自密实混凝土配合比设计方法研究

２００８年第６期（总第２２４期）Ｎｕｍｂｅｒ６ｉｎ２００８（ＴｏｔａｌＮｏ．２２４）

混

凝

Ｃｏｎｃｒｅｔｅ

土

预拌混凝土ＲＥＡＤＹＭＩＸＥＤＣＯＮＣＲＥＴＥ

自密实混凝土配合比设计方法研究

吴红娟，左金库

（石家庄铁道学院土木工程分院，河北石家庄０５００４３）

摘

要：综合分析国内现有的各种混凝土配合比设计方法，提出用参数法设计自密实混凝土配合比。在参数法中，参数α为粗骨料系

数，β为砂拨开系数，γ为掺合料系数，它们主要提供拌合物的工作性能。水胶比Ｗ／Ｂ主要与混凝土硬化后的强度和耐久性有关。关键词：自密实混凝土；配合比设计；参数法中图分类号：ＴＵ５２８．０６２

文献标志码：Ａ

文章编号：１００２－３５５０（２００８）０６－００７７－０３

Ｓｔｕｄｙｏｎｍｉｘｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｌｆ－ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ

ＺＵＯＪｉｎ－ｋｕＷＵＨｏｎｇ－ｊｕａｎ，

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＲａｉｌｗａｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００４３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓａｌｌｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｉｘｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｅｌｆ－ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＣＣ）

ｍｉｘｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒα、βａｎｄγｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆｃｏａｒｓｅ、ｆｉｎｅａｇｇｒｅｇａｔｅｓａｎｄｍｉｎｅｒａｌａｄｍｉｘｔｕｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｗｈｉｌｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒＷ／ＢｉｓｍｏｓｔｌｙｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＳＣＣａｆｔｅｒｈａｒｄｅｎｅｄ．ｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙｏｆＳＣＣａｔｆｒｅｓｈｓｔａｔｅ，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｓｅｌｆ－ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｉｘｄｅｓｉｇｎ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄ

０引言

混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本的问题，中华人民共和国行业标准ＪＧＪ５５—２０００对普通混凝土配合比设计做了详细规定。随着混凝土材料科学的不断发展，适用于普通混凝土的配合比设计规程已经不能满足其他类型混凝土在材料和性能上的高要求。

自密实混凝土是一种新型高性能混凝土，它具有优良的变形能力，能够完全依靠自重作用自由流淌，同时具有足够的黏聚性防止离析泌水，拌合物均匀密实，硬化后具有良好的力学和耐久性能。虽然目前国内在自密实混凝土配制技术上已取得很大进步，但迄今为止还没有形成一种大家普遍认可、遵守的自密实混凝土设计规范或规程。因此，总结已有文献成果，进行自密实混凝土配合比设计方法研究是很必要的。

析性和耐久性要求。况且，适用于普通混凝土的水灰比定则未必对自密实混凝土同样有效。

２高性能混凝土配合比设计

２．１逆填配合比设计法

它由黄兆龙博士提出［２］，主要步骤如下：

（１）使粉煤灰、砂、碎石三种固态材料达到最密实堆积状态

（通过试验确定），由此求出最小孔隙Ｖｖ；

由Ｖｐ＝ｎＶｖ确定水泥浆体积即用浆量（ｎ为浆体富余系（２）

数）；

（３）通过ｌ－Ｖｐ即固态实体总体积及其组成材料的比例求出粉煤灰、砂、石的用量；

由水胶比确定水泥用量和不使用减水剂时水的用量；（４）

（５）根据胶凝材料（水泥、粉煤灰）用量求出减水剂的用量，进而求出加入减水剂后水的实际用量。

该方法由于使混凝土中固态材料处于最密实堆积状态，有利于提高强度和耐久性，采用粉煤灰和减水剂双掺可以增大拌合物的流动性，但毕竟用浆量太小，不能满足自密实混凝土对拌合物自流平的高要求。

１普通混凝土配合比设计

普通混凝土配合比设计方法［１］需要合理确定水灰比、单位用水量和砂率３个基本参数的值，进而通过３个参数间的内在联系得出水泥、水、砂和石子这４项组成材料的实际用量。

该方法是以经验为基础的半定量设计方法。在水灰比、单位用水量和砂率这３个参数中，除水灰比是通过公式计算确定外，其他两参数均需查表选择。这些表中的控制因素只涉及了石子最大粒径、坍落度和水灰比３个方面，没有考虑高效减水剂和矿物掺合料对混凝土各方面性能的调节作用。对水灰比和坍落度的范围也有所规定（适用于水灰比０．４￣０．８，坍落度１０￣６０ｍｍ的混凝土），显然，这么小的坍落度已经不能满足自密实混凝土的大流动性要求，而水灰比过大则不利于自密实混凝土满足抗离

收稿日期：２００８－０１－２５

２．２全计算法

它由陈建奎教授提出［３］，主要观点为：（１）混凝土各组成材料（包括固、气、液三相）具有体积加和性；（２）石子的孔隙由干

砂浆填充；（３）干砂浆的孔隙由水填充；（４）干砂浆由水泥、细掺料、砂和孔隙组成。混凝土体积模型如图１所示。

该方法是一种定量设计法，它推导出了高性能混凝土单方用水量和砂率的计算公式。但是采用该方法往往砂率较小而粗骨料用量较多，可以节省胶凝材料但对拌合物的流动性不利。

２．３按耐久性设计高性能混凝土

它由廉慧珍教授提出［４］，不同于以往的强度准则设计配合

Ｖｅ——浆体体积（Ｌ）；Ｖｅｓ——干砂浆体积（Ｌ）；Ｗ——用水量（Ｌ或ｋｇ／ｍ３）；Ｖａ——空气体积（Ｌ）；Ｖｃ——水泥体积（Ｌ）；Ｖｆ——细粉料体积（Ｌ）；Ｖｓ——砂子体积（Ｌ）；ＶＧ——石子体积（Ｌ）。

比，而是按耐久性要求确定水灰比（参照表１）；同时采取相应技术路线在原材料控制、拌合物制备和整个施工过程中确保混凝土的匀质性，以期达到使用环境下的耐久性。

配合比的计算采用吴中伟院士提出的简易绝对体积法［５］，其原理和“逆填配合比法”有相似之处。

３自密实混凝土配合比设计

３．１固定砂石体积含量法

文献［５－６］都曾介绍固定砂石体积含量法，简要计算步骤如下：（１）设定每立方米混凝土中石子的松堆体积为０．５￣０．５５ｍ３，

图１

氯离子扩散系数（／１０－１０ｃｍ２／ｓ）＞１０００５００￣１０００１００￣５００５０￣１００５￣５０＜５

混凝土体积模型［３］

表１

饱盐混凝土电导率

（／１０－４ｓ／ｍ）＞２０００１０００￣２０００２００￣１０００１００￣２００１０￣１００＜１０

得到石子用量和砂浆含量；（２）设定砂浆中砂体积含量为

［４］

混凝土中氯离子扩散系数数与其渗透性的关系（ＮＥＬ法）

渗透性评价

很高高中低很低可忽略

参考混凝土种类

水胶比＞０．６００．４５￣０．６００．４０￣０．４５０．３５￣０．４００．３０￣０．３５＜０．３０

２８ｄ强度／ＭＰａ

＜３０３０￣４０４０￣６０６０￣８０８０￣１００＞１００

０．４２￣０．４４，得到砂用量和浆体含量；（３）根据水胶比和胶凝材料中的掺合料比例计算得到用水量和胶凝材料总量，最后由胶凝材料总量计算出水泥和掺合料各自的用量。但水胶比和掺合料的用量如何确定没做具体规定。

该方法在保证强度的基础上，体现了按工作性要求设计自密实混凝土的原则。认为粗骨料的体积含量和砂在砂浆中的体积含量是影响拌合物流动性的重要参数，这种认识将自密实混凝土从工作性上与其他混凝土区别开来，但这两个参数取值的确定过于笼统和经验化，由于自密实混凝土对于原材料的质量变化十分敏感，笔者认为，应该针对具体材料具体确定某一参数的取值。

料总量、矿物材料掺量、砂率、水胶比、浆体体积及外加剂掺量等不同因素对于混凝土工作性和强度的影响，确定各参数的合理用量范围，再按普通混凝土配合比设计方法进行配合比计算［８－１３］；第２类是直接引用高性能混凝土配合比计算的一些方法（如全计算法）或改进的全计算法［１４－１５］；第３类是纯粹的试配法［１６］，即以经验数据为基础确定单位粗集料用量、用水量和胶凝材料用量，单位细集料体积等于总体积减去其他材料体积，在此基础上确定初始配合比进行试配，检验工作性和抗压强度，之后经过调整得到最终配合比。

４参数法设计自密实混凝土配合比［１７］

４．１参数法设计思路

混凝土是多种原材料组成的混合物，进行配合比设计时可以定义若干参数作为不同原材料对混凝土的不同影响因素，在此基础上联立方程求解得到各种材料的最终用量。参数法共涉

３．２简易配合比设计法

它由台湾学者ＮａｎＳｕ提出［７］，基本原则是用胶凝材料浆体填满松散堆积的骨料间隙，配合比的计算仍然采用体积法，这和以往方法没有太大区别。其创新之处在于提出密实印数的概念来控制自密实混凝土中骨料用量，进而控制拌合物的流动性和密实性。

该方法的不足之处有二，一是忽略了粉煤灰等矿物掺合料对自密实混凝土抗压强度的贡献，这对混凝土的经济性和耐久性不利，因为当配制高强度混凝土时势必极大增加水泥用量，因而该方法只适于配制中低强度自密实混凝土。二是总用水量为各种胶凝材料需水量之和，水泥中的水用水灰比衡量提供强度和流动度，而掺合料中的水只用来使掺合料浆体达到与水泥浆相同的流动度。混凝土中的水是一个整体，人为地将其分解成单独发生作用的几个部分，这样简化有悖于事实，而且忽视了矿物掺合料对水泥和减水剂相容性的改善作用，也没有考虑到不同种类掺合料复合使用时的叠加效应。

３．３其他方法

国内对自密实混凝土配合比设计方法的研究还有其他３类：第１类是采用正交试验或所谓的“析因法”思想研究胶凝材

图２

自密实混凝土体积组成示意图

及４个参数：粗骨料系数α用于计算石子用量；砂拨开系数β用于计算砂用量；掺合料系数γ和水胶比Ｗ／Ｂ反映了胶凝材料净浆的组成，高效减水剂的用量视拌合物的工作性要求而定，不参与配合比计算。

在这４个参数中，α、β分别体现了粗、细骨料对于混凝土性能的不同影响，它们同时还决定了砂率值、浆骨比和砂在砂控制作浆中的体积含量，比单独使用这３个参数意义更丰富，用更强。而且，选定α、β的值后可以直接计算出粗细骨料的用量，有利于配合比的定量化设计。γ的取值采取国标规定的净浆流动度试验，一方面检验水泥和掺合料与高效减水剂的相容性，另一方面确定掺合料系数γ，这就避免了在配制混凝土时因盲目地选择减水剂和掺合料而造成拌合物工作性不良，从而起

到事半功倍的效果。水胶比Ｗ／Ｂ的确定综合考虑混凝土的流动性、强度、耐久性等方面的要求（可参考表１），并选择这些方面规定中的最小值。

４．２参数法设计流程图

用参数法设计自密实混凝土配合比的流程图见图３。Ｐｇ′：石子孔隙率；：石子堆积密度，（ｋｇ／ｍ３）；其中：!ｇ′

石子表观密度，（ｋｇ／ｍ３）；Ｐｓ′：砂孔隙率；!ｇ：

!ｓ′!ｓ：：砂堆积密度，（ｋｇ／ｍ３）；砂表观密度，（ｋｇ／ｍ３）；!Ｆ：!ｃ：掺合料密度，（ｋｇ／ｍ３）；水泥密度，（ｋｇ／ｍ３）；胶凝材料密度，（ｋｇ／ｍ３）；α砂在砂浆中的体积含量；!Ｂ：ｓ：拌合物的实测表观密度，（ｋｇ／ｍ３）；!测：

拌合物的计算表观密度，（ｋｇ／ｍ３）。!计：

图３参数设计法流程图

５结语

综合分析国内现有的各种混凝土配合比设计方法，可见任何一种方法都有其适用范围，配制自密实混凝土时不能照搬照

抄。诚然，在任何情况下都通用的方法是不存在的，需要有不同的方法来设计满足不同要求的混凝土。本文提出用参数法设计自密实混凝土配合比，是对自密实混凝土配合比设计方法的一

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常采用振动台振捣，振动台振捣对钢模的精度影响小，相同条件下可以增加钢模的周转次数，而且有相当成熟的技术、设备和配件。但是在构件的试生产中发现振动台的频率和振幅对构件的外观有很大的影响。

经过大量的试验研究后找出了适合清水混凝土用的振动台的频率和振幅。但对于不同的工程，由于模板不同，使用振动台的频率和振幅也不同，所以，每个工程要根据实际情况来调整振动台的频率和振幅。

持良好。④坍落度不同，混凝土振捣时排气效率也不相同。所以在生产清水混凝土构件时，混凝土坍落度一定要保持相对稳定。

３．４构件表面感观、纹理

清水混凝土构件用于外墙挂板时整体外观感观和纹理是一个很重要的验收要求。要想保证构件表面的感观、纹理一致，首先要保证原材料的稳定，尤其是石子的稳定，石子粒型的改变会严重影响构件的外观纹理；其次就是生产工艺的稳定。生产工艺不稳定，生产出来的构件外观会产生非常大的差异。最后重点说一下水泥的选择：一般生产清水混凝土构件都选择普通硅酸盐水泥。厂家不同，普通硅酸盐水泥的颜色不同，为了达到清水的效果，在选择水泥时一定要选择颜色一致的水泥。另外，水泥受蒸汽养护的影响也会改变颜色，所以在选择水泥时要考虑这一点。

３．２静停时间

一般生产清水混凝土构件，都要求一天一个周转，所以在设计配合比时要确定混凝土的静停时间。冬季和夏季温度不一样，对配合比的要求也不一样，为了使配合比既能满足冬季施工，也能满足夏季施工，经过大量的试验，采取一些措施，静停时间在冬季为２．５ｈ，夏季为１．５￣２ｈ，满足了模板的周转要求。

（１）温度：冬季生产时，气温很低，提升拌合物温度和环境温度是关键。基于此，给车间通了气，并把所有的门用棉帘挡上，所有的窗户都用塑料布挡上。同时，拌合物的温度控制在２０℃左右。

（２）掺合料：原配合比设计中粉煤灰等量替代水泥２０％，试验得知粉煤灰超过１０％会影响混凝土的凝结时间并影响早期强度，因此在配合比调整时粉煤灰掺量改为１０％或者不掺掺合料。

减水剂：由于是工厂生产，减水剂采用纯减水成分的减（３）

水剂即可。清水混凝土构件用混凝土坍落度不大，一般控制在６０￣８０ｍｍ，所以减水剂的减水率也不宜大，控制在１５％左右即可。

３．５成品保护

既然是清水混凝土构件，那么表面就不能受到污染，因此，生产出来的清水混凝土构件一定要做成品保护。经过多个工程的实践经验，总结出以下几点：①在刚生产出来的构件表面做表面处理（如涂防护剂）。②在构件表面做包装，等安装完毕再把包装揭掉。③成品在库区存放时，库区地面要平整，因为外墙挂板都是薄板，存放时间长了会发生扭翘现象，这是成品保护时一定要注意的事项。④最好不要露天存放。

４工程实例

到目前为止，我厂为大连软件园生产的外墙挂板，武汉大剧院、音乐厅生产的外墙挂板，以及奥运工程的射击馆外墙挂板、世界闻名的鸟巢工程变电站外墙挂板，都取得了非常好的效果，得到业内人士的一致好评。

作者简介：吕丽萍（１９７１－），女，工程师。

单位地址：北京市丰台区榆树庄构件厂试验室（１０００７０）联系电话：０１０－８３６０２１５５－６０１１

３．３构件表面气泡

清水混凝土构件的气泡将直接影响构件的外观，所以减少构件表面的气泡是生产清水混凝土构件的重要环节。

经过认真分析和大量试验后认为：①调整振动台的频率和振幅会有效降低混凝土表面的气泡。②掌握好振动的时间也会有效的降低混凝土表面的气泡。③混凝土的和易性也是影响混凝土表面气泡的一个重要因素，所以混凝土的和易性一定要保・上接第７９页

种探讨，试验证明用参数法设计自密实混凝土配合比是可行的。

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作者简介：吴红娟（１９８０－），女，助教，硕士。单位地址：石家庄铁道学院土木分院（０５００４３）联系电话：１３２３１１４９９２８