基于多種性能要求的混凝土組成設計方法
史才軍1，王德輝1，安曉鵬2，焦登武1，李  晃1
(1. 湖南大學土木工程學院，綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，長沙 410082；2. 中國建筑材料科學研究總院，綠色建材國家重點實驗室，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計方法。首先采用混合砂石容重法確定粗、細骨料的最緊密堆積和骨料間最小空隙率；其次結合Bowromi公式和耐久性要求，確定混凝土的水膠比，然后根據骨料間的最小孔隙率和達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，通過調整減水劑和黏度改性劑來調節混凝土的屈服應力和塑性黏度，改善混凝土的工作性能。在此基礎上采用單純型重心設計法設計膠凝材料組成，用最少的實驗量建立混凝土性能與膠凝材料組成間的關系，最后根據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，該方法可用于預測不同膠凝材料組成制備的混凝土性能。
關鍵詞：組成設計；最緊密堆積；富余漿體理論；單純型重心設計法；混凝土組成與性能關系
中圖分類號：TU528    文獻標志碼：A    
文章編號：0454–5648(2018)02–0230–09
網絡出版時間：2017–11–02 
收稿日期：2017–05–31。   
修訂日期：2017–06–28。
基金項目：國家重點研發計劃(2017YFB0310101)；國家自然科學基金(U1305243)；國家國際科技合作專項(2015DFA50880)。
第一作者：史才軍(1963—)，男，博士，教授。
前言
傳統的混凝土配合比設計方法是一種計算-試配法，其計算準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，設計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工程設計、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、運輸、澆注和后期構筑物使用等過程的綜合性能指標的優異拌合物[1]。高性能混凝土不僅具有優異的力學性能，同時還需要有優異的工作性能和耐久性，確保混凝土結構在不同環境下的可靠性。因此，在許多情況下，高性能混凝土性能會有多個指標要求。與傳統混凝土相比，高性能混凝土在組成設計時，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，同時也能很大程度上提高混凝土強度[1–2]。

早在20世紀90年代初，Metha和Aitcin等就提出了應用較為廣泛的Metha-Aitcin設計方法[3–4]，該方法認為水泥漿體的體積分數為35%時對混凝土的強度、工作性能、體積穩定性有最佳的平衡作用，細骨料和粗骨料的最佳體積比為65%，細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用至高性能混凝土設計中。但此方法中有許多假設，一些假設對不同地區的原料不一定能適用，且需進行大量的試配，工作量大。美國ACI的高強混凝土配合比設計方法[5]，適用于抗壓強度在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行試驗，從而得到合適的配合比。IPT-EPUSP方法[6]通過試驗測試不同坍落度下的干灰漿率(即水泥、細集料于水泥、粗細集料的質量之比)和用水量關系，從而得到不同配比與混凝土性能間的關系圖，此種方法在巴西等國廣泛應用。Carbonari[7–8]通過不斷優化膠凝材料和骨料間的比例，在粗骨料和細骨料之間存在一個最佳比例。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。通過調整剩余膠凝材料用量確定粗細骨料和膠凝材料的用量，該方法原理簡單、實用性較強。

近些年來，研究人員試圖通過骨料最緊密堆積理論和統計方法等進行混凝土組成的設計，得到了工作和力學性能均較好的混凝土組成[9–11]，也提出了統計因子模型法和流變法[12]。但這些設計方法大多數僅針對單一性能，只改變單一因素條件下對混凝土組成進行設計或優化，需多次試配和測試，才能得到一些滿足有多個性能指標要求的混凝土組成。有時在試配過程中目標性能可能此長彼消，試驗工作量會非常大。另外，膠凝材料用量的確定缺乏具體的理論依據，僅通過滿足流動性要求時的經驗用水量和水灰比推算，容易造成膠材使用量偏大、混凝土尺寸穩定性和耐久性較差[13]、碳排放高等問題。單純型重心設計法是由Scheffe[14]提出的混料設計方法演變而來，能夠通過較少試驗量定量評價多組分混合物的性能。其設計原則如下：如果有n個組分，那么所需要進行2n–1組試驗得到相應的等值線圖和對應的函數公式，以3組分為例，則需進行7組試驗；首先根據約束條件確定各分量的范圍，然后分別選取三角形頂點、三邊中點和中心點作為試驗數據點，得到每個數據點的性能參數，最后采用軟件Design Expert或MiniTab在三角形坐標體系內得到三角形等值線圖。通過單純型重心設計法，Douglas等[15]準確預測了水泥-粉煤灰-礦粉三元膠凝體系砂漿的抗壓強度，Wang[16]和孫偉[17]等也采用單純型重心設計法定量評價和預測了三元膠凝體系混凝土的強度。除此之外，單純型重心設計法還能夠準確的預測蒸壓養護條件下鋼包渣-熟石灰-石英粉膠凝體系的最佳組成[18]和水泥砂漿不發生堿骨料反應造成膨脹時任意三元膠凝體系的最佳組成[19]。
以C40混凝土設計為例，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(屈服應力和塑性黏度)等方面出發，采用單純型重心設計法設計膠凝材料組成，找到一種膠凝材料用量適宜，滿足混凝土工作性、強度、耐久性等多性能的混凝土設計方法。
結論
提出了基于多種性能要求的混凝土設計方法，其設計原則如下：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、細骨料的最佳比例，使骨料的堆積密度達到最大；通過富余漿體厚度，確定混凝土的水泥漿含量；最后，通過單純型重心設計法確定膠凝材料組成。通過調整超塑化劑和黏度改性劑，可以調節混凝土的靜態屈服應力和表觀黏度，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。基于膠凝材料組成與不同混凝土性能關系的等值線圖，也可以預測不同膠凝材料組成下混凝土的性能。