基于多种性能要求的混凝土组成设计方法
史才军1，王德辉1，安晓鹏2，焦登武1，李  晃1
(1. 湖南大学土木工程学院，绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，长沙 410082；2. 中国建筑材料科学研究总院，绿色建材国家重点实验室，北京 100024)
摘  要：提出了一种基于多种性能要求的混凝土组成设计方法。首先采用混合砂石容重法确定粗、细骨料的最紧密堆积和骨料间最小空隙率；其次结合Bowromi公式和耐久性要求，确定混凝土的水胶比，然后根据骨料间的最小孔隙率和达到所需工作性或流变特性的骨料表面富余浆体厚度，得到混凝土中浆体量，通过调整减水剂和黏度改性剂来调节混凝土的屈服应力和塑性黏度，改善混凝土的工作性能。在此基础上采用单纯型重心设计法设计胶凝材料组成，用最少的实验量建立混凝土性能与胶凝材料组成间的关系，最后根据对混凝土不同性能的要求，确定满足要求的胶凝材料组成范围。同时，该方法可用于预测不同胶凝材料组成制备的混凝土性能。
关键词：组成设计；最紧密堆积；富余浆体理论；单纯型重心设计法；混凝土组成与性能关系
中图分类号：TU528    文献标志码：A    
文章编号：0454–5648(2018)02–0230–09
网络出版时间：2017–11–02 
收稿日期：2017–05–31。   
修订日期：2017–06–28。
基金项目：国家重点研发计划(2017YFB0310101)；国家自然科学基金(U1305243)；国家国际科技合作专项(2015DFA50880)。
第一作者：史才军(1963—)，男，博士，教授。
前言
传统的混凝土配合比设计方法是一种计算-试配法，其计算准则基于逐级填充原理，即水与胶凝材料组成水泥浆，水泥浆填充砂的空隙组成砂浆，砂浆再填充石子的空隙组成混凝土，设计的原则基于假定容重法或绝对体积法。高性能混凝土是满足建设工程设计、施工和使用对混凝土特性的总体要求，全面考虑混凝土生产、运输、浇注和后期构筑物使用等过程的综合性能指标的优异拌合物[1]。高性能混凝土不仅具有优异的力学性能，同时还需要有优异的工作性能和耐久性，确保混凝土结构在不同环境下的可靠性。因此，在许多情况下，高性能混凝土性能会有多个指标要求。与传统混凝土相比，高性能混凝土在组成设计时，使用矿物掺合料和高效减水剂，这不仅可减少拌合用水量，降低孔隙率，同时也能很大程度上提高混凝土强度[1–2]。

早在20世纪90年代初，Metha和Aitcin等就提出了应用较为广泛的Metha-Aitcin设计方法[3–4]，该方法认为水泥浆体的体积分数为35%时对混凝土的强度、工作性能、体积稳定性有最佳的平衡作用，细骨料和粗骨料的最佳体积比为65%，细骨料与粗骨料的最佳比例为2:3。该方法简单，且将辅助性胶凝材料很好地应用至高性能混凝土设计中。但此方法中有许多假设，一些假设对不同地区的原料不一定能适用，且需进行大量的试配，工作量大。美国ACI的高强混凝土配合比设计方法[5]，适用于抗压强度在40~80 MPa之间的非引气普通混凝土，它采用一系列不同胶凝材料组成和用量进行试验，从而得到合适的配合比。IPT-EPUSP方法[6]通过试验测试不同坍落度下的干灰浆率(即水泥、细集料于水泥、粗细集料的质量之比)和用水量关系，从而得到不同配比与混凝土性能间的关系图，此种方法在巴西等国广泛应用。Carbonari[7–8]通过不断优化胶凝材料和骨料间的比例，在粗骨料和细骨料之间存在一个最佳比例。在此比例下，孔隙率最低，胶凝材料掺入后，超出最小孔隙率的那部分胶凝材料称为富余胶凝材料。通过调整剩余胶凝材料用量确定粗细骨料和胶凝材料的用量，该方法原理简单、实用性较强。

近些年来，研究人员试图通过骨料最紧密堆积理论和统计方法等进行混凝土组成的设计，得到了工作和力学性能均较好的混凝土组成[9–11]，也提出了统计因子模型法和流变法[12]。但这些设计方法大多数仅针对单一性能，只改变单一因素条件下对混凝土组成进行设计或优化，需多次试配和测试，才能得到一些满足有多个性能指标要求的混凝土组成。有时在试配过程中目标性能可能此长彼消，试验工作量会非常大。另外，胶凝材料用量的确定缺乏具体的理论依据，仅通过满足流动性要求时的经验用水量和水灰比推算，容易造成胶材使用量偏大、混凝土尺寸稳定性和耐久性较差[13]、碳排放高等问题。单纯型重心设计法是由Scheffe[14]提出的混料设计方法演变而来，能够通过较少试验量定量评价多组分混合物的性能。其设计原则如下：如果有n个组分，那么所需要进行2n–1组试验得到相应的等值线图和对应的函数公式，以3组分为例，则需进行7组试验；首先根据约束条件确定各分量的范围，然后分别选取三角形顶点、三边中点和中心点作为试验数据点，得到每个数据点的性能参数，最后采用软件Design Expert或MiniTab在三角形坐标体系内得到三角形等值线图。通过单纯型重心设计法，Douglas等[15]准确预测了水泥-粉煤灰-矿粉三元胶凝体系砂浆的抗压强度，Wang[16]和孙伟[17]等也采用单纯型重心设计法定量评价和预测了三元胶凝体系混凝土的强度。除此之外，单纯型重心设计法还能够准确的预测蒸压养护条件下钢包渣-熟石灰-石英粉胶凝体系的最佳组成[18]和水泥砂浆不发生碱骨料反应造成膨胀时任意三元胶凝体系的最佳组成[19]。
以C40混凝土设计为例，从骨料的比表面积、饱和浆体体积以及新拌混凝土的流变参数(屈服应力和塑性黏度)等方面出发，采用单纯型重心设计法设计胶凝材料组成，找到一种胶凝材料用量适宜，满足混凝土工作性、强度、耐久性等多性能的混凝土设计方法。
结论
提出了基于多种性能要求的混凝土设计方法，其设计原则如下：基于Bowromi公式和耐久性要求，确定混凝土的水胶比；基于骨料的最小孔隙率，确定粗、细骨料的最佳比例，使骨料的堆积密度达到最大；通过富余浆体厚度，确定混凝土的水泥浆含量；最后，通过单纯型重心设计法确定胶凝材料组成。通过调整超塑化剂和黏度改性剂，可以调节混凝土的静态屈服应力和表观黏度，从而得到符合工作性能要求的混凝土。本方法仅需要进行7组混凝土的性能测试，得到胶凝材料组成与不同性能关系的等值线图，由此确定满足多种性能要求的胶凝材料组成，从而也就得到了确定满足多种性能要求的混凝土组成。基于胶凝材料组成与不同混凝土性能关系的等值线图，也可以预测不同胶凝材料组成下混凝土的性能。