基于多種性能要求的混凝土組成設(shè)計(jì)方法
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，長沙 410082；2. 中國建筑材料科學(xué)研究總院，綠色建材國家重點(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，通過調(diào)整減水劑和黏度改性劑來調(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
中圖分類號：TU528    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    
文章編號：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：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0310101)；國家自然科學(xué)基金(U1305243)；國家國際科技合作專項(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，確保混凝土結(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]通過試驗(yàn)測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廣泛應(yīng)用。Carbonari[7–8]通過不斷優(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為富余膠凝材料。通過調(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，該方法原理簡單、實(shí)用性較強(qiáng)。

近些年來，研究人員試圖通過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)僅針對單一性能，只改變單一因素條件下對混凝土組成進(jìn)行設(shè)計(jì)或優(yōu)化，需多次試配和測試，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)在試配過程中目標(biāo)性能可能此長彼消，試驗(yàn)工作量會非常大。另外，膠凝材料用量的確定缺乏具體的理論依據(jù)，僅通過滿足流動性要求時(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，能夠通過較少試驗(yàn)量定量評價(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。通過單純型重心設(shè)計(jì)法，Douglas等[15]準(zhǔn)確預(yù)測了水泥-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)法定量評價(jià)和預(yù)測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；通過富余漿體厚度，確定混凝土的水泥漿含量；最后，通過單純型重心設(shè)計(jì)法確定膠凝材料組成。通過調(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?；谀z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)測不同膠凝材料組成下混凝土的性能。