中法混凝土配合比设计对比和结果分析

文摘 2024-11-21 07:03 河南

1前言

近年来，越来越多的中国建筑施工企业走出国门，开拓海外市场。在非洲市场上，由于采用试验规范标准和语言文字理解上存在差异，在一定程度上给试验技术人员带来困难；而且，水泥混凝土的配合比设计在法国规范和中国规范存在差异“配合比设计”主要是确定混凝土中各组成材料的用量，即1m³混凝土各成分的质量。以单位kg/m³表示。我国长期沿用前苏联的水泥混凝土配合比设计方法，继承了保罗米(Bolomey)强度理论，并在实践中采用试验配合的方法。下面就法国规范的配合比设计方法结合阿尔及利亚ARZEW南码头重建工程与国内的《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)设计方法进行对比和分析。

2法国水泥混凝土配合比设计方法

2.1混凝土强度计算理论

法国水泥混凝土配合比设计中的强度计算理论，仍然继承了保罗米强度理论，但对有些参数赋予了新的定义，其计算公式为：

2.2水泥混凝土和易性

水泥混凝土和易性，主要用坍落度指标来衡量。

配合比设计者依据混凝土的用途，如工程结构特性要求、施工工艺、配筋疏密程度等因素，按表2确定混凝土的状态与相应的坍落度，以满足施工要求。

2.3水泥用量的确定

水泥用量既是水泥混凝土配合比设计中的一个技术指标，也是一个重要的经济指标。

在进行配合比设计时，首先按公式(1)计算出灰水比，然后按表2确定混凝土的坍落度，再依据已知的灰水比和坍落度查图1，内插计算出每立方米混凝土的水泥用量kg/m³。

2.4用水量的确定

水泥用量确定后，根据已知的灰水比计算得出每立方米混凝土的用水量(图2)。但这个用水量是相对于粗集料粒径D=25mm的混凝土的标准用水量，如果使用D<25mm的集料，则因骨料的比表面积增加，在相同的混凝土状态下，就应适当增加用水量，反之亦然。

2.5水泥混凝土骨料级配组成设计

法国水泥混凝土骨料级配理论采用的是间断级级配理论，其骨料包括砂的组成比例，采用图3所示的方法确定。图中横坐标为骨料粒径及与之对应的筛孔模数，纵坐标为骨料通过率。

2.5.1标准级配曲线

如图3所示，标准级配曲线由图中细实线0.A.B组成，0点为坐标原点、B点为最大粗集料粒径所对应的通过率为100％的点、A点为级配的间断点，其坐标确定方法如下：

(1)横坐标A_x，当最大粒径D≤20mm时，A_x=D/2；当D>20mm，A_x=(38+D对应的模数)/2。

(2)纵坐标A_y，按下式进行计算：

式中：

D——集料最大粒径(mm)；

K——与振捣密实程度、骨料特性、水泥用量相关的系数，按表3查得；

K_p——与混凝土坍落度相关的系数，泵送混凝土要求的坍落度大，可按K_p=4～8进行取值，其它混凝土的坍落度可近似取值为零；

K_s——与砂细度模数尬相关的修正系数，Ks=6M_f－15，

A点坐标确定后，就可以将OAB折线绘制在图3上.得出标准曲线。

2.5.2水泥混凝土集料级配组成比例

水泥混凝土一般由一种砂和一种或两种规格的碎石进行级配组成设计。图3为0/5mm的砂、5/20mm和25/50mm两种规格的碎石组成比例图解。其图解的方法和步骤如下：

(1)先将三种材料的筛分通过率绘制在图3上，分别得到S、G₁、G₂三条曲线；

(2)找出G₂线上通过率为5％的点和G₁线上通过率为95％的点，过此两点作直线，得到与OAB标准曲线的交点.从交点读取的筛余百分率即为碎石G₂的掺配重量百分比，P_G2=40％；

(3)找出G线上通过率为5％的点和线上通过率为95％的点，过此两点作直线，得到与OAB标准曲线的交点，从交点读取的筛余率即为的掺配重量百分比，P_s=33％，那么碎石G₁的掺配重量百分比P_G1=100％－40％－33％=27％。

2.5.3水泥混凝土的密度系数y

《混凝土指南》一书中，将1m³混凝土中所含的固体物质(水泥及集料)的绝对体积定义为密度系数，密度系数随骨料最大粒径D、坍落度、振捣强度的变化而变化，如表4所示。

该密度系数γ的变化范围在0.750～0.855之间，但该表的γ值系砾石与河砂组成的集料，对于碎石与河砂组成的集料，密度系数需减去0.01；对于碎石与机制砂组成的集料，密度系数则减去0.03。

2.5.4水泥混凝土重量配合比计算

前面已经确定了水泥用量、用水量、骨料组成的重量百分比和密度系数，根据这些参数和材料的密度指标，就可以按以下方法计算水泥混凝土各种材料的重量配合比。

3分别按中法规范设计混凝土配合比

3.1混凝土质量要求及材料参数

要求坍落度ST=2.5～6cm，混合集料粒度为0/D=0/25，采用CPJ-CEMⅡ/A42.5水泥(σ_c´=42.5MPa)，配置Ⅰ字块混凝土配合比(28d圆柱体；ɸ160mm×320mm，抗压强度=26.5MPa)。工程实际应用的材料参数如下：

①水泥密度为3.1g/cm³，7d抗压强度32.3MPa，28d抗压强度43.2MPa：

②粗碎石规格为15～25mm，表观密度2.664g/cm^{3，堆积密度1}.360g/cm³；

③中碎石规格为8～15mm，表观密度2.641g/cm^{3，堆积密度1}.399g/cm³；

④细碎石规格为3～8mm，表观密度2.658g/cm³，堆积密度1.360g/cm³；

⑤砂细度模数为M_f=1.8，表观密度2.705g/cm³，堆积密度1.342g/cm³；

⑥外加剂为SIKA减水剂PLASTI-MENTBV-40，减水率10％，推荐掺量0.3％～1.0％：

⑦搅拌用水为饮用水。

3.2按法国规范计算配合比

3.2.1灰水比计算

先确定下列参数：

将上述参数代人公式(1)，移项后计算得到灰水比：

3.2.2水泥用量

依据计算得到的灰水比和施工要求的坍落度，查图1确定每立方米混凝土的水泥用量为C=380kg。

3.2.4用水量

每立方米混凝土的用水量：=380/1.94=196(kg)。

D=25mm，用水量不需调整。

考虑外加剂减水率10％，每立方混凝土的用水量调整为176kg。水泥用量调整为342kg。

3.2.5标准曲线与集料级配组成比例

按前述方法。先将3种碎石和砂的筛分结果绘制成图：然后计算并绘制OAB标准曲线在同一图上，如图4所示；最后用图解的方法确定所用集料的组成比例。

(1)A点坐标的确定

按2.5.1所述的计算方法，确定A点的坐标为：

(2)集料级配组成比例

利用图4。运用图解的方法，确定所用集料的组成比例为：

粗碎石：P_G3=36％

中碎石：P_G2=23％

细碎石：P_G1=996

砂：P_s=32％

3.2.6混凝土配合比

(1)按公式(3)计算1m³混凝土中骨料的总体积V：

(2)按公式(5)计算1m³混凝土中各种材料的掺配用量：

粗碎石：W_G3=719x0.36x2.664=690(kg)

中碎石：W_G2=719x0.23x2.641=437(kg)

细碎石：W_G1=719x0.09x2.658=172(kg)

砂：W_S=719x0.32x2.705=622(kg)

水泥：C=342(kg)

水：E=176(kg)

掺入1％(水泥用量)外加剂试拌后，用水量调整为165kg。

3.3按国内规范《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)计算配合比

3.3.1试配强度及相应的水灰比

f_cu,0=f_cu,k+1.645σ=30+1.645×5.0=38.2(MPa)

W/C=ɑ_a·f_ce/(f_cu,0+ɑ_a·ɑ_b·f_ce)

=0.46×43.2／(38.2+0.46×0.07×43.2)=0.50。

3.3.2用水量

查表内插计算的到用水量m_w0=204kg，掺外加剂后的用水量m_w0=204×(1—0.10)=184kg。

3.3.3砂率

根据细度模数和以往经验，砂率取35％。

3.3.4三级配碎石各组分

各规格碎石筛分结果见表5。

经计算，确定碎石按G₃：G₂：G₁=5：3：2比例混合，级配良好。

3.3.5采用体积法计算1m³混凝土中

各种材料的掺配用量按下列公式计算：

代入各参数后计算得到：

粗碎石：W_G3=1194×0.5=597(kg)

中碎石：W_G2=l194×0.30=358(kg)

细碎石：W_G1=1194×0.2=239(kg)

砂：W_S=643(kg)

水泥：C=368(kg)

水：E=184(kg)

外加剂：3.68(kg)

经试拌后，混凝土的表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2％，故上述各材料用量即为确定的设计配合比。

4混凝土配合比试验结果对比和分析

4.1配合比试验结果如表6所示。

4.2试验结果分析

从表6可以看出，同样的混凝土强度等级配合比设计，根据不同的方法计算出的材料组成也有明显的差异。根据前述的计算方法和步骤可知，导致计算结果差异的主要原因是不同的试配强度和相互之间存在的转换系数。若考虑按转换的实际强度(26.5/0.8=33.1，但国标中不存在C33的混凝土等级)设计，按国标设计的配合比、水灰比更小，保证率也更高一些，但这并不能否定法国水泥混凝土配合比设计理论的可靠性和科学性.主要原因有以下几点：

(1)混凝土抗压强度试验方法不同。法国混凝土抗压试件为圆柱体直径ɸ150mm，高320mm，与我国立方体试件的强度大致为1.25的倍数关系，但圆柱体试件的抗压强度似乎更为可靠、可信。实践证明立方体试件，特别是粗颗粒混凝土试件，抗压初裂后总荷载仍有上升趋势.表现为虚荷载，有统计分析分析表明，这种试件的均方差普遍较大；而圆柱体试件初裂后总荷载立即下降，且均方差较小.能较好的反映混凝土的真实强度。

(2)法国混凝土集料级配组成设计，是将砂和碎石组合进行级配设计，并用图解的方法确定各种成分比例，包括混合砂掺配比例的确定方法都具有适应性和可操作性，比国标中按集料规格、水灰比、砂特性等因素经验选用砂率的方法要严谨得多。

(3)法国混凝土技术标准对碎石规格、扁平系数、强度以及砂的洁净度指标有非常严格的要求，这里仅将技术标准对混凝土用碎石、砂的质量要求的几项主要技术指标综合列于表7。

5结论

本文比较详细的介绍了中法混凝土设计方法，对同一混凝土强度等级的配合比进行计算并试验对比.分析了两种方法计算结果差异的主要原因。

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