基于浆体体积富余系数的混凝土配合比设计及性能研究*

孟令凯，周新刚，苏智慧，刘相如

（烟台大学土木工程学院，山东烟台264005）

基于浆体体积富余系数的混凝土配合比设计及性能研究*

孟令凯，周新刚，苏智慧，刘相如

（烟台大学土木工程学院，山东烟台264005）

本文引入浆体体积富余系数 γp用来描述骨料体积和浆体体积的平衡状况。试验设计了两种水胶比的混凝土，通过调整混凝土中骨料体积和浆体体积来改变浆体的富余情况，研究了 γp对混凝土拌合物工作性及硬化后强度、体积稳定性和渗透性的影响。试验结果表明，0.46和 0.36水胶比混凝土的浆体体积富余系数分别为γp=0.251和 γp=0.630 时，混凝土拌合物坍落度及硬化后抗压强度指标最优，且具有较好的体积稳定性和抗渗透性。在最优浆体体积富余系数的基础上，结合最大密实度理论和绝对体积法，建立了基于最优浆体体积富余系数的混凝土配合比设计方法。

浆体富余系数；工作性；强度；体积稳定性；配合比设计

传统的混凝土配合比设计是计算—试配法，其计算依据是在混凝土组成与一般性能的基础上，计算得到粗略配合比，再经过试配得到以强度为目标的设计方法，它没有充分考虑骨料粒型、表面粗糙度等因素对混凝土性能的影响，仅以骨料最大粒径和坍落度确定用水量[1]。随着对混凝土性能的要求越来越高，基于性能的混凝土配合比设计研究越来越受到重视。骨料堆积密实度、最优砂率、浆骨比等指标对混凝土的性能具有重要影响，也是基于性能的混凝土配合比设计所关注的重要参数，Cabonari B T[2]、Domone P L J[3]和张蛟龙[4]等从不同的角度对此问题进行了研究。陈建奎[5]提出混凝土配合比全计算法，推导建立了用水量和砂率的计算公式，建立了普遍适用的混凝土体积模型。

在基于性能的混凝土配合比设计过程中，除合理确定水胶比、选择优良的材料外，重要的是依据最大密实度理论，通过骨料级配优化得到堆积密实度大的骨料体系。浆体填充密实骨料体系的空隙后并保证一定的富余，是改善和提高混凝土性能的重要途径。最大密实度理论的研究与应用很多[6]，但浆体富余程度对混凝土性能影响的研究较少[7]。本文定义浆体体积富余系数 γp，用来描述单位体积混凝土中骨料体积和浆体体积的平衡状况，并通过试验研究了 γp对混凝土性能的影响规律，找到了使混凝土性能达到最优状态时的浆体体积富余系数。在此基础上，结合最大密实度理论和绝对体积法，建立了基于最优浆体体积富余系数的混凝土配合比设计方法。

1 浆体体积富余系数

由于水对于胶凝材料、净浆对于细骨料、砂浆对于粗骨料具有填充关系，从而水填充胶凝材料空隙形成水泥净浆，水泥净浆填充并包裹细骨料形成砂浆，砂浆填充并包裹粗骨料形成混凝土拌合物。从填充和包裹的作用关系看，在水胶比及材料质量一定的条件下，浆体在充分填充混合骨料空隙后并有一定的富余，是改善和提高混凝土的强度、耐久性和体积稳定性，保证良好工作性的关键。因此，研究浆体富余程度对混凝土性能的影响具有重要的意义。Metha 和 Aitcin[8]在高强高性能混凝土配合比设计中指出浆骨比为35:65时，可以平衡混凝土工作性、强度和体积稳定性之间的矛盾。国内学者以浆体为研究对象，从不同的角度开展了基于性能的混凝土配合比设计，季涛[9]提出最小浆体厚度（APT）这一指标，并以成本为目标对混凝土配合比进行优化，得到满足工作性和强度要求的最小浆体厚度。张汉君[10]认为水胶比、砂浆填充粗骨料空隙后的富余砂浆量、净浆填充细骨料空隙后的富余净浆量是影响混凝土性能的三个重要参数，并以此进行混凝土配合比设计。韩小华[11]定义浆体富余系数为水泥净浆体积与细骨料空隙体积之比，并研究了浆体富余系数对混凝土工作性和强度的影响规律。

本文定义浆体体积富余系数 γp以填充骨料空隙后多余浆体体积与混合骨料空隙体积之比来表示，用来描述混凝土中骨料和浆体体积的平衡状态。γp的计算公式如下：

式中：

γp——浆体体积富余系数；

Vs——填充骨料空隙后富余浆体体积；

Vv——骨料堆积密实时空隙体积，即骨料堆积体积与绝对体积之差。

2 试验研究

为研究浆体体积富余系数 γp对混凝土拌合物工作性及硬化后强度、体积稳定性和耐久性的影响，本文设计了 0.36和 0.46两个水胶比的混凝土。根据最大密实理论[12]，分别测定不同砂率情况下，混合骨料的堆积密实度 α，选择混合骨料堆积密实度最大时的砂率作为最优砂率。考虑矿物掺合料物理特性和掺量对胶凝材料堆积密实度的影响，试验中粉煤灰和矿粉的掺量分别确定为20% 和25%[13]。

2.1 原材料

水泥：P·O42.5级硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅲ 级粉煤灰；矿粉：S95级矿粉，外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率25%；粗骨料：最大粒径25mm 碎石，表观密度为2850kg/m3；细骨料：水洗机制砂，表观密度为2650kg/m3，表1和表2 分别为粗细骨料筛分表。

表1 粗骨料筛分表

表2 机制砂筛分表

2.2 骨料空隙体积和浆体体积计算

由浆体体积富余系数定义，结合绝对体积法，按照下述理论计算骨料空隙体积和浆体体积。

式中：

VA——单位体积混凝土中骨料体积；VP——单位体积混凝土中浆体体积；Va——混凝土含气量，可根据外加剂种类实测得到，一般可取 0.01～0.04；

Vv——混合骨料堆积密实时空隙体积；

α——混合骨料堆积密实度，通过实测堆积密度比上表观密度得到；

Mb、Mc、Mfa、Ms、Mw——分别为胶凝材料、水泥、粉煤灰、矿粉、水的用量，kg；

ρc、ρfa、ρs、ρw——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、水的密度。

2.3 配合比

试验以 γp=0 作为对照组，通过不断增大 γp来调整单位体积混凝土中骨料和浆体体积。依据上述理论，确定了两种水胶比混凝土在不同浆体体积富余系数下的配合比数据，分别见表3和表 4。由于随着水胶比的减小，浆体粘滞阻力逐渐变大，需要更多的浆体为混凝土拌合物提供流动性。因此，试验确定 0.46水胶比混凝土的浆体体积富余系数由 γp=0 增大至 γp=0.525，0.36水胶比混凝土的浆体体积富余系数由 γp=0 增大至 0.875，来研究混凝土性能随着 γp的变化规律。

3 试验结果及分析

混凝土抗压强度试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[14]进行，坍落度试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[15]进行，混凝土早期收缩率按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[16]中的非接触法进行，氯离子扩散系数按照NEL法进行测定。

表3 0.46水胶比混凝土配合比数据

表4 0.36水胶比混凝土配合比数据

3.1 混凝土拌合物工作性分析

不同浆体体积富余系数下混凝土坍落度数据见表5和表6。

表5 0.36水胶比混凝土坍落度数据表 mm

表6 0.46水胶比混凝土坍落度数据表 mm

图1为混凝土坍落度随 γp增大的变化趋势图。当 γp=0 时，混凝土中浆体仅能够填充混合骨料的空隙，没有多余浆体包裹在骨料表面形成润滑层为混凝土提供流动性，混凝土状态干硬，难以成型。随着 γp的不断增大，工作性得到改善。当 0.46和 0.36水胶比混凝土的γp分别超过 0.251和 0.630 时，在为拌合物提供流动性后，浆体仍有大量富余，由于没有足够的骨料作为支撑，混凝土拌合物出现离析，坍落度减小，工作性降低。

图1 坍落度变化趋势图

3.2 混凝土抗压强度分析

随 γp变化混凝土 7d、28d 抗压强度数据见表 7和表8。图2 和图3分别为混凝土 7d、28d 强度随着 γp的变化趋势图。随着 γp增大，混凝土强度先增大至峰值点再缓慢降低。0.46和 0.36水胶比混凝土强度峰值点分别出现在 γp=0.251和 γp=0.630，与坍落度峰值点一致，说明在混凝土拌合物工作性较好时其硬化后强度也最优。当 γp较小，浆体填充混合骨料空隙后并没有形成均匀、连续的拌合物，混凝土结构空隙较多且不能形成良好的界面层，硬化后混凝土强度偏低；当 γp较大时，浆体过多，混凝土拌合物出现离析，成型时浆体上浮，强度下降。

表7 0.36水胶比混凝土抗压强度数据表MPa

表8 0.46水胶比混凝土抗压强度数据表MPa

图2 混凝土 7d 抗压强度变化趋势图

图3 混凝土28d 抗压强度变化趋势图

3.3 混凝土早期收缩率分析

混凝土的早期收缩包括塑性沉降收缩、自收缩、化学收缩以及干燥收缩，这些收缩在混凝土收缩中占较大比例[17]。混凝土早期收缩率直接影响其硬化后裂缝的发展状态，对混凝土耐久性的影响至关重要。图 4和图5为混凝土早期收缩率随着 γp的变化趋势图。γp较小时，浆体较少，收缩发展缓慢，收缩率较小。随着 γp的不断增大，浆体增多，混凝土收缩发展较快，收缩率变大。当 0.46和 0.36两个水胶比混凝土的富余系数分别超过γp=0.251和 γp=0.630 时，浆体过多，拌合物出现离析，浆体的水化收缩急剧增大，体积稳定性降低。从总体上来看，在混凝土终凝后的16h 内收缩率发展较快，其后缓慢增长并趋于平稳。对比图 4和图5可知，两个水胶比混凝土在最优浆体体积富余系数下的早期收缩率相当，均在200×10-6左右，具有较好的体积稳定性。

图4 0.46水胶比早期收缩率

图5 0.36水胶比早期收缩率

3.4 混凝土氯离子扩散系数

试验采用 NEL 饱盐电导率法测混凝土氯离子扩散系数，试验试块尺寸为100mm×100mm×50mm，用4mol/L 的 NaCl 溶液真空饱盐，使之成为线性元件，擦去表面盐水并置于试样夹具上 D=50mm 两个紫铜电极之间，在直流低电压下对饱盐试样进行测定，试验取三个试块的平均值作为混凝土氯离子扩散系数。

随浆体体积富余系数增大混凝土氯离子扩散系数见表 9 和表10。图6和图 7分别为混凝土在不同浆体体积富余系数下的氯离子扩散系数。当 γp较小时，混凝土界面粗糙不连续，空隙率较大，氯离子扩散系数较大，抗渗透性较差。随着 γp增大，浆体增多，混凝土自身结构变得更加密实，空隙率降低，氯离子扩散系数变小，抗渗透性得到改善。由于混凝土在硬化过程中，拌合物中水分的蒸发会改变混凝土的孔结构，水分蒸发量越少，混凝土空隙体积越小，抗渗透性越强。因此，相对于 0.46水胶比，0.36水胶比混凝土水分蒸发量较少，空隙率低，氯离子扩散系数较小。

表9 0.36水胶比混凝土氯离子扩散系数(×10-14)

表10 0.46水胶比混凝土氯离子扩散系数(×10-14)

图6 0.36水胶比混凝土氯离子扩散系数

图7 0.46水胶比混凝土氯离子扩散系数

4 基于浆体体积富余系数的混凝土配合比设计

以试验得到的最优浆体体积富余系数为基础，结合最大密实度理论和绝对体积法，建立了基于性能的混凝土配合比设计方法，其逻辑计算简图如图 8。

（1）首先对试验所用骨料进行筛分，使骨料级配达到《建筑用卵石、碎石》[18]和《建筑用砂》[19]的要求。由试验确定的水胶比，配制不同砂率的混合骨料，根据最大密实理论，分别测定各组骨料体系的堆积密实度 α，选择混合骨料堆积密实度最大时的砂率作为最优砂率。

（2）由最优 γp和骨料密实度 α，可计算得到骨料和浆体体积。根据矿物掺合料掺量和最优砂率可计算得到胶凝材料和骨料用量，进而确定混凝土配合比。

（3）影响混凝土性能其他参数的确定。在确定矿物掺合料掺量时，还应考虑矿物掺合料粒径、细度等物理特性和掺量对多元胶凝材料体系堆积密实度的影响。当掺加高效减水剂时，陈建奎所提出的混凝土配合比全计算法中所建立的高性能混凝土中减水剂减水率及掺量的计算公式，再经试配调整得到合适的掺量。若有引气要求，含气量的确定可参照混凝土耐久性相关规范选定，也可经试配确定。

5 结论

（1）混凝土坍落度和抗压强度指标随着浆体体积富余系数的增大先增大至峰值点然后缓慢降低。混凝土的早期收缩率在终凝后16h 内随着 γp的增大发展较快，其后缓慢增长并趋于平稳。混凝土氯离子扩散系数随着γp的增大逐渐减小。

（2）试验设计的 0.46和 0.36水胶比混凝土的浆体体积富余系数分别为 γp=0.251和 γp=0.630时，混凝土拌合物坍落度和硬化后强度指标最优，且具有较好的体积稳定性和抗渗透性。

（3）不同水胶比混凝土的最优浆体体积富余系数差别较大，这是因为不同的水胶比，浆体的粘滞阻力不同，会直接影响混凝土拌合物的工作性能。另外，最优浆体体积富余系数会随着原材料的改变有所波动。因此，在优良原材料的基础上，还需对不同水胶比混凝土

图8 基于最优浆体体积富余系数的混凝土配合比设计逻辑简图

的最优 γp进行试验研究，才能完善基于最优浆体体积富余系数的混凝土配合设计方法。

[1] 刘广同，张宝生，袁杰，等．基于最佳浆骨比的混凝土配合比设计方法研究[J]．混凝土，2003(7):32-35．

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[3] Domone Duff A .Propertioning Concrete Mixtures.ACI Journal，Proceed NO.2 Feb.1992:174-181.

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[19] GBT14684—2011．建筑用砂[S]．

Discussion of concrete mix proportion and performance based on the coef fi cient of surplus paste*

Meng Lingkai, Zhou Xingang, Su Zhihui, Liu Xiangru
(School of Civil Engineering YanTai University, YanTai264005)

Proposing the coefficient of surplus paste used to describing the balanced condition between the volume of aggregate and paste in concrete. Changing the coef fi cient through adjusting the volume of aggregate and paste. Studying the in fl uence of the coef fi cient on the workability of concrete mixture and the compressive strength after harden, the stability of volume and the permeability. The test results showed the coef fi cient with water binder ratio is 0.46and 0.36is γp=0.251and γp=0.630 respectively. The slump of concrete mixture and the compressive strength after harden is optimal with preferable volume stability and permeabiliuty.Combing the density theory and the absolute volume methodbased on the studying of optimal coef fi cient. Establishing the mix proportion method based on the coef fi cient of surplus paste.

coef fi cient of surplus paste; workability; strength; stability; mix proportion

山东省住房和城乡建设厅科技计划项目（YK051）

孟令凯（1992—），男，在读硕士，研究方向为：混凝土结构及耐久性。

［通讯地址］烟台市烟台大学土木工程学院（264005）