高強(qiáng)混凝土配合比確定方法的探討

摘要：論述了高強(qiáng)砼配合比確定方法仍采用普通砼配合比確定方法的不足，并論述了采用“正交—— 綜合評(píng)定法”是解決問(wèn)題的有效方法。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)砼；正交實(shí)驗(yàn)；最佳配合比

中圈分類號(hào)：TU502   文藏標(biāo)識(shí)碼：A

隨著材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，砼組成材料由普通砼的水泥、砂、石、水四種發(fā)展為5～7種組成材料，使影響砼強(qiáng)度及工作性等的因素變得更復(fù)雜，這就為砼配合比的確定提出了新的要求。砼配合比的確定，關(guān)鍵是要保證砼滿足施工、強(qiáng)度、耐久性、經(jīng)濟(jì)性四方面要求。在現(xiàn)行配合比設(shè)計(jì)規(guī)程JGJ／T55—96中，高強(qiáng)砼配合比確定方法基本上還采用普通砼的確定方法，但在實(shí)踐中，該方法已顯不足。

1 現(xiàn)行的高強(qiáng)砼配合比確定方法

高強(qiáng)砼配合比的確定現(xiàn)在基本是應(yīng)用普通砼的確定方法。該方法是利用鮑羅公式及表格按強(qiáng)度及耐久性要求確定水灰比 ；按粘聚性要求確定砂率Sp；按流動(dòng)性要求確定單位用水量W_O；按經(jīng)驗(yàn)確定外加劑摻量及摻合料用量；按以上確定參數(shù)計(jì)算初步配合比；然后進(jìn)行試拌，按工作性好壞，對(duì)Sp、W_O及外加劑等作適當(dāng)調(diào)節(jié)；最后利用～f的線性關(guān)系進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)節(jié)確定配合比，這方法以其簡(jiǎn)單易行一直被人們所應(yīng)用^[2]。

2 在普通砼及高強(qiáng)砼中，用料及配合比關(guān)鍵參數(shù)對(duì)性能的影響的差別^[1~3]。

2.1 水灰比

1）在原材料一定的條件下，在普通砼中，對(duì)強(qiáng)度起決定性作用。因此，在確定時(shí)，除考慮耐久性外。主要由強(qiáng)度確定：而在高強(qiáng)砼中，除外，骨料含量、砂率、單位用水量等對(duì)強(qiáng)度也影響較為顯著。

2)在普通砼中，灰水比與砼強(qiáng)度f的關(guān)系為線性關(guān)系，在進(jìn)行砼試配時(shí)，正是利用了此關(guān)系進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整；而在高強(qiáng)砼中，當(dāng)較小時(shí)，～f的線性關(guān)系反常。

2.2 磅率Sp的影響

在普通砼中，Sp對(duì)強(qiáng)度影響很少，對(duì)粘聚性影響十分顯著。隨著Sp增大，粘聚性變好。因此，在確定砼配合比時(shí)，沒(méi)有考慮對(duì)強(qiáng)度的影響，只是按施工操作要求的粘聚性確定Sp。在高強(qiáng)砼中，Sp對(duì)砼強(qiáng)度影響較大，試驗(yàn)表明，Sp減少，強(qiáng)度增加，Sp每減少1%，強(qiáng)度約增加1%；而Sp對(duì)粘聚性影響較小，原因是高強(qiáng)砼的較小，水泥用量大，且摻入大量的摻合料，本身粘聚性很好。

2.3 骨料含量的影響

骨料含量對(duì)普通砼強(qiáng)度影響很小，而對(duì)高強(qiáng)砼影響較為顯著，影響程度僅次于。試驗(yàn)表明每減少0.01，強(qiáng)度增加3.5～5%，愈小，強(qiáng)度增長(zhǎng)率越大，而對(duì)強(qiáng)度的影響程度為每減0.02，強(qiáng)度增加6.5~9%。

2.4 單位用水量W_O影響

普通砼中，當(dāng)流動(dòng)性一定時(shí)，用水量基本恒定，且當(dāng)一定時(shí)，用水量W_O對(duì)強(qiáng)度影響甚少，因此，需水量主要按施工要求流動(dòng)性確定；而在高強(qiáng)砼中，用水量的大小對(duì)強(qiáng)度影響較為顯著，當(dāng)一定時(shí)，W_O愈少，強(qiáng)度愈高。試驗(yàn)表明，其影響程度與骨料含量對(duì)強(qiáng)度影響一致，當(dāng)每m³砼減少5kg水時(shí)，強(qiáng)度增加3.5%～5%。但是，W_O受到外加劑的種類及摻量、混合料的種類及摻量、坍落度損失要求制約。 

2．5 外加劑的種類及用量的影響

在高性能砼中，一般都加有外加劑。常加的有高效減水劑和緩凝劑。減水劑主要用來(lái)提高砼流動(dòng)性，其摻量的大小與減水劑種類、投放時(shí)間、水灰比、水泥與骨料種類、數(shù)量及環(huán)境溫度等因素有關(guān)，很難以先確定準(zhǔn)確的摻量。太小，減水效果不顯著；太多，超過(guò)減水劑飽和點(diǎn)，不但流動(dòng)性不再增加，砼還會(huì)產(chǎn)生離析，影響砼質(zhì)量，同時(shí)還增加成本。緩凝劑也有類似情況，摻量適中，有利于減少坍落度損失，保證砼的泵送性能；摻量太小，作用不大；太多，凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響后續(xù)施工操作，同時(shí)會(huì)使砼長(zhǎng)時(shí)間疏松不硬，強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

此外，水泥品種，摻合料的種類及摻量、骨料品種等對(duì)砼強(qiáng)度及工作性都有一定的影響。

3 普通砼配合比確定方法在高強(qiáng)砼中應(yīng)用已顯不足

從以上論述可見(jiàn)，由于材料品種繁多，性能各異，配合比中各參數(shù)對(duì)砼性能影響復(fù)雜。因此，高強(qiáng)砼中的各材料用量及各參數(shù)的取值很難像普通砼一樣，予先確定一個(gè)具體值。因此，普通砼配合比確定方法在高強(qiáng)砼中應(yīng)用已顯不足。主要有以下幾方面：

1)只考慮對(duì)強(qiáng)度的影響，忽略其它參數(shù)或材料品種對(duì)強(qiáng)度的影響，得出的配比不經(jīng)濟(jì)。試驗(yàn)表明，同時(shí)考慮、sp、Wo及骨料含量對(duì)強(qiáng)度的影響進(jìn)行配制砼，可顯著提高砼強(qiáng)度及節(jié)約水泥，節(jié)約水泥12%~20%；2)利用～f的線性關(guān)系進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整，當(dāng)較小時(shí)，得出的配比不準(zhǔn)確；

3)較難把砼強(qiáng)度，耐久性、工作性及經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一起來(lái)。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，雖然其也考慮這些內(nèi)容，但它是孤立地考慮的，因而得出的配比不夠合理；

4)未有考慮各材料的特性及各材料之問(wèn)的相互影響；

5)較難適應(yīng)多項(xiàng)要求的砼。如若同時(shí)要求砼滿足強(qiáng)度、抗?jié)B標(biāo)號(hào)、坍落度、坍落度損失值、彈性模量及成本等目標(biāo)，這種方詿就顯得無(wú)能為力。

4 應(yīng)用“正交一綜合評(píng)定法”確定高強(qiáng)砼配合比

4．1 正交一綜合評(píng)定法：該方法是利用正交試驗(yàn)的原理安排試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定，找出滿足各項(xiàng)工程要求的最佳配合比的方法。步驟及方法見(jiàn)4.3實(shí)例。

4.2 正交一綜合評(píng)定法優(yōu)點(diǎn)：

1)在各材料及參數(shù)對(duì)砼性能的影響還不太清楚的情況下，它能很好地處理各材料、各參數(shù)之間的相互關(guān)系。它通過(guò)科學(xué)安排試驗(yàn)，利用其“整齊可比性”及“均衡搭配性，通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，可得到優(yōu)化的配合比。 

2)它能把砼強(qiáng)度、耐久性；工作性及經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一；適應(yīng)多目標(biāo)要求的砼；所得的配比技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理。

3)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可弄清各材料，各參數(shù)對(duì)砼強(qiáng)度、耐久性、工作性及經(jīng)濟(jì)性的影響趨勢(shì)及其影響的主次關(guān)系，為施工管理、質(zhì)量控制、成本管理提供依據(jù)。

4.3 實(shí)例：

某工程，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55，C6O，采用泵送施工，坍落度要求150～180mm。材料采用P.o525水泥，Dm~20mm碎石，中河砂，FDN高效減水劑摻量為0.5～1.1，緩凝劑為糖蜜，摻量為0.1%~0.3%。

1)明確試驗(yàn)解決問(wèn)題及考核指標(biāo)

要解決的問(wèn)題：提出滿足施工要求，強(qiáng)度要求、耐久性要求及經(jīng)濟(jì)性要求的配合比。

考核指標(biāo)：C55砼強(qiáng)度≥65MPa，C60砼強(qiáng)度≥69MPa，入泵坍落度S=150～180mm，30rain后

坍落度≥120 mm，成本愈低愈好。

2)挑因素，選水平。選擇的因素及因素水平如表1： 

表1 試驗(yàn)因素水平表

3)選擇正交表：由于有4個(gè)因素，3種水平，故選擇L₉，(3⁴)正交表。

4)試驗(yàn)安排：根據(jù)已選定的因素、因素水平及正交表，試驗(yàn)安排如表2。

5)試拌：按試驗(yàn)安排中各試驗(yàn)號(hào)的參數(shù)計(jì)算試拌用料。試拌時(shí)，高效減水劑用量以使流動(dòng)性S=150～180mm確定。并把試驗(yàn)結(jié)果填于表2。

表2  試驗(yàn)方案及結(jié)果表

備注：FDN—高效減水劑；S—坍落度；∆S—坍落度損失值；f—抗壓強(qiáng)度；W—成本價(jià)

6)試驗(yàn)結(jié)果分析

① 確定各因素對(duì)砼性能影響趨勢(shì)及主次

各因素、因素水平對(duì)砼強(qiáng)度、坍落度損失值、成本影響如表3．表3數(shù)據(jù)是表2同一因素同一水平結(jié)果的平均值。通過(guò)對(duì)極差進(jìn)行分析，可得出各因素對(duì)以上結(jié)果影響的主次，極差愈大，影響愈大。各因素對(duì)砼強(qiáng)度影響趨勢(shì)大小為A>B>C>D，水泥用量、用水量，砂率大小對(duì)強(qiáng)度都有較大的影響；對(duì)坍落度損失值影響趨勢(shì)大小為：D>B>A、C。緩凝劑摻量及用水量影響較顯著；對(duì)成本的影響趨勢(shì)大小為A>B>C>D，影響最大的為水泥用量．以上分析有利于施工管理，質(zhì)量管理及成本管理。 

表3 極差分析

② 確定最佳配合比

直觀法：在目標(biāo)數(shù)較少或較易判別優(yōu)劣時(shí)可用此法。如本試驗(yàn)，以滿足工作性要求，強(qiáng)度要求的條件下，成本低的為優(yōu)．所以C55，C6o配比分別可定為4^#，7^#試驗(yàn)結(jié)果。

綜合評(píng)分法：當(dāng)目標(biāo)數(shù)較多或較難用直觀法判別優(yōu)劣時(shí)使用。

步驟如下：第一，按各目標(biāo)重要性程序不同，分別確定分值系數(shù)k。如本試驗(yàn)，確定配比的原則為：在滿足施工、強(qiáng)度要求的條件下，盡量節(jié)約材料，因此，強(qiáng)度，坍落度損失值、成本的分值系數(shù)k分別取2，1，3。

第二：評(píng)定各試驗(yàn)各目標(biāo)得分：首先確定基本得分a．，再求該目標(biāo)得分k₁·a₁評(píng)定基本得分的方法為：若目標(biāo)值不符合設(shè)計(jì)要求得0分；其余按優(yōu)劣排列，分捌得分為n，n—l……l。也可用跳躍式評(píng)分，以便把優(yōu)劣拉開(kāi)得分距離。

第三：求各試驗(yàn)綜合得分：把各試驗(yàn)各目標(biāo)值得分相加。如7^#試驗(yàn)，坍落度損失值、強(qiáng)度、成本的基本得分a．分別為3、5、6。目標(biāo)值得分為：a₁·k₁=3×l，5×2，6×3，綜合評(píng)分為31分。

第四步：確定最佳配比：綜合得分高為優(yōu)。然后按綜合分高低排名次，當(dāng)綜合分相同時(shí)，以最重要目標(biāo)為優(yōu)者為優(yōu)．本試驗(yàn)排次見(jiàn)表二、由表二得C55，C66配比分別為4#及7#試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

從以上論述可見(jiàn)，用正交綜合評(píng)分法確定高強(qiáng)砼配合比，可避免試驗(yàn)的盲目性。它特別適合多目標(biāo)要求的砼，能使砼滿足工程各項(xiàng)要求，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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