李亞龍，趙慶新，李化建，黃法禮

(1.燕山大學，秦皇島 066004；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

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SCC配合比中基于骨料性質(zhì)計算骨料用量的方法

李亞龍1，趙慶新1，李化建2，黃法禮2

(1.燕山大學，秦皇島 066004；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

討論了現(xiàn)有自密實混凝土配合比中骨料用量的取值方法，提出一種根據(jù)骨料性質(zhì)計算骨料用量的方法，該方法利用砂漿富裕系數(shù)f和砂漿中砂的體積分數(shù)s進行計算。建立了f、s與粗骨料空隙率K之間的關(guān)系，f根據(jù)K計算，s根據(jù)f和砂的細度模數(shù)計算。優(yōu)化SCC配合比設(shè)計，減少試配工作量，并舉例說明計算方法。

自密實混凝土； 配合比； 骨料用量

1 引 言

配合比設(shè)計是保證自密實混凝土(Self-compacting concrete，簡稱SCC)良好自密實性的一個關(guān)鍵因素，骨料在SCC中比重最大，Toutou和Roussel[1]研究表明砂石用量對SCC工作性影響很大?，F(xiàn)行SCC配合比設(shè)計方法中有關(guān)骨料用量的部分多以經(jīng)驗法和建議參數(shù)范圍法為主，均較少或者不考慮骨料的性質(zhì)，沒有給出具體計算方法，實際操作困難，不利于SCC的推廣應(yīng)用。

日本東京大學Okamura、Ozawa等[2,3]提出了適用于自密實混凝土配合比設(shè)計的原型方法，該方法設(shè)定密實狀態(tài)下的粗骨料體積含量為所配置混凝土總體積的50%，設(shè)定細骨料體積為砂漿體積的40%。倫敦大學學院Domone等[4]提出固定骨料含量的配合比設(shè)計方法，根據(jù)SCC工作性設(shè)計目標給定初始粗骨料體積分數(shù)，設(shè)定細骨料體積為砂漿體積的45%。對于不同性質(zhì)的原材料而言，固定的粗、細骨料用量的方法并不一定滿足要求。余志武等[5]結(jié)合Okamura的固定砂石體積法和陳建奎的全計算法[6]提出適合SCC的改進的全計算法，該方法中有關(guān)計算骨料用量的部分取自于固定砂石體積法，直接給定粗骨料堆積體積系數(shù)α(0.5～0.6)以及砂漿中砂的體積分數(shù)β(0.4～0.5)。我國臺灣學者Nan Su等[7]提出基于骨料堆積密實因子參數(shù)的自密實混凝土配合比設(shè)計方法，根據(jù)日本土木工程協(xié)會的標準[8]確定SCC工作性等級，選用骨料密實因子(1.12～1.16)和細骨料與總骨料體積比(50%～57%)。吳紅娟等[9]的參數(shù)法提出粗骨料系數(shù)α(0.63～0.65)用于計算石子用量，砂撥開系數(shù)β(1.5～1.6)用于計算砂用量。以上三種方法并未給出參數(shù)取值的方法，也未考慮骨料性質(zhì)。Ghzai等[10]提出基于抗壓強度設(shè)計要求的SCC配合比設(shè)計方法，僅僅考慮粗骨料最大粒徑確定單位用水量沒有堅實的說服力。Sonebi等[11]采用數(shù)理統(tǒng)計的因子設(shè)計方法進行SCC配合比設(shè)計，骨料含量僅作為一個參數(shù)因子進行考慮。龍廣成[12]基于骨料間距模型的自密實混凝土配合比設(shè)計方法，該方法根據(jù)經(jīng)驗選取粗細骨料的平均間距系數(shù)。龔靈力等[13]的基于骨料信息的自密實混凝土配合比設(shè)計方法，考慮粗骨料各粒徑分布，引入富裕砂裹厚度以及凈漿包裹骨料厚度概念，建立了表征骨料比表面積的簡易計算方法。以上四種方法均較少地考慮了骨料性質(zhì)。Petersson[14]提出基于骨料堵塞準則和漿體液相準則的自密實混凝土配合比設(shè)計方法，該方法較完整地考慮了骨料的性質(zhì)，但是骨料的間距與實際存在一定差距，有關(guān)漿體的組成及配合比參數(shù)也需要結(jié)合大量試驗來共同確定。

SCC對于原材料的變化較為敏感，實驗室試配成功的配合比到現(xiàn)場并不很適用，主要原因在于骨料的性質(zhì)波動較大，模糊的配合比設(shè)計方法難以對骨料波動做出及時的反應(yīng)，建立配合比設(shè)計與骨料性質(zhì)之間的關(guān)系有助于改善這一狀況。亟待提出一種新的根據(jù)骨料性質(zhì)計算骨料用量的方法，基于SCC的物理填充堆積模型，利用砂漿富裕系數(shù)f和砂漿中砂的體積分數(shù)s，提出一種根據(jù)骨料性質(zhì)確定SCC骨料用量的方法，優(yōu)化SCC配合比的設(shè)計。

2 根據(jù)骨料性質(zhì)的取值方法

2.1 骨料性質(zhì)

混凝土配合設(shè)計中與骨料用量直接相關(guān)的參數(shù)是砂率，因此計算砂率的方法也是計算骨料用量的方法。骨料在SCC中比重最大，對于SCC性能影響很大，但是完全考慮骨料各方面性質(zhì)再進行配合比設(shè)計會帶來工作量的大幅度提高，是不可取的，現(xiàn)實生活中也很難完全把握所用原材料的性質(zhì)；完全不考慮骨料的性質(zhì)僅憑經(jīng)驗選擇選擇砂率的SCC配合比設(shè)計方法也是不科學的；需要找到影響SCC性能的骨料的關(guān)鍵性質(zhì)，這些性質(zhì)直接影響SCC配合比設(shè)計中砂率的取值大小，并且這些性質(zhì)也必須容易測到，否則難以在實際應(yīng)用中推廣。

砂率的大小與骨料的堆積密切相關(guān)。SCC初凝之前，水化作用較微弱，是一個純粹的物理堆積過程。砂漿除了填充粗骨料空隙，還要包裹并剝離粗骨料，使之懸浮在砂漿中；水泥凈漿包裹并填充細骨料。粗骨料空隙率是一個重要的參數(shù)，骨料空隙率越小，漿體填充空隙后剩余越多，骨料間漿體越厚，拌合物越容易流動，反之亦然。粗骨料最大粒徑和骨料類型也是重要的參數(shù)，粗骨料要懸浮在砂漿中，考慮力的平衡，即粗骨料的重力與排開砂漿產(chǎn)生的浮力的差值應(yīng)小于等于砂漿對粗骨料的最大粘聚力，該粘聚力與粗骨料表面積有關(guān)，表觀密度相同的骨料粒徑越小比表面積越大，越容易懸浮，粒徑相同的碎石比表面積比卵石大，更容易懸浮在砂漿中。細骨料的顆粒級配區(qū)和細度模數(shù)是重要的參數(shù)，細骨料比粗骨料比表面積大，可以改善SCC粘聚性，漿體需要有一定的粘性，粗骨料才可以克服重力懸浮在砂漿中。另外即使細骨料細度模數(shù)相同，采用河砂、機制砂測試結(jié)果差異很大，因此細骨料類型也應(yīng)該區(qū)別對待。SCC設(shè)計強度不同，骨料用量也有所不同，因此SCC設(shè)計強度也是一個關(guān)鍵因素。混凝土設(shè)計強度以及上述骨料的性質(zhì)都是配合比設(shè)計之前均會確定的參數(shù)，并且測試方法均較為簡單，不會增加試配工作量。

根據(jù)以上分析結(jié)果，SCC砂率選取需要考慮設(shè)計強度，粗骨料類型、最大粒徑以及空隙率，細骨料類型、顆粒級配區(qū)和細度模數(shù)等性質(zhì)，除粗骨料的空隙率和細骨料的細度模數(shù)需要實驗測定外都極容易確定。

2.2 取值方法

根據(jù)SCC堆積模型，砂漿填充粗骨料空隙并且包裹、剝離粗骨料，使之懸浮在砂漿中，設(shè)定砂漿富裕系數(shù)f(f大于1)，該系數(shù)是砂漿總用量與填充粗骨料空隙砂漿用量的比值；水泥凈漿包裹并填充細骨料，設(shè)定砂漿中砂的體積分數(shù)s(s小于1)。

砂漿富裕系數(shù)f與配置混凝土強度fcu,k、粗骨料空隙率K以及粗骨料類型、最大粒徑有關(guān)，砂漿中砂的體積分數(shù)s與砂漿富裕系數(shù)f、細骨料類型、顆粒級配區(qū)以及砂的細度模數(shù)Mx有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有配合比反算f與s，即可得到在不同骨料性質(zhì)下f與s的取值范圍，對今后配合比設(shè)計有指導意義。

粗骨料用量為MG，細骨料用量為MS，則：

(1)

(2)

3 計算舉例

3.1 原材料

膠凝材料采用冀東P·Ⅱ42.5水泥，秦皇島熱電廠Ⅱ級粉煤灰。細骨料采用細度模數(shù)2.6的Ⅱ區(qū)河砂，表觀密度2810 kg/m3；粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級配碎石，空隙率41.6%，針片狀含量3.9%，堆積密度1640 kg/m3。外加劑采用HP400聚羧酸減水劑，減水率30%。

3.2 配合比與測試結(jié)果

SCC設(shè)計強度為C50，膠材530 kg/m3，粉煤灰摻量30%，水膠比0.36，分別調(diào)整砂率、減水劑用量，表1為相應(yīng)配合比與工作性測試結(jié)果，除E組間隙通過性不良外，均能達到自密實要求。

表1 配合比與工作性測試結(jié)果Tab.1 Mix proportion of concrete and the test results of workability

3.3 試配結(jié)果分析

根據(jù)表1，對比A～C測試結(jié)果，流動性結(jié)果較為接近，抗離析性均滿足要求(VSI=0)，B間隙通過性最佳，流動性很好并且沒有發(fā)生離析，采用該組材料最適宜砂率為0.47；砂率即使變動0.01對SCC狀態(tài)影響也很大，相比普通混凝土SCC最優(yōu)砂率波動范圍變小。材料性質(zhì)和工作性都測定后，根據(jù)公式(1)反算f與s，采用空隙率為41.6%最大粒徑20 mm的碎石和細度模數(shù)2.6的II區(qū)河砂配置C50的SCC，f建議取值為3.024，s建議取值為0.41，即使空隙率發(fā)生變化，調(diào)整f與s即可調(diào)整砂率，具體調(diào)整辦法參考第3部分取值實例。再次使用性質(zhì)接近的骨料，不用再經(jīng)過大量試配，根據(jù)公式(2)可以很容易計算出最優(yōu)砂率，大大減少了試配的工作量。根據(jù)已有配合比測試結(jié)果或今后試配時做好記錄，可以建立砂漿富裕系數(shù)f與空隙率K、砂漿中砂的體積分數(shù)s與砂漿富裕系數(shù)f、砂的細度模數(shù)Mx之間的關(guān)系，對今后的配合比設(shè)計有指導意義。

3.4 文獻中配合比

根據(jù)現(xiàn)有文獻提供的九組SCC配合比進行反算，驗證該方法可行性，并根據(jù)反算的結(jié)果擬合出曲線。文獻中SCC配置強度均為C50，采用最大粒徑20 mm的碎石和Ⅱ區(qū)河砂，采用擴展度評價SCC流動性，各個SCC均評價為良好，根據(jù)配合比數(shù)據(jù)和公式(1)反算f和s，配合比中骨料用量與反算結(jié)果見表2，其中2組為本文配合比。

表2 材料性質(zhì)及用量Tab.2 Material properties and dosage

3.5 結(jié)果分析

圖1 K與f關(guān)系Fig.1 Relationship of K and f(a)K and f;(b)fitting curve

根據(jù)表2中空隙率K和砂漿富裕系數(shù)f數(shù)據(jù)作圖，研究空隙率K和砂漿富裕系數(shù)f之間的關(guān)系，如圖1a所示。由圖1a可知，隨著空隙率K逐漸變大，砂漿富裕系數(shù)f逐漸減小，說明用于填充粗骨料顆粒間隙的砂漿增多，用于包裹、剝離粗骨料的砂漿則相應(yīng)減少。粗骨料空隙率一般要求小于47%，表2中1和6組所用骨料空隙率均大于此參考值。忽略上述兩組試驗數(shù)據(jù)后，將剩余試驗數(shù)據(jù)進行二次曲線擬合，如圖1b所示，擬合曲線為y=96.6-425.4x+482x2。

選取Mx=2.6的2、3、4和6組，如圖2a所示，s隨著f的增大而減小，波動范圍從0.41到0.49。f的變化與空隙率K有關(guān)，根據(jù)以上分析結(jié)果，f隨著K增大而減小，即s隨著K的增大而增大。隨著K上升，單方粗骨料體積Vg減少，需要更多的砂漿填充粗骨料體積減小帶來的空隙，此時s變大依然能夠保證單方膠材用量，對流動性的影響較小。根據(jù)圖2a擬合曲線為y=1.338-0.306x。以上分析是建立在采用同一種砂的情況，如果改變了砂的細度模數(shù)，結(jié)果會發(fā)生變化，例如表2中選取Mx=2.4的7、8、9三組數(shù)據(jù)，盡管K與f變化很大，s一直保持在0.47的水平，如圖2b，此時s的選取要兼顧SCC的流動性和粘聚性。

圖2 s與f關(guān)系Fig.2 Relationship of s and f(a)Mx=2.6,the relationship of s and f;(b)Mx=2.4,the relationship of s and f

根據(jù)以上分析結(jié)果，使用最大粒徑20 mm的碎石和II區(qū)中河砂配置C50的SCC，f可根據(jù)方程y=96.6-425.4x+482x2計算，其中自變量x為粗骨料空隙率K；采用Mx=2.6砂時，s根據(jù)方程y=1.338-0.306x計算，其中自變量x為砂漿富裕系數(shù)f；采用Mx=2.6砂時，無論f取值多少，s可取值0.47。采用相同骨料配置相同強度的混凝土，可按照以上結(jié)論根據(jù)粗骨料空隙率K和細度模數(shù)Mx計算出f和s，根據(jù)公式(2)可以計算出最優(yōu)砂率SP，大大減少了試配的工作量。并且根據(jù)SCC配合比結(jié)果，增加不同配置強度下f和s，可以優(yōu)化擬合的曲線，使結(jié)果更準確，提高該方法適用范圍，對今后SCC配合比設(shè)計有指導意義。

4 結(jié) 論

提出一種根據(jù)骨料性質(zhì)計算骨料用量的方法，該方法利用砂漿富裕系數(shù)f和砂漿中砂的體積分數(shù)s進行計算。配合比設(shè)計時，確定了混凝土配置強度和所用原材料，即可根據(jù)粗骨料空隙率K計算f，根據(jù)f和砂的細度模數(shù)計算s，進而計算出最優(yōu)砂率，能夠優(yōu)化SCC配合比設(shè)計，對今后SCC配合比設(shè)計有指導意義。例如使用最大粒徑20 mm的碎石和II區(qū)中河砂配置C50的SCC，f可根據(jù)曲線y=96.6-425.4x+482x2計算，采用Mx=2.6砂時，s根據(jù)曲線y=1.338-0.306x計算。

[1] Toutou Z,Roussel N. Multi-scale experimental study of concrete rheology:From water scale gravel scale[J].MaterialsandStructures,2006,39:189-199.

[2] Okamura H,Ozawa K. Mix Design Method for Self-compacting Concrete.Concrete Library of Japan Society of Civil Engineers,No.25,June 1995:107-120.

[3] Okamura H,Ozawa K. Self-compactable High Performance Concrete.In: International Workshop on High Performance Concrete.American Concrete Institute,Detroit,MI,1994:31-44.

[4] Domone P L. Mortar tests for material selection and mix design of SCC[J].ConcreteInternational,2006,28(4):39-45.

[5] 余志武,潘志宏,謝友均,等.淺談自密實高性能混凝土配合比的計算方法[J].混凝土,2004,1:54-57,67.

[6] 陳建奎,王棟民.高性能混凝土(HPC)配合比設(shè)計新法-全計算法[J].硅酸鹽學報,2000,28(2):194-198.

[7] Nan S,Kung-Chung H,His-Wen C. A simple mix design method for self-compacting concrete[J].CementandConcreteresearch,2001,31:1799-1807.

[8] Japan Society of Civil Engineering Recommendations for Self-compacting Concrete:Concrete Engineering Series 31,JSCE,Tokyo,1999.

[9] 吳紅娟,左金庫.自密實混凝土配合比設(shè)計方法研究[J].混凝土,2008,6:77-79, 93.

[10] Ghzai F K,Rand S A J. New method for proportioning self-consolidating concrete based on compressive strength requirements[J].ACIMaterialsJournal,2010,107(5):490-497.

[11] Sonebi M. Medium strength self-compacting soncrete sontaining fly ash:Modelling using factorial experimental plans[J].CementandConcreteResearch,2004,34:1199-1208.

[12] Long G C,Xie Y J,Liu Y H,et al. An Aggregate-space Model for Self-compacting Concrete//C J Shi, Z W Yu, Kamal Henri, Khayat. Proceedings of the 2nd International Symposium of Design,Performance and Use of Self-Consolidating Concrete (SCC' 2009).Paris:RILEM,(PRO 65),2009:6.

[13] 龔靈力,金南國,何小勇,等.基于骨料信息的自密實混凝土配合比設(shè)計新方法[J].浙江大學學報(工學版),2010,4:826-830.

[14] Van B K,Montgomery D. Mixture Proportioning Method for Self-compacting High Performance Concrete with Minimum Paste Volume//Proceedings of the First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete.Stockholm,Sweden,RILEM Publish,Cachan,France,1999:373-396.

[15] 羅 鈺.中低強度自密實混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學學位論文,2008.

[16] 馬 良.自密實混凝土內(nèi)部濕度與變形特征及其對早期塑性開裂的影響[D].廣州：華南理工大學學位論文,2012.

[17] 陳 陽.低膠凝材料用量自密實混凝土的研究[D].廣州：華南理工大學學位論文,2012.

[18] 林 春.骨料級配對自密實混凝土性能的影響[D].廣州：華南理工大學學位論文,2012.

Method of Calculating the Aggregate Consumptions of SCC Mix Proportion by Aggregate Properties

LIYa-long1,ZHAOQing-xin1,LIHua-jian2,HUANGFa-li2

(1.Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Railay Engineering Research Institute,China Academy of Railway Science,Beijing 100081,China)

Discussed the existing methods of calculating the optimized sand-ratio of self-compacting concrete (SCC) mix proportion. Put forward a method of calculating the optimized sand-ratio of SCC mix proportion by aggregate properties. The method using the mortar rich coefficientfand the volume fraction of sand in mortarsto calculate. Set up the relationship betweenK,f,s. The mortar rich coefficientfis calculated according to the coarse aggregate void ratioK, the volume fraction of sand in mortar sis calculated according tofand fineness modulus of sand. The optimized sand-radio is calculated according tofands. The method can optimize the mix proportion design of SCC. And made an example of calculation method.

self-compacting concrete;mix proportion;aggregate consumptions

國家自然科學基金項目(51378499);中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃重大項目(2015G001-H)

李亞龍(1991-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土材料方面的研究.

李化建，博士，副研究員.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2617-06