現(xiàn)代多組分混凝土理論

北京城建混凝土技術(shù)研究所北京靈感科技發(fā)展有限責(zé)任公司朱效榮教授任務(wù)來(lái)源：自選項(xiàng)目起始日期：2004年10月完成時(shí)間：2006年10月技術(shù)內(nèi)容1、技術(shù)背景2、多組分混凝土強(qiáng)度理論3、多組分混凝土配比設(shè)計(jì)模型4、混凝土塑性裂縫控制5、混凝土結(jié)構(gòu)缺陷控制6、專(zhuān)家鑒定意見(jiàn)7、項(xiàng)目總結(jié)技術(shù)背景

隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，混凝土的需求越來(lái)越大，帶動(dòng)了混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，施工技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)混凝土提出了更高要求，混凝土外加劑和礦物摻和料已經(jīng)大量使用。

傳統(tǒng)觀念下配制混凝土?xí)r水泥的選用要比混凝土高一個(gè)標(biāo)號(hào)，粉煤灰及礦渣粉等礦物摻和料用量不能超過(guò)規(guī)定比例的原則，在現(xiàn)實(shí)混凝土生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)失去了指導(dǎo)意義。因此研究和建立新的混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算理論是當(dāng)前混凝土業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要課題我們于2000年開(kāi)始本項(xiàng)目的研究。總體思路在四組分混凝土生產(chǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上將國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家提出的微集料填充效應(yīng)、密實(shí)度等在設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)量化。將混凝土的工作性、耐久性、強(qiáng)度與各種原材料技術(shù)參數(shù)之間建立對(duì)應(yīng)的量化關(guān)系。多組分混凝土強(qiáng)度理論的建立1、混凝土理論回顧從20世紀(jì)水泥大量應(yīng)用于混凝土實(shí)踐以來(lái)，先后提出了多種假設(shè)和理論，具體來(lái)說(shuō)有以下幾種：（1）水灰比強(qiáng)度公式：1918年艾布拉姆斯（D.A.Abrams）建立了水灰比強(qiáng)度公式。

fC28=K1/K2W/C

1930年瑞典學(xué)者鮑羅米（Belomy）提出了混凝土的強(qiáng)度與水泥標(biāo)號(hào)及水灰比之間的關(guān)系式：fC28=AfCe［（C/W）-B］

（2）Powers的膠空比理論

fC=AXn

（3）、晶體理論導(dǎo)出的材料理論抗拉強(qiáng)度值fcmax=√Eγ/γ0

（4）格里菲斯脆性斷裂理論A.A.Griffith提出如下公式：σf=√2Eγ/∏a

以上四種混凝土的強(qiáng)度理論從不同角度提出了降低孔隙率，增加密實(shí)度，增大膠空比，提高彈性模量，減少缺陷和微裂縫是增強(qiáng)的途徑。從中可以看到，這些強(qiáng)度理論之間有著本質(zhì)的聯(lián)系。2、多組分混凝土強(qiáng)度理論數(shù)學(xué)模型的建立在吸取：膠空比理論、鮑羅米公式和脆性斷裂理論三者精華的基礎(chǔ)上，我們提出并建立了多組分混凝土強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型。混凝土強(qiáng)度與水泥理論強(qiáng)度成正比例、與摻和料的填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率成正比例、與漿體的密實(shí)度成正比例。

即：

式中：f------混凝土強(qiáng)度σf------硬化砂漿理論強(qiáng)度α-----膠凝材料用量系數(shù)，α=B/1000B=α1C+α2F+α3Kα1、α2、α3---分別為水泥、粉煤灰、礦粉的活性指數(shù)u-----膠凝材料填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率u=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)m=(W0/W-0.27)m----硬化砂漿的密實(shí)度；W0=0.23×CW0--------膠凝材料水化理論用水量;W=0.23×C+0.5×TW--------膠凝材料拌合用水量；

這一公式是當(dāng)今多組份混凝土強(qiáng)度計(jì)算和配合比設(shè)計(jì)的通用公式，當(dāng)混凝土原材料只使用水泥、砂、石和水四組份時(shí)，該公式簡(jiǎn)化為：f=σf(0.23×C

/W-0.27)即符合水灰比決定強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。多組分混凝土

配比設(shè)計(jì)模型的建立

多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)體積組成模型示意圖1、多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟1.1、確定配制強(qiáng)度：多組分混凝土的配制強(qiáng)度按現(xiàn)行規(guī)范fcu.p=fcu.o+1.645σ確定。不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土σ取值表1.2、膠凝材料用量的確定

根據(jù)以上公式求得水泥用量C：

C=〔0.5T×（0.27×σ+f）〕/〔0.23×（0.73×σ-f）〕

1.3、摻和料用量的確定水泥用量、粉煤灰用量、礦粉用量、硅粉用量C=B=α1C+α2F+α3K+α4SiC=u1C+u2F+u3K+α4Si300≤C+F+K+Si≤600

1.4、減水劑及用水量的確定（1）外加劑摻量的確定x＝(f/50)％（2）用水量的確定

W=W１×β×(1-n)

1.5、砂子用量的確定砂子體積：Vs=0.6046×V1×/0.3954

1.6、石子用量的確定石子體積Vg=1000-(VC+VF+VK+VSi+Va+Vs+Vw)石子用量G=ρg×Vg2、多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)（1）具有較寬的適應(yīng)范圍。（2）充分體現(xiàn)了礦物摻合料和化學(xué)外加劑的作用。（3）保持較穩(wěn)定的漿體體積率。

混凝土塑性裂縫控制

1、裂縫成因分析（1）、結(jié)構(gòu)荷載裂縫（2）、環(huán)境條件裂縫（3）、原材及配合裂縫（4）、施工裂縫

2.1、毛細(xì)管微泵開(kāi)裂理論混凝土經(jīng)過(guò)一次抹壓，在表面形成上部彎曲的毛細(xì)管，水分沿毛細(xì)管上升至表面，由于表面張力的作用以很小的液滴存在，當(dāng)溫度較高或有風(fēng)時(shí)，水滴掉下或蒸發(fā)，水分沿毛細(xì)管上升，補(bǔ)充到原位置。依次循環(huán)，毛細(xì)管就象一個(gè)微型水泵一樣，將水份源源不斷地帶走,導(dǎo)致塑性混凝土開(kāi)裂，即毛細(xì)管微泵開(kāi)裂機(jī)理。根據(jù)以上機(jī)理，在施工工藝方面提出了切斷塑性混凝土毛細(xì)管進(jìn)行二次抹壓的最佳時(shí)間計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)有效控制塑性混凝土開(kāi)裂。2.2、混凝土即使抹壓時(shí)間的確定在正常施工養(yǎng)護(hù)的條件下，尋找最佳的抹壓時(shí)間，破壞毛細(xì)管微泵，阻止水分上升，防止水分蒸發(fā)，預(yù)防由于內(nèi)部水分遷移引起的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，是預(yù)防混凝土自收縮形成裂縫的關(guān)鍵。抹壓的主要作用：1、消除混凝土的表面缺陷2、提高混凝土表層的密實(shí)度3、破壞毛細(xì)管微泵，阻止混凝土內(nèi)水分上升，減緩了混凝土內(nèi)水分遷移蒸發(fā)的速度，預(yù)防混凝土的開(kāi)裂。

根據(jù)以上的機(jī)理，建立了水泥初凝時(shí)間、環(huán)境溫度和混凝土出機(jī)時(shí)間等因素與抹壓破壞毛細(xì)管微泵防止裂縫最佳時(shí)間之間的數(shù)學(xué)是關(guān)式。

Tm=Tco+(Ts—Tco)×（t0-t）/t0

建委專(zhuān)家鑒定結(jié)論組織單位：北京市建委專(zhuān)家組主任：中國(guó)工程院孫偉院士鑒定時(shí)間：2006年10月23日技術(shù)水平：屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)際先進(jìn)。（1）建立了多組份混凝土強(qiáng)度理論數(shù)學(xué)模型，該模型綜合考慮了原材料技術(shù)參數(shù)對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性的影響，滿(mǎn)足了多組份混凝土配合比設(shè)計(jì)的要求。（2）通過(guò)大量試驗(yàn)提出了：當(dāng)粗集料壓碎值≤8%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度主要取決于砂漿強(qiáng)度、膠凝材料填充強(qiáng)度貢獻(xiàn)率及密實(shí)度的新觀點(diǎn)。（3）上述模型及新觀點(diǎn)適用于各種多組份混凝土配合比設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到混凝土配合比設(shè)計(jì)中水泥、摻和料、砂、石、外加劑和拌合用水量等組成材料的準(zhǔn)確計(jì)算公式,確定了混凝土各組份與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的定量關(guān)系，提高了多組份混凝土配合比設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。（4）提出了混凝土塑性階段毛細(xì)管微泵開(kāi)裂機(jī)理，建立了水泥初凝時(shí)間與混凝土最佳二次抹壓時(shí)間和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)曲線，有效地預(yù)防了混凝土塑性裂縫的產(chǎn)生。項(xiàng)目總結(jié)技術(shù)創(chuàng)新程度本項(xiàng)目在解決多組分混凝土強(qiáng)度理論和配合比設(shè)計(jì)方面,是混凝土行業(yè)重要的一項(xiàng)創(chuàng)新，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上得到了同行的認(rèn)可，使混凝土技術(shù)由實(shí)踐驗(yàn)證型向數(shù)字計(jì)算型發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)程度與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)相比，本項(xiàng)技術(shù)突破了國(guó)內(nèi)外多組分混凝土研究的技術(shù)瓶頸，將微集料填充效應(yīng)和混凝土的密實(shí)度在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了量化。推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的作用本項(xiàng)技術(shù)對(duì)促進(jìn)行業(yè)快速發(fā)展、合理利用自然資源、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)混凝土具有重要的推動(dòng)作用，主要表現(xiàn)在三方面：1、理論的系統(tǒng)化方面，出版專(zhuān)著《綠色高性能混凝土》、《現(xiàn)代多組分混凝土理論》、《混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)和推定》《多組分混凝土配合比速查手冊(cè)》，由于理論與實(shí)際結(jié)合緊密，在技術(shù)層面形成了很大的推廣基礎(chǔ)。

2、生產(chǎn)應(yīng)用方面，經(jīng)過(guò)建設(shè)部和個(gè)直轄市建委組織培訓(xùn)，國(guó)內(nèi)已有2000家左右的混凝土公司技術(shù)人員接受了本研究理論培訓(xùn)，并且應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。3、在科研教學(xué)方面，國(guó)內(nèi)已有45個(gè)科研院所提出與我們進(jìn)行后續(xù)理論的完善和相關(guān)理論技術(shù)的推廣工作，33所高校選用這幾本書(shū)作為碩士研究生教材。技術(shù)成果轉(zhuǎn)化程度本項(xiàng)目已經(jīng)被國(guó)家建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)在《早期推定混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》兩部標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)中引用其為標(biāo)準(zhǔn)制定的理論依據(jù)之一。已獲得的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益工程應(yīng)用1、北京奧運(yùn)五棵松體育中心和老山自行車(chē)館清水混凝土得到成功的應(yīng)用。2、京津快速鐵路橋混凝土配比設(shè)計(jì)和塑性裂縫控制中成功應(yīng)用。3、紫金長(zhǎng)安住宅小區(qū)混凝土配比設(shè)計(jì)和塑性裂縫控制中成功應(yīng)用。4、北京卷煙廠混凝土主體結(jié)構(gòu)配比設(shè)計(jì)和塑性裂縫控制中成功應(yīng)用。5、寧海