數(shù),最后采用軟件Design Expert或MiniTab在三角形坐標(biāo)體系內(nèi)得到三角形等值線圖。通過(guò)單純型重心設(shè)計(jì)法,Douglas等[15]準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了水泥-粉煤灰-礦粉三元膠凝體系砂漿的抗壓強(qiáng)度,Wang[16]和孫偉[17]等也采用單純型重心設(shè)計(jì)法定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)了三元膠凝體系混凝土的強(qiáng)度。除此之外,單純型重心設(shè)計(jì)法還能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下鋼包渣-熟石灰-石英粉膠凝體系的最佳組成[18]和水泥砂漿不發(fā)生堿骨料反應(yīng)造成膨脹時(shí)任意三元膠凝體系的最佳組成[19]。
以C40混凝土設(shè)計(jì)為例,從骨料的比表面積、飽和漿體體積以及新拌混凝土的流變參數(shù)(屈服應(yīng)力和塑性黏度)等方面出發(fā),采用單純型重心設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)膠凝材料組成,找到一種膠凝材料用量適宜,滿足混凝土工作性、強(qiáng)度、耐久性等多性能的混凝土設(shè)計(jì)方法。
結(jié)論
提出了基于多種性能要求的混凝土設(shè)計(jì)方法,其設(shè)計(jì)原則如下:基于Bowromi公式和耐久性要求,確定混凝土的水膠比;基于骨料的最小孔隙率,確定粗、細(xì)骨料的最佳比例,使骨料的堆積密度達(dá)到最大;通過(guò)富余漿體厚度,確定混凝土的水泥漿含量;最后,通過(guò)單純型重心設(shè)計(jì)法確定膠凝材料組成。通過(guò)調(diào)整超塑化劑和黏度改性劑,可以調(diào)節(jié)混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力和表觀黏度,從而得到符合工作性能要求的混凝土。本方法僅需要進(jìn)行7組混凝土的性能測(cè)試,得到膠凝材料組成與不同性能關(guān)系的等值線圖,由此確定滿足多種性能要求的膠凝材料組成,從而也就得到了確定滿足多種性能要求的混凝土組成。基于膠凝材料組成與不同混凝土性能關(guān)系的等值線圖,也可以預(yù)測(cè)不同膠凝材料組成下混凝土的性能。