高性能混凝土的制备方法

摘要

本发明公开了一种高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)保持胶凝材料总成本不变下，对胶凝材料掺量及砂石掺量进行确定；(2)根据胶凝材料掺量确定减水剂掺量；(3)待得出减水剂相对于胶凝材料的掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量；(4)根据胶凝材料和减水剂的配比及满足混凝土工作性要求确定水掺量。所述的胶凝材料为水泥和矿物掺合料。所述的矿物掺合料为粉煤灰或粉煤灰和矿粉。本发明能将设计与施工有效连接，混凝土工作性、强度、耐久性满足设计要求，同时生产单位立方米混凝土成本最低。

权利要求

1.一种高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)凝胶材料各掺量的成本总和保持不变的情况下，对胶凝材料掺量进行确定，并对砂石掺量进行确定；

(2)根据胶凝材料掺量确定减水剂掺量；

(3)待得出减水剂相对于胶凝材料的掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量；

(4)根据胶凝材料和减水剂的配比及满足混凝土工作性要求确定水掺量；

其中所述胶凝材料掺量是按照胶砂试验方法调整水泥用量和矿物掺合料比例，且胶凝材料和胶砂实验所用的标准砂的拌合物能达到同一扩展度下，成型试件，测其龄期强度，对应龄期强度极值为满足不同设计要求的矿物掺合料在胶凝材料中的掺量；

所述砂石掺量是按照混凝土本身的密实性、实际每立方米混凝土用水量、实际每立方米混凝土胶凝材料用量及假定每立方米混凝土总重量计算得到；

所述减水剂掺量是通过实际拌制混凝土，保持胶凝材料和减水剂总成本不变，通过二者用量增减变化，调整用水量且胶凝材料、砂、碎石、水和减水剂的拌合物能达到满足设计要求的工作性，得出的成本相同而配合比对应不同的减胶比和不同的水胶比，将这几组配合比的水胶比与对应的减胶比拟合二次函数，二次函数的水胶比极值即对应着减胶比；

所述确定水掺量是胶凝材料总量从最小用量开始依次递增，以调整用水量满足混凝土工作性要求，实际拌合混凝土，得到不同混凝土龄期强度，总结水胶比与龄期强度线性函数关系，由此得出水胶比确定水掺量；

所述的胶凝材料为水泥和矿物掺合料。

2.根据权利要求1所述的高性能混凝土的制备方法，其特征是：所述的矿物掺合料为粉煤灰。

说明书

高性能混凝土的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高性能混凝土的制备方法。

背景技术

[0002] 1990年美国首先提出高性能混凝土这个名词，日本东京大学冈村甫学者开发了“不振捣的高耐久性混凝土”。我国最早提出高性能混凝土概念的是吴中伟教授，2000年北京工业大学陈建奎教授提出现代混凝土配合比全计算法设计，2007年王昱海提出现代混凝土配制方法及现代混凝土配合比设计，也有诸多学者进行了配合比优化设计，但对在建客运专线用高性能混凝土配合比设计而言，价值不高，而且应用都有一定的局限性，目前尚无高性能混凝土设计规范，只对混凝土性能有限值规定。

[0003] 陈建奎教授设计的配合比中的用水量是通过计算得到的，混凝土的工作性是依靠减水剂来进行调整。也有不少学者在陈教授的配合比设计基础之上进行正交设计，混凝土成本固然有所降低，但这种优化设计又背离了陈教授设计配合比的理论基础，最终高性能混凝土配合比设计降低的成本也看不出是低至底线的。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对上述问题，提出一种高性能混凝土的制备方法，生产出满足设计要求而成本最低高性能混凝土。

[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

[0006] 一种高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤： [0007] (1)保持胶凝材料总成本不变下，对胶凝材料掺量及砂石掺量进行确定； [0008] (2)根据胶凝材料掺量确定减水剂掺量；

[0009] (3)待得出减水剂相对于胶凝材料的掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量；

[0010] (4)根据胶凝材料和减水剂的配比及满足混凝土工作性要求确定水掺量。 [0011] 所述的胶凝材料为水泥和矿物掺合料。

[0012] 所述的矿物掺合料为粉煤灰或粉煤灰和矿粉。

[0013] 所述胶凝材料掺量是按照胶砂试验方法，保持胶凝材料总成本不变，调整水泥用量和矿物掺合料比例，且拌合物能达到同一扩展度下，成型试件，测其龄期强度，对应龄期强度极值为满足不同设计要求的矿物掺合料在胶凝材料中的掺量。

[0014] 所述砂石掺量是按照混凝土本身的密实性、实际每立方米混凝土用水量、实际每立方米混凝土胶凝材料用量及假定每立方米混凝土总重量经过计算得到的，其中砂率的选用是为满足所采用施工方法要求确定的。

[0015] 所述减水剂掺量是通过实际拌制混凝土，保持胶凝材料和减水剂总成本不变，通过二者用量增减变化，调整用水量，且拌合物能达到满足设计要求的工作性，得出的成本相同而配合比对应不同的减胶比和不同的水胶比，将这几组配合比的水胶比与对应的减胶比拟合二次函数，二次函数的水胶比极值即对应着减胶比。

[0016] 所述确定水掺量是胶凝材料总量从最小用量开始依次递增，以调整用水量满足混凝土工作性要求，实际拌合混凝土，得到不同混凝土龄期强度，总结水胶比与龄期强度线性函数关系，由此得出水胶比确定水掺量。

[0017] 本发明具有如下优点：

[0018] 采用本发明的方法作为设计高性能混凝土配合比，在高性能混凝土满足设计要求的同时，实现高性能混凝土成本最低，对在建铁路客运专线混凝土配合比设计具有重大意义，推动中国混凝土事业的发展。

[0019] 本发明的高性能混凝土是以混凝土设计要求为目标，以混凝土工作性和密实性为基础，以混凝土强度和成本为运算参数，以混凝土耐久性为控制手段，将混凝土性能与成本紧密结合，提出了新的设计理念、设计理论和设计方法，实现配合比设计科学性、合理性、实用性、经济性；本发明能将设计与施工有效连接，混凝土工作性、强度、耐久性满足设计要求，同时生产单位立方米混凝土成本最低。

具体实施方式

[0020] 一种高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤： [0021] (1)保持胶凝材料总成本不变下，对胶凝材料掺量及砂石掺量进行确定； [0022] (2)根据胶凝材料掺量确定减水剂掺量；

[0023] (3)待得出减水剂相对于胶凝材料的掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量；

[0024] (4)根据胶凝材料和减水剂的配比及满足混凝土工作性要求确定水掺量。 [0025] 所述的胶凝材料为水泥和矿物掺合料。

[0026] 所述的矿物掺合料为粉煤灰或粉煤灰和矿粉。

[0027] 所述胶凝材料掺量是按照胶砂试验方法，保持胶凝材料总成本不变，调整水泥用量和矿物掺合料比例，且拌合物能达到同一扩展度下，成型试件，测其龄期强度，对应龄期强度极值为满足不同设计要求的矿物掺合料在胶凝材料中的掺量。

[0028] 所述砂石掺量是按照混凝土本身的密实性、实际每立方米混凝土用水量、实际每立方米混凝土胶凝材料用量及假定每立方米混凝土总重量经过计算得到的，其中砂率的选用是为满足所采用施工方法要求确定的。

[0029] 所述减水剂掺量是通过实际拌制混凝土，保持胶凝材料和减水剂总成本不变，通过二者用量增减变化，调整用水量，且拌合物能达到满足设计要求的工作性，得出的成本相同而配合比对应不同的减胶比和不同的水胶比，将这几组配合比的水胶比与对应的减胶比拟合二次函数，二次函数的水胶比极值即对应着减胶比。

[0030] 所述确定水掺量是胶凝材料总量从最小用量开始依次递增，以调整用水量满足混凝土工作性要求，实际拌合混凝土，得到不同混凝土龄期强度，总结水胶比与龄期强度线性函数关系，由此得出水胶比确定水掺量。

[0031] 首先确定胶凝材料掺量，进行胶凝材料内部掺量的经济性的评价： [0032] 单掺粉煤灰试验：本试验采用GB 17671-1999水泥胶砂强度试验方法进行试验。保证胶凝材料总价不变，粉煤灰掺量分别占胶凝材料总量的比例分别为20％、25％、30％、
35％和40％，用水量以能达到相同扩展度为准，成型试件，标准养护箱养护，分别测试其龄期强度，数据见表1单掺粉煤灰试验记录表所示。在单掺粉煤灰的配合比设计中，根据不同龄期对强度评定值的要求，选择表1中强度最高值对应的粉煤灰掺量。以28天龄期或56天龄期作为混凝土强度评定值时，单掺粉煤灰配合比的粉煤灰最佳掺量占胶凝材料总量的
20％。

[0033] 双掺粉煤灰和矿粉试验：双掺粉煤灰和矿粉试验方法及原理同上中所述，粉煤灰和矿粉掺入总量占胶凝材料总量的比例分别为25％、30％、35％、40％和45％，数据见表2双掺粉煤灰和矿粉试验记录表所示。

[0034] 在双掺粉煤灰和矿粉的配合比设计中，根据不同龄期对强度评定值的要求，选择表2中强度最高值对应的粉煤灰和矿粉掺量。若以28天龄期作为混凝土强度 评定值时，双掺粉煤灰和矿粉配合比的粉煤灰和矿粉最佳掺量分别占胶凝材料总量的10％和25％；若以56天龄期作为混凝土强度评定值时，双掺粉煤灰和矿粉配合比的粉煤灰和矿粉最佳掺量分别占胶凝材料总量的10％和20％。

[0035] 表1 单掺粉煤灰试验强度记录表

[0036]

[0037] 确定减水剂掺量，进行减水剂用量的经济性评价：

[0038] 原材料质量符合《铁路混凝土工程质量验收补充标准》的要求。 [0039] 单掺粉煤灰配合比：由混凝土配合比设计经验进行6种单掺粉煤灰配合比设计。3
基准单掺粉煤灰配合比设计胶凝材料总量为400kg/m，其内部掺配比例按上述中执行，以
56天强度评定值为例，减水剂掺量暂用厂家推荐值，碎石最大粒径25mm，砂率取40％，每立方米混凝土总重量2400kg；设计要求混凝土坍落度195～205mm；其余5种配合比设计按胶凝材料总量的梯度增加或减少，对应的减水剂掺量减少或增加，保持混凝土单位价格不变，调整用水量满足混凝土工作性要求，对此6种配合比实际拌合混凝土，结果见表3单掺粉煤灰配合比原材料用量及其性能表。

[0040] 在表3得到的数据中若有一组或几组不满足工作性的要求，应重新调整配合比设计，使这6组配合比都能满足混凝土工作性要求，在此6组数据中以减胶比为X值，以水胶2
比为Y值，拟合一元二次函数得y＝733.2x-22.83x+0.603，本 函数中当水胶比最小时，对应减胶比即为减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量，减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量为
1.6％。

[0041] 表2 双掺粉煤灰和矿粉试验记录表

[0042]

[0043] 表3 单掺粉煤灰配合比原材料用量及其性能表

[0044]

[0045] 待得出减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，协同减水剂生产厂家调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量。 [0046] 在表3得到的数据中若有一组或几组不满足工作性的要求，应重新调整配合比设计，使这6组配合比都能满足混凝土工作性要求，在此6组数据中以减胶比为X值，以水胶2
比为Y值，拟合一元二次函数得y＝733.2x-22.83x+0.603，本函数中当水胶比最小时，对应减胶比即为减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量，减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量为
1.6％。

[0047] 待得出减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，协同减水剂生产厂家调整减水剂引气成分至满足设计要求的混凝土含气量。 [0048] 双掺粉煤灰和矿粉配合比：按照上述中设计方法及步骤，进行6种双掺粉煤灰和矿粉配合比设计，整理试验数据，拟合一元二次函数，当水胶比最小时，对应减胶比即为减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量。

[0049] 待得出减水剂相对于胶凝材料的最佳掺量以后，在不改变减水剂减水率的情况下，协同减水剂生产厂家调整减水剂引起成分至满足设计要求的混凝土含气量。 [0050] 确定水掺量：

[0051] 在配合比设计过程中，胶凝材料内部掺配比例按本发明上述相关内容中选取(以56天强度评定值为例)，减水剂掺量按本发明上述相关内容选取，碎石最大粒径25mm，除用水量以外单方混凝土总重量设计为2400kg，混凝土工作性满足设计要求，目标混凝土坍落度195～205mm，砂率取40％为例。

[0052] 对单掺粉煤灰混凝土配合比设计，设计9种单掺粉煤泵送配合比，胶凝材料总量从最小用量开始依次递增且胶凝材料最小用量满足规范要求，以调整用水量满足混凝土工作性要求，实际拌合混凝土，结果见表5单掺粉煤灰配合比原材料用量及其性能表。 [0053] 表5 单掺粉煤灰配合比原材料用量及其性能表

[0054]

[0055] 按其表中9个编号分别测试其试件龄期强度，结果见表6单掺粉煤灰泵送配合比龄期强度表。

[0056] 表6 单掺粉煤灰泵送配合比龄期强度表 单位：MPa

[0057]

[0058] 当混凝土强度以56天龄期强度作为评定值时，编号7和8作为设计参考数据，在编号9、10、11、12、13、14和15数据中以水胶比为X值，以配制强度为Y值，得水胶比计算公式一：

[0059] y＝232.24x2-363.19x+164.13

[0060] 表7 双掺粉煤灰和矿粉泵送配合比原材料用量及其性能表

[0061]

[0062] 当混凝土强度以28天龄期强度作为评定值时，编号7和8作为设计参考数据，在编号9、10、11、12、13、14和15数据中以水胶比为X值，以配制强度为Y值，得参考水胶比计算公式二：2

[0063] y＝311.52x-411.64x+164.55

[0064] 双掺粉煤灰和矿粉配合比按上述步骤设计9种双掺粉煤灰和矿粉泵送配合比，实际拌合混凝土，测得含气量范围5％～7％，结果见表7双掺粉煤灰和矿粉泵送配合比原材料用量及其性能表。

[0065] 按上表7中，9个编号分别测试其试件龄期强度，结果见表8双掺粉煤灰和矿粉泵送配合比龄期强度表。

[0066] 表8 双掺粉煤灰和矿粉泵送配合比龄期强度表 单位：MPa [0067]

[0068] 当混凝土强度以56天龄期强度作为评定值时，编号16和17作为设计参考数据，在编号18、19、20、21、22、23和24数据中以水胶比为X值，以配制强度为Y值，水胶比计算公式三：

[0069] y＝389.94x2-439.94x+166.37

[0070] 当混凝土强度以28天龄期强度作为评定值时，编号16和17作为设计参考数据，在编号18、19、20、21、22、23和24数据中以水胶比为X值，以配制强度为Y值，得参考水胶比计算公式四：