本發(fā)明屬于混凝土配制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠充分利用各組分材料性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。該方法能夠充分利用硬化砂漿和粗骨料的力學(xué)性能，并通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，使制備的混凝土不但滿足強(qiáng)度要求，還具有良好的經(jīng)濟(jì)性。
背景技術(shù)：
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混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)形式。建造混凝土結(jié)構(gòu)的前提是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，故合適的配合比設(shè)計(jì)方法顯得尤為重要。各國(guó)大都制定了相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等，如美國(guó)的ACI 211.1，即Standard Practice for Selecting Proportions for Normal,Heavyweight,and Mass Concrete，加拿大的CSA A23.1-94，即Concrete Materials and Methods of Concrete Construction，我國(guó)也根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，制定了一些國(guó)家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如：JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》等。通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)，這些配合比設(shè)計(jì)方法均是以強(qiáng)度、耐久性等性能為目標(biāo)，用某些經(jīng)驗(yàn)公式得到各組分用量，這在一定程度上滿足了當(dāng)前工程建設(shè)的需要。但是，已有的配合比設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有考慮材料的充分利用問(wèn)題。檢索散見于公開發(fā)表文獻(xiàn)中的混凝土破壞照片可以發(fā)現(xiàn)，其斷裂面大部分未穿過(guò)粗骨料，換言之，在混凝土破壞時(shí)粗骨料仍是完整的，粗骨料并未得到充分利用。目前全世界每年使用的混凝土達(dá)幾十億立方米，每立方米混凝土平均需要大約一千千克的粗骨料，這勢(shì)必造成極大的粗骨料浪費(fèi)。另外，現(xiàn)有的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)超高強(qiáng)混凝土和超低密度混凝土?xí)r遇到了困難。本發(fā)明試圖改變這些現(xiàn)狀，為混凝土工業(yè)界提供一種新的配合比設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種能夠充分利用各組分材料性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，以充分利用硬化砂漿和粗骨料的力學(xué)性能，并通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。
本發(fā)明所提供的一種能夠充分利用各組分材料性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：
(1)根據(jù)需配制的混凝土的強(qiáng)度要求，選擇粗骨料的品種，使混凝土抗壓強(qiáng)度與粗骨料抗壓強(qiáng)度之比介于0.9～1.1之間。
(2)測(cè)試粗骨料的劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)at，將粉碎前的巖石制成立方體或圓柱體，測(cè)試其劈裂抗拉強(qiáng)度。
(3)試配砂漿，使砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度與粗骨料的劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)at之比介于0.9～1.1之間；試配砂漿時(shí)采用的膠凝材料包括普通硅酸鹽水泥和礦物摻和料。砂漿的膠砂比為0.5～3.0，砂漿水膠比由現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式確定，此時(shí)的砂漿水膠比為初始水膠比，初始水膠比為0.16～0.55。
(4)試拌混凝土，先將粗骨料放入攪拌機(jī)，再將水膠比0.2～0.3的硅灰凈漿加入，硅灰凈漿用量以使粗骨料表面均勻覆蓋一層厚度為0.3mm～0.7mm的漿體為準(zhǔn)，以增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)；然后加入步驟(3)制得的砂漿，漿集比(即砂漿用量/粗集料用量)為0.2～0.9，攪拌至現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范規(guī)定的時(shí)間，成型邊長(zhǎng)150mm的立方體混凝土試塊。必要時(shí)加入高效減水劑，使新拌混凝土的工作性能滿足要求；高效減水劑的用量以坍落度試驗(yàn)為準(zhǔn)。
(5)將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期，進(jìn)行劈裂抗拉測(cè)試；觀察劈裂斷裂面是否穿過(guò)斷裂面暴露的所有粗骨料，若未穿過(guò)，則將所述砂漿的初始水膠比降低0.02～0.04，重復(fù)步驟(4)～步驟(5)，直至劈裂斷裂面穿過(guò)所有粗骨料，此時(shí)的水膠比即為所述砂漿的最終水膠比。
(6)根據(jù)上述步驟得到的水膠比、膠砂比、漿集比計(jì)算得到各組分比例，即為混凝土的最終配合比。
本發(fā)明基于組分等強(qiáng)觀念，其突出優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)使用本方法設(shè)計(jì)制備的混凝土破壞時(shí)硬化砂漿和粗骨料均破壞，故兩種材料都得到了充分利用。
(2)通過(guò)在粗骨料表面預(yù)先裹覆硅灰凈漿，大大提高了界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能和耐久性能。
(3)使用本方法可以設(shè)計(jì)制備超高強(qiáng)度混凝土。
(4)使用本方法可以設(shè)計(jì)制備超低密度混凝土。
(5)本方法需進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，與現(xiàn)有文獻(xiàn)公開的復(fù)雜方法相比，仍屬于相對(duì)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的方法。
具體實(shí)施方式：
實(shí)施例1：一種能夠充分利用各組分材料性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，要求：利用常規(guī)材料配制C120級(jí)超高強(qiáng)混凝土。該C120級(jí)超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：
(1)選擇一種花崗巖材質(zhì)的粗骨料，該粗骨料抗壓強(qiáng)度為120MPa。
(2)使用抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，得到該粗骨料的劈裂抗拉強(qiáng)度為11MPa。
(3)試配砂漿。膠凝材料體系為P.O52.5普通硅酸鹽水泥和硅灰，硅灰用量為膠凝材料用量的10％；初始水膠比為0.24，測(cè)得28天砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度為10.8MPa。
(4)試配混凝土。將20千克粗骨料放入攪拌機(jī)，將水膠比為0.25的硅灰凈漿倒入，直至粗骨料被硅灰凈漿完全包裹；加入砂10.8千克，水泥12.7千克，硅灰1.4千克，水3.38千克，減水劑若干，制作150mm邊長(zhǎng)的立方體混凝土試塊。
(5)將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期，進(jìn)行劈裂抗拉測(cè)試，發(fā)現(xiàn)劈裂斷裂面未穿過(guò)粗骨料，將水膠比調(diào)至0.24-0.03＝0.21，重復(fù)步驟(4)和步驟(5)，用水量相應(yīng)調(diào)整為0.21*(12.7+1.4)＝2.96千克，發(fā)現(xiàn)劈裂破壞面穿過(guò)粗骨料。
(6)最終各組分的質(zhì)量用量之比為12.7(水泥)：1.4(硅灰)：2.96(水)：10.8(砂)：20(粗骨料)。測(cè)試得到抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為125MPa，滿足要求。
實(shí)施例2：一種能夠充分利用各組分材料性能的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，要求配制超低密度混凝土。該超低密度混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：
(1)選擇粉煤灰陶粒作為粗骨料，該粗骨料筒壓強(qiáng)度為4.2MPa，有效強(qiáng)度為21MPa，表觀密度為1150kg/m3。
(2)使用抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，得到該粗骨料的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.2MPa。
(3)試配砂漿。膠凝材料體系為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥和一級(jí)粉煤灰，P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥與一級(jí)粉煤灰用量之比為2.5:1。發(fā)泡劑為SH-1261型泡沫混凝土專用發(fā)泡劑，其用量與膠凝材料用量之比為1:1400。初始水膠比為0.4，測(cè)得28天砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度為2.2MPa。
(4)試配混凝土。將10千克粗骨料放入攪拌機(jī)，將水膠比為0.25的硅灰凈漿倒入，直至粗骨料被硅灰凈漿完全包裹。加入陶砂7.5千克，水泥12.5千克，粉煤灰5千克，水7千克，減水劑若干，制作150mm邊長(zhǎng)的立方體混凝土試塊。
(5)將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期，進(jìn)行劈裂抗拉測(cè)試，發(fā)現(xiàn)劈裂斷裂面未穿過(guò)粗骨料，將水膠比調(diào)至04-0.03＝0.37，重復(fù)步驟(4)和步驟(5)，用水量相應(yīng)調(diào)整為0.37*(12.5+5)＝6.48千克，發(fā)現(xiàn)劈裂破壞面穿過(guò)粗骨料。
(6)確定最終各組分的用量之比為12.5(水泥)：5(粉煤灰)：6.48(水)：7.5(陶砂)：10(粗骨料)：0.0125(發(fā)泡劑)；測(cè)試得到的超低密度混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20MPa，密度為1360kg/m3。