一種自密實混凝土拌合物配合比設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于混凝±施工技術領域，設及一種自密實混凝±拌合物配合比設計方 法。
【背景技術】
[0002] 自密實混凝±是一種在低水膠比下具有很高流動性而不離析、不泌水、保證在不 利誘筑條件下能不經振搗而自行充滿模腔和包裹鋼筋的新型高性能混凝±。因使用大量工 業廢棄礦物細滲料，自密實混凝上能明顯降低混凝上的溫升，從而提高抵抗外界環境侵蝕 劣化的能力，進而提高混凝±結構的耐久性；同時礦物細滲料的使用節約了水泥，減少了水 泥生產中的碳排放和能源消耗。由于具有上述優點，自密實混凝±特別適用于傳統混凝± 難W誘筑甚至無法誘筑的部位，可避免振搗不足造成的空桐、蜂窩、麻面等質量缺陷，保證 和提高施工質量，適應了現代化機械施工的需求，大大降低了施工噪聲、加快了施工速度， 是現代混凝±技術取得的突破性成就，綜合效益較為顯著。
[0003] 自密實混凝±作為現代高性能混凝±，除工作性之外，還要在耐久性、強度、體積 穩定性、適用性和經濟性等方面表現優異，而運些性能都需要合理的原材料選用和配合比 設計來保證，誠然各原材料在組成上有其自身特點，如在砂率、漿骨比、水膠比等配合比設 計參數的選擇方面，但傳統混凝±配合比設計理論和方法已不能直接應用，而現有自密實 混凝±拌合物配合比設計方法也存在一定不足，如現行行業標準《JGJT283自密實混凝± 應用技術規程》，雖是按照預定自密實性能等級進行的配合比設計，但由于設計方法缺乏必 要的理論依據，因而設計參數巧日粗骨料用量，砂漿用量、砂率等）只能靠經驗取值，雖然使 拌合物工作性和硬化混凝±強度及耐久性達到一定預期的具體材料的組成參數具有唯一 性，但由于不同地區的原材料性能差異并不能保證經驗值與實際值總是相符，而初始參數 選擇的不當往往帶來累計誤差，最終導致實際結果難W滿足預期。而現有一些完全依賴計 算確定拌合物配合比的方法同樣存在參數選擇與實際材料性能脫節的缺陷，尤其未考慮到 骨料和膠凝材料固體顆粒體系的堆積特性對拌合物和硬化混凝±性能的影響，因而使得自 密實混凝±的性能難W達到設計要求，后期的反復試配和調整也使其優點難W得到體現。
[0004] 數世紀W來，顆粒堆積問題一直受到科學界的關注，堆積理論也擁有其廣泛的應 用背景，設及到核工業、航空航天、±木工程、制藥業、食品工業、復合材料等許多學科領域。 盡管堆積理論已在混凝±行業中研究應用多年，但到目前為止，尚無一套依據該理論建立 起來的確定自密實高性能混凝±拌合物配合比的實用方法，更不能將拌合物的材料組成與 自密實性能等級建立直接聯系，如中國專利（申請公布號CN103304206A)公布了一種超高 強自密實混凝±及其制備方法，主要由膠凝材料、高效減水劑、細骨料、粗骨料、水及PVA纖 維組成，組成膠凝材料的水泥、礦渣及娃粉的質量百分比為：水泥70%-80%、礦渣10%-20%、 娃粉5%-10%。該發明雖然提到是基于最密實堆積理論對超高強自密實混凝±進行的優化設 計，但申請文件并未設及利用最密堆積理論來確定各種材料用量的任何方法方面的信息， 其實際采用的仍是傳統混凝±的配合比設計方法和模式，且所設計拌合物的性能無法預 知，必須經過后期的試驗檢驗和試配調整。
[0005] 總體而言，現有技術在材料配合比設計方面的盲目性不僅增大了試配調整的工作 量，也帶來了資源浪費，因而，有必要探討一種更為實用的自密實高性能混凝±拌合物配合 比設計的新方法。
【發明內容】
[0006] 本發明主要目的是在現有技術基礎上，通過材料性能與其組成內在規律的發現及 參數模型的建立，提供一種自密實混凝±拌合物配合比設計方法。
[0007] 本發明所述自密實混凝±拌合物配合比設計思路如下： 對由多種粗細骨料組成的混合骨料，依據顆粒物的密實堆積原理，利用化ller-Ta化〇1 級配公式設計5組初選級配，對滿足5組初選級配的混合骨料進行堆積密度和空隙率試驗， 確定骨料的實際最密級配； 對僅有一種粗骨料和一種細骨料組成的混合骨料，利用本發明所提出的砂率計算公式 組配5組不同砂率的混合骨料，并對5組混合骨料進行堆積密度和空隙率試驗，確定混合骨 料達到最密堆積時的實際砂率； 對滿足最密堆積要求的骨料混合料進行松散堆積和最密堆積試驗，確定兩種堆積狀 態下對應的空隙率，并將空隙可填充的膠凝材料體積與預期的自密實性能等級建立聯系， 即： 當滿足最密堆積要求的骨料混合料達到松散堆積狀態時，不同粒徑的固體顆粒剛好形 成點接觸，顆粒體形成較大的可填充空間，如果運些空間剛好用來填充膠凝材料和水組成 的漿體，此時粗細骨料形成的"骨架效應"和膠凝材料漿體形成的"松動效應"可剛好平衡， 使拌合物具有初級的自密實填充性能； 當滿足最密堆積要求的骨料混合料達到最緊密堆積狀態時，不同粒徑顆粒形成的接觸 點最多，顆粒體形成最小的可填充空間，假定運些空間只用來填充膠凝材料，粗細骨料和膠 凝材料將形成最穩定的固體骨架結構，只有添加拌合水才能使骨架松動，此時拌合水的"潤 滑"和"松動效應"占支配地位，使拌合物具有最高等級的自密實填充性能； 假定在松散堆積和最緊密堆積狀態之間還存在一個間密堆積狀態，則間密堆積狀態決 定的膠凝材料和拌合水用量可使拌合物具有中等自密實填充性能。
[000引下面對本發明所采取的技術方案詳細介紹如下。
[0009] -種自密實混凝±拌合物配合比設計方法，具體包括W下步驟。
[0010] (1)確定性能設計目標，具體而言，根據工程的復雜程度、鋼筋最小凈距等參數確 定欲制備的自密實混凝±拌合物的自密實性能等級，根據工程結構安全設計要求確定欲制 備的自密實混凝±的強度等級。
[0011] (2)確定自密實混凝±的配制強度和水膠比，具體而言，首先依據現行行業標準《JGJ55-2011普通混凝±配合比設計規程》中相關規定計算自密實混凝±配制強度/。。,。； 然后按本發明提出的下述公式1計算水膠比（mynib); 公式1，
式中：A為每立方米自密實混凝±中用水量，kg; 為每立方米自密實混凝±中膠凝材 料的質量，kg 為依據現行行業標準計算所得自密實混凝±配制強度；/b為水泥28d實 測抗壓強度，MPa;當水泥28d抗壓強度/b未能進行實測時，可采用水泥強度等級對應 值乘W1. 1替代； 需要注意的是，當滲入礦物滲合料時，考慮礦物滲合料對水泥抗壓強度影響，則/b按 下述公式2進行計算； 公式2，
式中，g為水泥強度等級，單位MPa; A為礦物滲合料的活性影響系數；具體而言，對于微娃粉（i=l)、S95或S105級礦渣粉 (i=2)、I級或II級粉煤灰（i=3)、石灰石粉（i=4)可分別取值1.0、-0. 1、-0.6、-0.9; A為礦物滲合料的質量分數；具體而言，對于微娃粉，0. 1 ;對于S95或S105級 礦渣粉，公0. 4 ;對于I級或II級粉煤灰，公0. 13 ;對于石灰石粉，公0. 2,需要 注意的是，總的礦物滲合料占膠凝材料總用量的質量分數不宜小于0. 2 ; n為滲入礦物滲合料的種類數量。
[0012] (3)確定骨料的最密級配(或砂率）及不同堆積狀態的空隙率， 一般而言，混凝±中骨料的最密堆積狀態對拌合物的工作性和硬化混凝±的強度和耐 久性具有決定性影響，而骨料的最密堆積狀態取決于合理的級配，即：只有粗細骨料顆粒的 數量搭配合理，不同大小的顆粒才能形成最緊密的接觸，此時應力的傳遞才能更為均勻，而 結構強度和體積穩定性同時能夠達到最好，此時粗顆粒的"拱橋效應"和細顆粒的"松動效 應"易于達到平衡； 達到最密堆積狀態的骨料間隙如果完全填充膠凝材料漿體，混凝±拌合物將具有最高 等級的自密實填充性能，同時，由于骨料達到最緊密狀態時形成的空隙最小，需要填充的膠 凝材料漿體量也最少，此時拌合物的成本也最低； 基于上述原理，自密實混凝±配合比設計時應首先確定骨料的最密級配(多種粗、細骨 料時）或最密堆積時的砂率(一種粗、細骨料時)，但由于實際工程中骨料的選擇受多種因素 的影響，因而為避免直接采用經驗模型帶來的誤差，最密級配或最密堆積砂率必須由實測 確定，當然借助經驗模型有利于盡快鎖定目標，減少盲目性和試驗工作量，因而，確定最密 級配或最密堆積砂率時可依據W下步驟和原則進行： A. 根據構件截面形狀的復雜程度及配筋情況，確定粗骨料的最大粒徑A同時對粗細 骨料(碎石和砂）分別進行篩分，獲得粗細骨料的級配曲線； B. 如實際工程應用中骨料料源充足且可供選擇，即可由多種粗細骨料混合搭配時，根 據下述公式3 (化ller-Ta化〇1級配公式）設計骨料的初始目標級配： 公式3，
式中為某一級顆粒的粒徑，mm;巧為《顆粒的通過率，％ ;幼最大顆粒粒徑，mm;k為級配指數，取值0. 40~0. 60, 一般而言，當k=0. 45時，級配骨料可達到最密堆積； 在上述公式3基礎上，可按公式4計算連續級配骨料混合料中粒徑為《一級顆粒的篩 余百分含量（即在級配骨料混合料中百分含量)， 公式4，：
式中：遍為大于i的相鄰一級顆粒粒徑，mm; 在上述公式基礎上，可分別取k= 0. 40、0. 45、0. 5、0. 55和0. 60設計5條初始目標級 配曲線，按W下公式5 (方程組）求解滿足某條目標級配曲線的各種骨料的組成， 公式5，
式中：m為級配顆粒的粒級數；n為骨料種類數；X,為第j種骨料在連續級配