高性能混凝土(HPC)全计算配合比设计的数学模型

高性能混凝土配合比设计麦镇国摘要：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,在配制上的特点是低水胶比,选用优质原材料, 并除水泥、水和集料外, 必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

本文论述高性能混凝土配制的主要技术途径和配比参数的合理选择, 并阐述高性能混凝土配合比设计中存在的一些问题。

关键词：高性能混凝土；配合比设计高性能混凝土作为一种新的建筑材料，自从产生以来，便大放异彩，世界各国对其研究和应用势头的发展十分迅猛。

一、什么是高性能混凝土高性能混凝土（High performance concrete,简称HPC）是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：1.耐久性。

高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

2.工作性。

坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。

同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。

3.力学性能。

由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。

在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。

4.体积稳定性。

高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。

5.经济性。

高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。

浅谈高性能混凝土配合比及收缩徐变效应摘要：混凝土结构因其具有易加工、能耗低、耐久性好、与钢材等结合性好、适宜于大规模生产等特点，问世一百多年来，已成为现代结构不可缺少的工程结构。

混凝土技术的发展使预应力混凝土技术的设想成为现实，同时预应力混凝土技术的发展也使大跨与超大跨桥梁的应用与日俱增，这些建筑物均对结构构件提出了高强、轻质的要求，为此高强高性能混凝土逐渐成为人们关注的焦点。

关键词：混凝土；配合比；收缩徐变一、高性能混凝土配合比设计方法很久以来，良好的配合比设计需要更多的是“技巧而非科学”。

这句话充分说明了长久以来配合比的确定主要依靠经验和试验，从而产生了诸多经验性模型，而大多数模型并没有充分认识到经验性本质所在。

本文介绍一种比较流行的高性能混凝土（HPC）配合比设计方法：全计算法。

下面对全计算法进行简要介绍。

1.1 全计算法的基本观点：1) 混凝土各组成材料(包括固、气、液三相)具有体积加和性；2) 石子的空隙由干砂浆填充；3) 干砂浆的空隙由水填充；4) 干砂浆由水泥、细掺合料、砂和空气隙所组成。

1.2 全计算法需要考虑的地方：1、参数 A、B 的选择全计算法进行 HPC 混凝土设计时，水胶比的计算公式中A、B 的参数仍以《JGJ 55-2000 普通混凝土配合比设计规程》为依据，而规程中规定的参数适用于混凝土强度等级小于C60 级时，与高性能混凝土一些要求已经不符。

2、砂拔系数的选择全计算法中的砂拔系数设定偏高。

目前混凝土骨料主要为两种碎石掺配，在实际施工过程中应严格控制粒径<5mm><5mm><5mm>根据以上二点，进行一些参数的修改，并在全计算法的基本观点中增加一点。

为：4) 干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成；5) 粒径<5mm>此方法合适于 52.5 级或以上的水泥。

二、高性能混凝土的工作及力学性能工作性主要描述新拌混凝土运输和振捣密实的能力，是新拌混凝土的重要性能，也将影响服役混凝土的性能。

现代混凝土土配合比设计------全计算法传统混凝土配合比设计方法(如绝对体积法和假容重法),是以强度为基础的半定量计算方法,不能全面满足现代混凝土的性能要求,现代混凝土配合比计算方法是以工作性、强度和耐久性为基础建立数学模型，通过严格的数学推导的到混凝土的用水量和砂率的计算公式，并将此二式与水灰（胶）比定则相结合能计算出混凝土各组分（水泥、细掺料、砂、石、含气量、用水量和超塑化剂掺量等）之间的定量关系和用量。

用于流态混凝土、高强混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、商品混凝土以及防渗抗裂混凝土等现代化混凝土的配合比设计。

（一）高性能混凝土配合比全计算法设计高性能混凝土（HPC）与高强混凝土（HSC）和流态混凝土（FLC）最显著的差别就是混凝土配合比考虑工作性、强度和耐久性，其配合比设计的基本原则是：（1）满足工作性的情况下，用水量要小；（2）满足强度的情况下，水泥用量少、细掺料多掺；（3）材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求；（4）掺多功能复合超塑化剂（CSP）改善和提高混凝土的多种性能。

因此，HPC的配合比设计比HSC和FLC更为严格合理，图--1表示各种材料类型的混凝土配合比分区范围，无论采取什么方法设计，HSC、FLCHE和PLC（塑性混凝土）的配合比在一个范围之内，而HPC在AB线附近，由此证明HPC的配合比设计必须严格、精确和合理。

图1 混凝土配合比组成图一、强度与水灰（胶）比的关系混凝土配合比设计是混凝土材料学中最基本而又最重要的一个问题，早在1919年DuffＡbrams（D.艾布拉姆斯）就发表了混凝土强度的水灰比定则：“对于一定的材料，强度仅取决于一个因素，即水灰比。

”这一定则可用下列公式表示：σc=a/b1.5（W/C）式中:σc----一定龄期的抗压强度3a----经验常数,一般取925kg/m该式成为混凝土配合比设计计算强度的基础,近80年来混凝土配合比设计几经发展,到目前为止最常用的两种方法是绝对体积法和假定容量法。

鼹塑：整凰．浅谈高性能混凝土(H PC)的性能以及配合比设计卢建财余磊(河南省公路工程局集团有限公司，河南郑州450000)喃要j高性能漫凝圭制备的主要鼓术途径是掺优质治巨珍和件和高效减水烈，使高性能混凝土炙得既经济叉具有环境生态保护作用。

本文以郑卅黄河公铰两用桥承台混凝主．为啻6对高性能混凝土的配舍比设计和性能倪热巨等方面进行探讨。

【荚键词1簖幽匏混凝土(H P C)：配合比：性能优越雎双掺高性能混凝土在郑州黄河公铁两用桥C45承台中进行了成功应用。

现就此混凝土配合比在配制、性能及经济效益方面进行分析。

1原材料及承台混凝土的技术要求1．1原材料情况1)孟电P．042．5水泥：比表面积为335m2／kg,细度29％、密度31l O kg／m3．28天实测强度值53BM pa；2)信阳¨区中砂：表观密度2694kg，m3、细度模数285、含泥量14％：3)5—25连续级配碎石：表观密度2746kg／m3．针片状颗粒含量4B％、含泥量05％、压碎值9．7％；4)I级粉煤灰：密度2210kg／m气细度9-596，需水量比90％，烧失量3．1％：5)$95级磨细矿渣粉：比表面积352m2／kg、密度2720kg／m3、28天活性指数”1％、需水量比93％：6)江苏博特聚羧酸高性能减水剖：减水率330％；7)地下水。

所用原材科各项性能指标实测值全部符合相关规范及设计文件的要求。

12．试验方法配合比设计参照JG J550—2000(普通混凝土配合比设计规程>、J T J041—2000<从路桥涵施工技术规；苗、G BJl46—90够}j篥灰混凝土应用技术规洒-及施工经验等；混凝土工作性等依据G BJ80085进行：混凝土力学性能的测试依据G B81085进行。

13承台混凝士拄术要求技术指标：碳化环境(r3)、冻融环境(D3)、含气量≥5％、最大水胶比O厶胶材用量340—450kg／m302配合比设计配合比设计是其配合比的设计应以安全、经济、合理为原则，以耐久性、工作性、抗压强度为谢寸指标，并综合考虑和分析影响H PC性能与配合比各种参数的因素来确定其配合比。

2024年一级建造师-港口与航道工程管理与实务考试历年真题摘选附带答案第1卷一.全考点押密题库(共100题)1.(单项选择题)(每题 1.00 分) 北方某港口，每年需要依靠疏浚来维护进港航道水深。

该港口每年有95d的封冻期不能施工，近3年的资料统计显示，客观影响时间率为40％，自然影响时间为60d，则施工的其他客观影响时间为（）d。

A. 24B. 48C. 60D. 842.(多项选择题)(每题 2.00 分) 满足施工可操作性要求是混凝土配制的基本要求之一，其含义包括（）。

A. 流动性B. 耐久性C. 可塑性D. 易于密实性E. 经济性3.(多项选择题)(每题 2.00 分) 深层搅拌法施工中，转速、扭矩、搅拌和引拔、()等都应由控制台加以控制和记录。

A. 水泥浆的含水量B. 水泥浆的注入量C. 水泥浆的返浆量D. 深层搅拌处理机贯入速度E. 处理机着底电流值4.(单项选择题)(每题 1.00 分) 当耙吸挖泥船的舱容设有几档舱容或舶容可连续调节时应根据（）选择合理的舱容。

A. 水深B. 土质C. 水流D. 风浪5.(多项选择题)(每题 2.00 分) 对弯道浅滩的整治应采取（）等措施。

A. 束窄河床B. 围定和加高边滩C. 修整岸线D. 减小曲率E. 裁弯取盲6.(多项选择题)(每题 2.00 分)高性能混凝土的胶凝材料包括( )。

A. 骨料B. 磨细矿渣粉C. 硅灰D. 优质粉煤灰E. 水泥7.(单项选择题)(每题 1.00 分) 根据《内河航运建设工程概算预算编制规定》现场经费属于（）。

A. 直接工程费B. 其他直接费C. 间接费D. 企业管理费8.(单项选择题)(每题 1.00 分) 海水环境港口与航道工程混凝土配合比设计中，技耐久性要求，对（）有最小值的限制。

A. 胶凝材料用量B. 用水量C. 水胶比D. 细骨料用量9.(单项选择题)(每题 1.00 分)关于高桩码头岸坡抛填作业要求的说法，错误的是（）。

现代混凝土配合比全计算法设计的数学模型[关键词]：全计算法、现代混凝土、配合比、体积相关模型、体积加合模型。

一.现代混凝土的数学模型混凝土配合比设计是混凝土材料科学和工程应用中最基本的问题。

传统配合比设计方法(即假定容重法和绝对体积法)已不能满足现代混凝土配合比设计的要求。

因为现代混凝土组成复杂，其中包括水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等7个组分。

最简单处理方法是用多项式表示：F(x)=a+bx1+cx2+fx3+gx4+hx5+ix6+jx7 (1)若x1～x7分别用水泥(Vc)、矿物细掺料(Vf)、砂(Vs)、石(Vg)、空气(Va)、水(Vw)和外加剂(Vy)的体积用量表示，那么在1立方混凝土中：Vc+Vf+Vs+Vg+Vw+Va+Vy=1000 (2)从式(1)和(2)可以看出，要求解多项式是相当复杂的问题，并且最终结果是经验公式，不能反映各种变量之间本质的关系。

因此、必须建立混凝土普适数学模型，并在此基础上推导出理论计算公式才能反映混凝土各组分的配比和它们之间的定量关系，实现全计算。

1.传统混凝土体积加合模型传统混凝土采用了体积加合模型(图1)，认为：混凝土由水泥、砂、石、空气和水组成; 在单位体积中：(1)石子的空隙由砂子填充’(2)砂子的空隙由水泥浆填充;(3)水灰比决定混凝土的强度。

由此表明：Ve+Vs+Vg=1000式中： Ve=Vw+Vc+Va这种体积加合模型与水灰比定则组成联立方程不能求解。

必须参照有关规范中的统计数据才能计算混凝土配合比。

其坍落度是通过用水量调整的。

以强度为基础的传统混凝土配合比设计方法已不适用于现代混凝土的要求。

2.现代混凝土体积相关模型作者创建的现代混凝土体积相关模型(图2)的主要观点是：混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组分构成，在单位体积中，(1) 石子间的空隙由干砂浆填充;(2) 干砂浆中的空隙由水填充;(3) 水胶比决定混凝土强度。

高性能混凝土的配合比设计摘要:城市现代化建设速度在不断加快，对于基础工程建设需求量大幅度增长，所以对于混凝土用量以及其性能有着非常高的要求，在道路桥梁工程、水利工程等方面有着重要的应用。

现阶段，普通水泥混凝土在实际应用过程中存在着许多弊端问题，例如韧性差、脆性大、耐磨损程度低等，无法达到现阶段基建工程的要求，因此对于高性能混凝土的应用显得格外重要。

在高性能混凝土中加入适量粉煤灰，在一定程度上能够大幅度缓解收缩现象，而且还能够有效提升高性能混凝土抗渗性能。

关键词：高性能；混凝土；配合比引言高性能混凝土(High Performance Concrete，简称 HPC) 是一种新型的高技术含量的混凝土，以耐久性作为主要设计指标，针对不同用途要求，保证混凝土的强度和适用性并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。

由于上述优良特性，在青藏高原地区应用 HPC，具有显著的经济效益。

国内 HPC 的研究已经颇为成熟，但对高寒地区 HPC 的应用研究还不够深入。

1 国内外对自密实高性能混凝土配合比设计的研究自密实高性能混凝土具有较为独特的长处，基于这一点，多年来国内外的研究人员都对自密实高性能混凝土比较感兴趣，不仅如此，国内许多专家和研究机构已经开始研究自密实高性能混凝土，对材料和结构性能都已经做出了研究，也已经有了较为不错的成绩。

国内外的研究人员根据实验、经验和一定的数学方法，根据预定的目标提出了一些混合比例。

这些比例相对分散，研究人员一般只提出一些混合比例的设计原则，很少去详细地介绍混凝土混合比例的根本原因，所以实际操作的工作人员可能会对混合比例的要求不过分关注。

在台湾有学习工作者研究发现一种新的计算方法，在最大密度理论基础上，结合剩余浆体理论进行实施。

在实际工作当中，我国国内通常有两种方法来计算自密实高性能混凝土的混合比例：直接引用一些方法计算高性能混凝土的混合比例。

2 配合比设计2.1 设计原则普通水泥混凝土应用效果较差，高性能混凝土的应用越来越重要，其配合比设计通常主要建立在普通混凝土配合比设计的基础之上，实质上是对普通混凝土配比的优化和完善，主要涉及到外掺剂应用、用水量控制、砂率、水胶比等多方面的内容，另外在配合比设计环节应充分结合其各种性能，严格遵守相关原则内容，首先应遵守混凝土密实体积原则，即混凝土在可塑状态下的体积等于其组成材料密实状态下的体积叠加；其次，在配合比设计时一定要遵守水胶比原则，如果水胶比值变大，在一定程度上可能阻碍混凝土强度增长，这项内容十分关键；与此同时，还需要满足胶凝材料水泥用量最小原则，随着时代的进步和发展，提升材料资源的利用率变得愈加重要，在具体的配比设计环节可以利用工业废渣代替部分水泥，通过这种方式在一定程度上能够有效实现对混凝土早期水化热以及强度的有效控制，另外，通过工业废渣代替部分水泥能够大大降低材料成本消耗；同时在高性能混凝土配合比设计时一定要严格遵循最小单位用水量原则，在配合比设计时可以对外加剂进行科学的使用，在一定程度上能够有效缓解坍损变化问题，可大大提升其流动性。

全计算法设计高性能混凝土配合比一、已知条件㈠、混凝土强度等级C30。

㈡、水泥1、牌号与强度等级P.O42.5。

2、表观密度γc＝3.134。

㈢、砂子1、品种河砂。

2、细度模数μf＝2.4。

3、表观密度γs＝2.64。

㈣、石子1、品种卵碎石。

2、粒径5-25mm。

3、表观密度γg＝2.76。

4、堆积密度γgd＝1.56。

㈤、粉煤灰1、质量等级Ⅱ级。

2、表观密度γf＝2.143。

㈥、矿粉1、质量等级S95。

2、表观密度γk＝2.931。

㈦、泵送剂1、表观密度γb＝1.172。

2、含水率ρw＝0.63。

㈧、混凝土含气量α＝15 L/m3。

二、基本假设与混凝土体积模型㈠、基本假设1、混凝土各组成材料（包括固、液、气三相。

）具有体积相加性；2、石子的空隙由干砂浆填充；3、干砂浆的空隙由水填充；4、干砂浆由水泥、掺合料、砂与含气量组成。

㈡、混凝土体积模型见下图。

图中表示干砂浆体积V es的黑线框可以上下移动，以调整用水量和砂率。

三、基本公式1、浆体体积V e＝W+V c+V f+V k+α⑴说明：对高性能混凝土，V e可按350L/m3取值（引自陈建奎著《混凝土外加剂原理与应用》）。

2、集料体积（V g+V s）＝1000- V e⑵说明：对高性能混凝土，（V g+V s）可按（1000-V e）＝（1000-350）＝650L/m3取值（引自陈建奎著《混凝土外加剂原理与应用》）。

3、干砂浆体积V es＝V c+V f+V k+V s+α⑶4、混凝土试配强度f cu.p≧f cu.0+1.645σ⑷5、水胶比B wj＝W/（C+F a+K）＝1/｛[f cu.p/（Af ce）]+B｝⑸或f cu.p＝Af ce｛（1/ B wj）- B｝⑹式中，V e—浆体体积 L/m3W—用水量或水的体积 kg/m3或L/m3V c—水泥体积 L/m3V f—粉煤灰体积 L/m3V k—矿粉体积 L/m3V g—石子体积 L/m3V s—砂子体积 L/m3V es—干砂浆体积 L/m3f cu.p—混凝土试配强度 MPaf cu.o—混凝土强度等级的标准值 Mpaσ—混凝土强度标准差 Mpa当缺乏统计资料时,σ可参照下表取值（引自《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204-92）。

全计算法在高性能混凝土(HPC)配合比设计中的应用摘要：本文讨论了高性能混凝土（HPC）配合比设计全计算法的应用及应注意的问题关键字：HPC配合比设计全计算法VeVes1.工程概况青荣城际铁路设计起点为青岛北站，终点为荣成站，线路长度298.971公里，其中桥梁164.696公里，占正线长度的55.09%。

区间内混凝土647411方，是现场施工中非常重要的组成部分，混凝土配合比的经济优化、降本增效对推动技术进步、保证工程质量、降低工程成本都起着重要作用。

2.高性能混凝土（HPC）配合比设计要点标段HPC配合比设计以设计图纸、国家及铁道部颁布的技术标准、规范为依据，理论基础为王栋民、陈建奎教授所研究发展的高性能混凝土（HPC）配合比设计全计算法。

2.1高性能混凝土（HPC）配合比设计的基本原则&#8226;&#160; 满足工作性的情况下，用水量要小&#8226;&#160; 满足强度的情况下，水泥用量少，外掺料多掺&#8226;&#160; 材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求&#8226;&#160; 掺加新型高性能减水剂，改善与提高混凝土的多种性能2.2高性能混凝土（HPC）全配合比设计的技术基础该模型假定混凝土总体积为 1.0m 3 (1000L)，由水、水泥、外掺料、空气、砂、石部分组成，对应的体积分别为V w ，V c ，V f ，V a ，V s ，V g ，浆体体积（Ve）=V w+ V c+V f+V a骨料体积（Vs+Vg）=1000- Ve干砂浆体积（Ves）= V c+V f+V a+ Vs3.C50高性能混凝土（HPC）配合比设计实例3.1配制强度fcu,p----------混凝土试配强度（MPa）；fcu, o----------混凝土设计强度（MPa）；σ----------混凝土的强度标准差（MPa）；3.2水胶比1.09--------水泥强度富裕系数A、B--------回归系数，采用碎石一般分别为0.48、0.52；3.3用水量其中0.335为体积掺量修正系数，与外掺料的的体积掺量有关，在一般计算中采用0.335就可以，如有需要可采用下表系数进行精确用水量计算。

高性能混凝土（HPC）全计算配合比设计的数学模型[摘要] 本文在普遍适用的混凝土体积模型的基础上，经数学推导求得了HPC混凝土单方用水量W(kg/m3)计算公式和砂率Sp(%)计算公式，这两个公式揭示了混凝土组成材料内在的规律和联系。

这两个公式结合传统的水灰(胶)比定则，即可定量确定混凝土各组成材料用量，实现HPC混凝土全计算配合比设计。

这项研究使混凝土配合比设计从半定量走向定量，从经验走向科学。

由于模型的普遍适用性，该设计方法也适用于普通混凝土、高强混凝土、流态混凝土及其它混凝土。

[关键词]高性能混凝土；配合比设计；全计算；数学模型第一节对HPC的再认识在吴中伟院士《高性能混凝土》专著中比较全面地介绍了国内外学者对高性能混凝土的定义和认识1。

本文作者也对高性能混凝土进行了系统的梳理和分类2。

可以看出各国学者均从不同角度、不同层面阐述高性能混凝土的定义、内涵和外延。

有些内容是相互交叉的，有些又是相互补充的，各国学者均突出强调了各自关注的某一或某几方面。

如美国学者十分强调高强度和高耐久性（特别是高体积稳定性和低渗透性），而日本学者则似乎更关注高施工性能，当然耐久性亦是重要方面，但对高强度则不特别强调。

吴中伟院士综合了各种论点后提出一个比较全面的高性能混凝土的定义。

然而，究竟什么是高性能混凝土？能不能用更简单的语言给予更清楚的定义？或者能不能用清晰的图像给予更明了的描述？仍是公众关心的问题。

另外，人们普遍会提出，高强混凝土与高性能混凝土在材料制备上有什么区别？是不是掺了高效减水剂和超细矿物质掺合料后，同时设计有较大的坍落度值而制得的高强混凝土就是高性能混凝土了呢？超塑化高强混凝土是不是就等同于高性能混凝土了呢？这些问题按上述对高性能混凝土的定义和认识，仍然不能给出一个简单而明了的答复。

为此有必要再次对混凝土的发展给予重新的审视。

最早的混凝土是一种低强度的塑性混凝土，当时密实成型设备不过关，又没有外加剂可掺，混凝土是一种高水灰比、低强度的塑性混凝土。

第28卷第2期硅酸盐学报Vol.28,No.2 2000年4月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY April,2000简 报高性能混凝土(HPC)配合比设计新法 全计算法陈建奎1,王栋民2(1.武汉工业大学北京研究生部,北京 100024;2.中国建筑材料科学研究院,北京 100024)摘 要:高性能混凝土(HPC)是一种具有高耐久性、高施工性能、高强度的 三高 混凝土,被称为是21世纪混凝土.混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用复合超塑化剂和超细矿物质掺合料.与普通混凝土相比,HPC原材料组分增加,混凝土均匀性、致密性提高、性能改善.相应地,HPC配合比设计亦更为复杂.国内外已经提出几种HPC配合比设计方法,基本上都是以经验为基础的半定量设计方法.本文首次建立了普遍适用的混凝土体积模型,经科学推导求得了HPC混凝土用水量计算公式和砂率SP计算公式,这两个公式揭示了混凝土组成材料内在的客观规律和必然联系.这两个公式结合传统的水灰(胶)比定则,即可全面定量地确定混凝土各组成材料用量,实现HPC混凝土全计算配合比设计.这项研究成果使混凝土配合比设计从半定量走向定量,从经验走向科学,是混凝土配合比设计上一次较大的改进.该设计方法也适用于普通混凝土、高强混凝土、流态混凝土及其它混凝土.关键词:高性能混凝土;配合比设计;全计算中图分类号:TU528文献标识码:A 文章编号:0454-5648(2000)02-0194-05 NEW MIX DESIGN METHOD FOR HPC OVERALL C ALC ULATION METHODChen J iank ui1,W ang Dongmin2(1.Beijing Postg raduate School,Wuhan U niv ersity of T echno-l og y,100024;2.China Building M ater ials Academy,Beijing 100024)Abstract:H igh Perfo rmance Concrete(HPC)is a kind of con-crete w ith hig h dur abilit y,hig h strengt h and hig h workability, and has been named as 21th century concrete .T he most im-po rtant technical means to make concrete w ith high performance is to use composite superplasticizer and super fine miner al admix-ture.As to ordinary co ncrete,HPC uses mor e raw materials as its co mponents,it s uniformit y and densit y are r ai sed and it s 收稿日期:1999-10-05.作者简介:陈建奎(1940~),男,教授;通讯联系人:王栋民(1965~),男,高工,博士生.properties are improved.Correspondingly,HPC mix design is also more complicated.Sever al HPC mix design methods have been put forw ard both in China and abroad,all of t hem are semi quant itat ive desig n methods based on ex perience.T he volume model applicable to every kind o f co ncrete is first pr oposed in the paper.O n the basis of the model,for mulas for the w ater con-tent and sand ratio in concrete are established by scientific de-duction.T hese two formulas rev eal the intrinsic positive rela-tionship and objective law between the co mponents of concrete. T hese tw o formulas,combining w ith the famous traditional water-cement ratio law ,can determine t he co ntent o f every kind of components in concrete totally and quantitatively,and ar e included in the so-called ov er all calculation mix design . T his resear ch result makes the concrete mix design from a semi quant itat ive design to a totally quantitative design based on sc-i entific calculation rather than empirecal calculat ion and is a great leap in t he history of mix design.Because of the generalized ap-plicability of the mo del,the desig n met hod is applicable not o nly to HPC,but also to ordinary concr ete,high strength concrete, flowing concrete and other concr ete as well.Key w ords:high performance concrete;mix design;ov er all ca-l culat ion混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最重要的一个问题.早在1919年A brams就发表了混凝土强度的水灰比定则[1]:对于一定材料,强度仅取决于一个因素,即水灰比.这一定则可以用下列公式表示:c=ab1.5[m(w)/m(c)]式中, c 某一定龄期的抗压强度;a 经验常数,一般Received date:1999-10-05.B iography:Chen Jiankui(1940~),male,professer. Correspondent:M r.Wang Dongmin(1965~),senior engineer,doctor student.取925kg/m3;b 取决于水泥的种类,但可取4左右.强度与水灰比m(w)/m(c)成反比的这种观点仍然是大多数配合比设计方法的基础.后人为简化计算,取水胶比倒数,导出近似的直线公式f cu,p=Af ce[m(c)m(w)-B]式中,f cu,p 混凝土的配制强度;f ce 水泥的实测强度; m(c)m(w)灰水比[或胶水比m(b)/m(w)];A,B 回归系数,对碎石混凝土,A=0.48,B=0.52,对卵石混凝土, A=0.50,B=0.61.该式成为混凝土配合比设计中计算强度的基础[2].近80年来混凝土配合比设计方法也几经发展,到目前为止,最为常用的两种方法是绝对体积法和假定密度法.这两种方法都是以经验为基础的半定量设计方法.本工作的特点在于建立了普遍适用的混凝土体积模型,经数学推导得出用水量和砂率计算公式,以此为基础建立了混凝土全计算配合比设计新方法.1 普遍适用的混凝土体积模型我们的基本观点如下:(1)混凝土各组成材料(包括固、气、液3相)具有体积加和性;(2)石子的空隙由干砂浆来填充;(3)干砂浆的空隙由水来填充;(4)干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成.其中干砂浆和干砂浆体积的概念以及基本观点第(2)、(3)、(4)条均为本文作者在国内外首次提出,并由此奠定了混凝土配合比全计算设计的技术基础.传统配合比设计的绝对体积法认为:在混凝土中石子的空隙由水泥砂浆来填充,水泥砂浆中砂的空隙由水泥浆来填充,水泥的空隙由水来填充.美国M ehta和Aitcin教授[3]在对高性能混凝土(HPC)进行了大量的研究后认为:要使HPC同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料应有一个最佳体积比,即V e (V s+V g)=35 65.这一认识事实上是确定了HPC 配合比设计中水泥浆体体积与骨料体积的定量关系.但他们并未将V e与水灰(胶)比定则进一步联系,没有能够得到用水量的计算公式,更没有提出 干砂浆体积 的概念.本文作者将V e与水灰(胶)比定则相联系,求得了用水量V w(以体积计,下同)公式,提出 干砂浆体积 的概念,在水泥浆体体积V e和集料体积V s+V g之间建立了联系,从而使砂率S p的求解成为可能.普遍适用的混凝土体积模型建立如图1.图中表示干砂浆体积的实线框可以上下移动,以调整用水量和砂率.2 两个基本公式的科学推导2.1 砂率计算公式根据普遍化适用的混凝土体积模型(图1),可知浆体体积V e=V w+V c+V f+V a(1)集料体积V s+V g=1000-V e(2)干砂浆体积V es=V c+V f+V a+V s(3)式中,V e为浆体体积(L);V es为干砂浆体积(L);V w为用水量(L);V c,V f,V a,V s和V g分别为水泥、细掺料(如FA)、空气、砂子和石子的体积用量(L).由式(3)得:V s=V es-(V c+V f+V a)(4)由式(1)得:V c+V f+V a=V e-V w(5)将式(5)代入式(4) V s=V es-V e+V w(6)则砂子质量: S=(V es-V e+V w) s(6 )式中, s为砂的视密度(kg/L).由式(2)得:V g=1000-V e-V s(7)将式(6)代入式(7)得 V g=1000-V es-V w(8)则石子质量: G=(1000-V es-V w) g(8 )式中, g为石子的视密度(kg/L).故砂率S P是SS+G100%S P=(V es-V e+V w) s(V es-V e+V w) s+(1000-V es-V w) g100%(9)这是砂率计算的通式.当 s= g时( s= 2.65kg/L, g= 2.65~2.70kg/L),S p=V es-V e+V w1000-V e100%(10)由(10)式可见,砂率随着用水量的增加而增加。

全计算法HPC砼设计Hpc配合比设计的理论基础为王栋民、陈建奎教授研究发展的hpc 配合比设计全计算法。

2.1Hpc配合比设计的基本原则满足工作性的情况下，用水量要小满足强度的情况下，水泥用量小，细掺量多材料组成及用量合理，满足耐久性及特殊性能要求掺加新型高效减水剂，改善与提高砼的多种性能。

2.2全计算法配合比设计的技术基础砼各种组成材料（包括固、液、气三相）具有体积加和性；石子的空隙由干砂浆来填充；干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气所组成。

该模型假定砼总体积为1m3（1000L），由水、水泥、细掺料、空气、砂、石部分组成，对应的体积分别为vw. Vc. Vf. Va.vs.vg.,浆体体积（Ve）=Vw+vc+vf+va，vs+vg（骨料体积）=1000-ve；干砂浆体积（ves）=vc+vf+va+vs.在HPC配合比计算时，式中ve和ves应根据原材料及施工现场具体确定，理论值可作为参考。

□C50HPC配合比设计实例我们假定ve=350；ves=460，砼含气量4%。

原材料采用P.O42.5低碱水泥，细集料采用渭河Ⅱ区中砂，细度模数2.8，粗集料为二级级配碎石，最大粒径25mm；外加剂为聚羟酸高效减水剂，试验减水率26%，掺量（1.0%×胶体材料用量）；各原材料经检验符合（客运专线高性能砼暂行技术条件）要求。

3.1配制强度=50+1.645*6=60MPa fcu。

p——砼试配强度（mpa）；fcu。

0——砼设计强度（mpa）；Ó——强度标准差（mpa）；3.2水胶比=1/（（60/0.48*42.5*1.09）+0.52）=0.31A B―――回归系数;回归系数AB资料显示以下取值都有人用过，而且更倾向于后者，实际上水胶比很大程度上已经验确定，因此读者可以根据具体情况及经验计算选取更合理的水胶比。

表1 回归系数选用表3.3用水量―――――3＝（350-40）/（1+0.335/0.31）＝149kg/m3其中0.335为体积掺量有关。