普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)
一、混凝土配合比設(shè)計(jì)基本要求
混凝土配合比是指1m3混凝土中各組成材料的用量,或各組成材料之重量比。配合比設(shè)計(jì)的目的是為滿足以下四項(xiàng)基本要求:
1.滿足施工要求的和易性。
2.滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí),并具有95%的保證率。
3.滿足工程所處環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性要求。
4.經(jīng)濟(jì)合理,最大限度節(jié)約水泥,降低混凝土成本。
二、混凝土配合比設(shè)計(jì)中的三個(gè)基本參數(shù)
為了達(dá)到混凝土配合設(shè)計(jì)的四項(xiàng)基本要求,關(guān)鍵是要控制好水灰比(W/C)、單位用量(W0)和砂率(Sp)三個(gè)基本參數(shù)。這三個(gè)基本參數(shù)的確定原則如下:
1.水灰比。
水灰比根據(jù)設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度和耐久性確定。確定原則為:在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上,選用較大水灰比,以節(jié)約水泥,降低混凝土成本。
2.單位用水量。
單位用水量主要根據(jù)坍落度要求和粗骨料品種、最大粒徑確定。確定原則為:在滿足施工和易性的基礎(chǔ)上,盡量選用較小的單位用水量,以節(jié)約水泥。因?yàn)楫?dāng)W/C一定時(shí),用水量越大,所需水泥用量也越大。
3.砂率。
合理砂率的確定原則為:砂子的用量填滿石子的空隙略有富余。砂率對(duì)混凝土和易性、強(qiáng)度和耐久性影響很大,也直接影響水泥用量,故應(yīng)盡可能選用最優(yōu)砂率,并根據(jù)砂子細(xì)度模數(shù)、坍落度要求等加以調(diào)整,有條件時(shí)宜通過(guò)試驗(yàn)確定。
三、混凝土配合比設(shè)計(jì)方法和原理
混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本方法有兩種:一是體積法(又稱絕對(duì)體積法);二是重量法(又稱假定表觀密度法),基本原理如下:
1. 體積法基本原理。體積法的基本原理為混凝土的總體積等于砂子、石子、水、水泥體積及混凝土中所含的少量空氣體積之總和。若以Vh、Vc、Vw、Vs、Vg、Vk分別表示混凝土、水泥、水、砂、石子、空氣的體積,則有:
(4-32)
若以C0、W0、S0、G0分別表示1m3混凝土中水泥、水、砂、石子的用量(kg),以分別表示水、水泥的密度和砂、石子的表觀密度(g/cm3),10 表示混凝土中空氣體積,則上式可改為:
(4-33)
式中, 為混凝土含氣量百分率(%),在不使用引氣型外加劑時(shí),可取a=1。
2. 重量法基本原理。重量法基本原理為混凝土的總重量等于各組成材料重量之和。當(dāng)混凝土所用原材料和三項(xiàng)基本參數(shù)確定后,混凝土的表觀密度(即1m3混凝土的重量)接近某一定值。若預(yù)先能假定出混凝土表觀密度,則有:
(4-34)
式中為1m3為混凝土的重量(kg),即混凝土的表觀密度??筛鶕?jù)原材料、和易性、強(qiáng)度等級(jí)等信息在2350~2450kg/m3之間選用。
混凝土配合比設(shè)計(jì)中砂、石料用量指的是干燥狀態(tài)下的重量。水工、港工、交通系統(tǒng)常采用飽和面干狀態(tài)下的重量。
四、混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟
混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟為:首先根據(jù)原始技術(shù)資料計(jì)算“初步計(jì)算配合比”;然后經(jīng)試配調(diào)整獲得滿足和易性要求的“基準(zhǔn)配合比”;再經(jīng)強(qiáng)度和耐久性檢驗(yàn)定出滿足設(shè)計(jì)要求、施工要求和經(jīng)濟(jì)合理的“試驗(yàn)室配合比”;最后根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)砂、石料的含水率換算成“施工配合比”。
(一)初步計(jì)算配合比計(jì)算步驟
1.計(jì)算混凝土配制強(qiáng)度( )。
(4-35)
2.根據(jù)配制強(qiáng)度和耐久性要求計(jì)算水灰比(W/C)。
(1)根據(jù)強(qiáng)度要求計(jì)算水灰比。
由式: ,則有:
(2)根據(jù)耐久性要求查表4-18,得最大水灰比限值。
(3)比較強(qiáng)度要求水灰比和耐久性要求水灰比,取兩者中的最小值。
3.根據(jù)施工要求的坍落度和骨料品種、粒徑、由表4-12選取每立方米混凝土的用水量(W0)。
4.計(jì)算每立方米混凝土的水泥用量(C0)。
(1)計(jì)算水泥用量:
(2)查表4-18,復(fù)核是否滿足耐久性要求的最小水泥用量,取兩者中的較大值。
5.確定合理砂率(Sp)。
(1)可根據(jù)骨料品種、粒徑及W/C查表4-13選取。實(shí)際選用時(shí)可采用內(nèi)插法,并根據(jù)附加說(shuō)明進(jìn)行修正。
(2)在有條件時(shí),可通過(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)砂率。
6.計(jì)算砂、石用量(S0、G0),并確定初步計(jì)算配合比。
(1)重量法:
(4-36)
(2)體積法:
(4-37)
(3)配合比的表達(dá)方式:
① 根據(jù)上述方法求得的C0、W0、S0、G0,直接以每立方米混凝土材料的用量(kg)表示。
② 根據(jù)各材料用量間的比例關(guān)系表示:C0:S0:G0=1:S0/C0:G0/C0,再加上W/C值。
(二)基準(zhǔn)配合比和試驗(yàn)室配合比的確定
初步計(jì)算配合比是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)圖表估算而得,因此不一定符合實(shí)際情況,必經(jīng)通過(guò)試拌驗(yàn)證。當(dāng)不符合設(shè)計(jì)要求時(shí),需通過(guò)調(diào)整使和易性滿足施工要求,使W/C滿足強(qiáng)度和耐久性要求。
1.和易性調(diào)整——確定基準(zhǔn)配合比。根據(jù)初步計(jì)算配合比配成混凝土拌合物,先測(cè)定混凝土坍落度,同時(shí)觀察粘聚性和保水性。如不符合要求,按下列原則進(jìn)行調(diào)整:
(1)當(dāng)坍落度小于設(shè)計(jì)要求時(shí),可在保持水灰比不變的情況下,增加用水量和相應(yīng)的水泥用量(水泥漿)。
(2)當(dāng)坍落度大于設(shè)計(jì)要求時(shí),可在保持砂率不變的情況下,增加砂、石用量(相當(dāng)于減少水泥漿用量)。
(3)當(dāng)粘聚性和保水性不良時(shí)(通常是砂率不足),可適當(dāng)增加砂用量,即增大砂率。
(4)當(dāng)拌合物顯得砂漿量過(guò)多時(shí),可單獨(dú)加入適量石子,即降低砂率。
在混凝土和易性滿足要求后,測(cè)定拌合物的實(shí)際表觀密度( ),并按下式計(jì)算每1m3混凝土的各材料用量——即基準(zhǔn)配合比:
令:A=C拌+W拌+S拌+G拌
則有:
(4-38)
式中:
A——試拌調(diào)整后,各材料的實(shí)際總用量(kg);
——混凝土的實(shí)測(cè)表觀密度(kg/m3);
C拌、W拌、S拌、G拌——試拌調(diào)整后,水泥、水、砂子、石子實(shí)際拌合用量(kg);
Cj、Wj、Sj、Gj——基準(zhǔn)配合比中1m3混凝土的各材料用量(kg)。
如果初步計(jì)算配合比和易性完全滿足要求而無(wú)需調(diào)整,也必須測(cè)定實(shí)際混凝土拌合物的表觀密度,并利用上式計(jì)算Cj、Wj、Sj、Gj。否則將出現(xiàn)“負(fù)方”或“超方”現(xiàn)象。亦即初步計(jì)算1m3混凝土,在實(shí)際拌制時(shí),少于或多于1m3。當(dāng)混凝土表觀密度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差的絕對(duì)值不超過(guò)計(jì)算值的2%時(shí),則初步計(jì)算配合比即為基準(zhǔn)配合比,無(wú)需調(diào)整。
2.強(qiáng)度和耐久性復(fù)核——確定試驗(yàn)室配合比。根據(jù)和易性滿足要求的基準(zhǔn)配合比和水灰比,配制一組混凝土試件;并保持用水量不變,水灰比分別增加和減少0.05再配制二組混凝土試件,用水量應(yīng)與基準(zhǔn)配合比相同,砂率可分別增加和減少1%。制作混凝土強(qiáng)度試件時(shí),應(yīng)同時(shí)檢驗(yàn)混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性、保水性和表觀密度,并以此結(jié)果代表相應(yīng)配合比的混凝土拌合物的性能。
三組試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天,測(cè)定抗壓強(qiáng)度,以三組試件的強(qiáng)度和相應(yīng)灰水比作圖,確定與配制強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的灰水比,并重新計(jì)算水泥和砂石用量。當(dāng)對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性指標(biāo)有要求時(shí),則制作相應(yīng)試件進(jìn)行檢驗(yàn)。強(qiáng)度和耐久性均合格的水灰比對(duì)應(yīng)的配合比,稱為混凝土試驗(yàn)室配合比。計(jì)作C、W、S、G。
(三)施工配合比
試驗(yàn)室配合比是以干燥(或飽和面干)材料為基準(zhǔn)計(jì)算而得,但現(xiàn)場(chǎng)施工所用的砂、石料常含有一定水分,因此,在現(xiàn)場(chǎng)配料前,必須先測(cè)定砂石料的實(shí)際含水率,在用水量中將砂石帶入的水扣除,并相應(yīng)增加砂石料的稱量值。設(shè)砂的含水率為a%;石子的含水率為b%,則施工配合比按下列各式計(jì)算:
[例4-4] 某框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械攪拌,機(jī)械振搗成型,混凝土坍落度要求為50~70mm,并根據(jù)施工單位的管理水平和歷史統(tǒng)計(jì)資料,混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差 取4.0MPa。所用原材料如下:
水泥:普通硅酸鹽水泥32.5級(jí),密度 =3.1,水泥強(qiáng)度富余系數(shù)Kc=1.12;
砂:河砂Mx=2.4,Ⅱ級(jí)配區(qū), =2.65g/cm3;
石子:碎石,Dmax=40mm,連續(xù)級(jí)配,級(jí)配良好, =2.70g/cm3;
水:自來(lái)水。
求:混凝土初步計(jì)算配合比。
[解] 1. 確定混凝土配制強(qiáng)度( )。
=+1.645a =30+1.645×4.0=36.58(MPa)
2. 確定水灰比(W/C)。
(1)根據(jù)強(qiáng)度要求計(jì)算水灰比(W/C):
(2)根據(jù)耐久性要求確定水灰比(W/C):
由于框架結(jié)構(gòu)混凝土梁處于干燥環(huán)境,對(duì)水灰比無(wú)限制,故取滿足強(qiáng)度要求的水灰比即可。
3. 確定用水量(W0)。
查表4-12可知,坍落度55~70mm時(shí),用水量185kg;
4. 計(jì)算水泥用量(C0)。
根據(jù)表4-18,滿足耐久性對(duì)水泥用量的最小要求。
5.確定砂率(Sp)。
參照表4-13,通過(guò)插值(內(nèi)插法)計(jì)算,取砂率Sp=32% 。
6.計(jì)算砂、石用量(S0、G0)。
采用體積法計(jì)算,因無(wú)引氣劑,取a=1。
解上述聯(lián)立方程得:S0=577kg; G0=1227kg。
因此,該混凝土初步計(jì)算配合為:C0=411kg,W0=185kg,S0=577kg,G0=1227kg?;蛘撸篊:S:G=1:1.40:2.99,W/C=0.45
[例4-5] 承上題,根據(jù)初步計(jì)算配合比,稱取12L各材料用量進(jìn)行混凝土和易性試拌調(diào)整。測(cè)得混凝土坍落度T=20mm,小于設(shè)計(jì)要求,增加5%的水泥和水,重新攪拌測(cè)得坍落度為65mm,且粘聚性和保水性均滿足設(shè)計(jì)要求,并測(cè)得混凝土表觀密度kg/m3,求基準(zhǔn)配合比。又經(jīng)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn),恰好滿足設(shè)計(jì)要求,已知現(xiàn)場(chǎng)施工所用砂含水率4.5%,石子含水率1.0%,求施工配合比。
[解] 1. 基準(zhǔn)配合比:
(1)根據(jù)初步計(jì)算配合比計(jì)算12L各材料用量為:
C=4.932kg,W=2.220kg,S=6.92kg,G=14.72kg
(2)增加5%的水泥和水用量為:
ΔC=0.247kg,ΔW=0.111kg
(3)各材料總用量為;
A=(4.932+0.247)+(2.220+0.111)+6.92+14.92=29.35(kg)
(4)根據(jù)式(4-38)計(jì)算得基準(zhǔn)配合比為:Cj=422,Wj=190,Sj=564,Gj=1215。
2.施工配合比:
根據(jù)題意,試驗(yàn)室配合比等于基準(zhǔn)配合比,則施工配合比為:
C=Cj=422kg
S=564×(1+4.5%)=589kg
G=1215×(1+1%)=1227kg
W=190-564×4.5%-1215×1%=152kg
[例4-6] 承上題求得的混凝土基準(zhǔn)配合比,若摻入減水率為18%的高效減水劑,并保持混凝土落度和強(qiáng)度不變,實(shí)測(cè)混凝土表觀密度ρh=2400kg/m3。求摻減水劑后混凝土的配合比。1m3混凝土節(jié)約水泥多少千克?
[解] (1)減水率18%,則實(shí)際需水量為:
W=190-190×18%=156kg
(2)保持強(qiáng)度不變,即保持水灰比不變,則實(shí)際水泥用量為:
C=156/0.45=347kg
(3)摻減水劑后混凝土配合比如下:
各材料總用量=347+156+564+1215=2282
∴ 實(shí)際每立方米混凝土節(jié)約水泥:422-365=57kg。
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