现代混凝土配制方法及现代混凝土配合比

摘要

本发明建立了一种全新的混凝土配制方法，这种方法适合高强、渗透等多种水泥混凝土及各强度等级的水泥混凝土配制，克服了假定容重法和绝对体积法的缺点，突破D.A.Abrams的水灰比理论，在不改变现有混凝土施工工艺的情况下，通过对混凝土拌和物组成材料重量比例和粒径比例的优化，运用发明人发现的混凝土规律——现代混凝土学口袋理论，配制出理论上可以达到水泥ISO抗压强度4.1466－5.4624倍的、最大理论使用寿命可以和坚硬岩石一样为无限长的现代混凝土。本发明简单实用，准确可靠，强度先知，强度可控，降低成本，低耗环保，使高强度混凝土和渗透环保混凝土——现代混凝土的推广成为可能，扩大混凝土的使用范围。

说明书

技术领域：

本发明涉及一类建筑材料——水泥混凝土的配制方法及使用该方法配制的水泥混凝土配合比。

背景技术：

本发明之前配制普通水泥混凝土的方法有两种：假定容重法和绝对体积法。配制轻集料混凝土拌和物的方法也有两种：松散体积法和绝对体积法。渗透混凝土目前还没有准确有效的配制方法。

绝对体积法是假定混凝土拌和物组成材料绝对体积之和等于混凝土体积，求混凝土各组成材料在混凝土重量，经过试拌调整确定混凝土配合比；假定容重法是假定混凝土拌和物的容重为已知求混凝土各组成材料在混凝土内的重量，经过试拌调整确定混凝土配合比；普通混凝土配制方法都是建立在美国人D.A.Abrams于1918年提出的、应用至今的水灰比理论的基础上，数据准确率低，试验量大，配制强度低，试验周期长，都是经验基础上的总量控制。松散体积法是假定轻集料混凝土每立方的干表观密度为其各组成材料干燥状态下质量的总和，通过计算和查表，求出各组成材料的质量，经过试拌调整确定混凝土配合比。

发明内容：

发明目的和作用：本发明建立了一种全新的混凝土配制方法，这种方法克服了假定容重法、松散体积法和绝对体积法的缺点，打破了D.A.Abrams的水灰比理论，适合高强、渗透、轻集料、泵送、喷射、道路、防护、耐火等多种水泥混凝土及各种强度等级的水泥混凝土配合比设计制造，在不改变现有混凝土施工工艺的情况下，通过对混凝土拌和物组成材料配合比例的优化——包括材料重量比例和材料颗粒直径比例的优化，运用发明人发现的混凝土内在规律——现代混凝土学口袋理论，配制出的混凝土最大理论抗压强度可以达到水泥ISO抗压强度4.1466倍-5.4624倍的、最大理论使用寿命可以和坚硬岩石一样为无限长的现代混凝土。本发明提高混凝土的强度和耐久性，降低工程成本，简单实用，准确可靠，强度先知，强度可控，使现代混凝土的推广成为可能，扩大了混凝土的使用范围。

名词解释：现代混凝土(Modern Concerete)是用现代理念配制的高强度性、高耐久性、高稳定性、高工作性、高适用性、高经济性、高环保性、合理材料比例的——包括合理重量比例和合理颗粒直径比例的、以水泥为胶结物的、极大发掘了混凝土潜在能力的高技术环保混凝土；是强度、耐久性、适用性、工作性、经济性、环保性、可控性的和谐统一。合理材料比例、极大地发掘了混凝土的潜在能力、安全、低价、环保、可控、易用是现代混凝土的最重要特点。

现代混凝土根据使用功能分为渗透混凝土和非渗透混凝土；渗透混凝土又称环保型的道路混凝土(Road Concerete)，用于修建需要透气渗水的道路基层、道路面层或者作为聚合物浸渍混凝土的基材；非渗透混凝土又称高性能混凝土(High Performance Concerete)或者高强度混凝土(Strong Concerete)，用于修建需要高强耐久的建筑构造物；根据拌和物稠度现代混凝土分为干硬性的碾压混凝土、干稠性的强振捣混凝土、塑性的振捣混凝土(又称泵送混凝土，再加人速凝剂则为喷射混凝土)和免振捣流动的自密实混凝土。根据骨料类型现代混凝土分为轻集料混凝土、普通集料混凝土和防护混凝土；砂浆为无粗集料混凝土。水泥石为微晶混凝土，即无骨料混凝土。

混凝土配制指混凝土配合比设计施工检验全过程。混凝土配合比即指混凝土拌和物配合比。混凝土水胶比即指混凝土水灰比。砂轻混凝土水胶比指有效水胶比。混凝土施工养护为常温常压下施工养护。

混凝土组成材料是指粗集料、细集料、水泥、各级磨细矿粉、水及低热挥发材料。混凝土主要材料是指粗集料、细集料、水泥、各级磨细矿粉及水。集料指粗集料、细集料和水泥。骨料指粗集料、细集料。外加剂一般指高效减水剂、缓凝剂、引气剂、速凝剂、膨胀剂。

水泥指硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥、石灰石硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥等适用ISO679-1989试验的硅酸盐类水泥。

磨细矿粉是指高炉矿渣、石英砂、硅粉、硅质岩石、硅藻土、白云岩、石灰石粉、粉煤灰、固硫渣、火山灰、陶粒、磷渣、钢渣等工业废料或者天然材料、比表面积大于水泥比表面积2.4倍以上的加工矿粉或天然矿粉。按照由粗到细顺序，磨细矿粉分为：较粗磨细矿粉S₁；较细磨细矿粉S₂；细矿粉S₃；特细矿粉S₄；超细矿粉S₅；……；S_n比表面积至少是S_n-1比表面积的2.4倍，n为任意正整数1，2，3，4，5，……。

低热挥发材料是指沸点挥发点均低于摄氏80℃的材料，例如乙醚、汽油、乙醇、香蕉水、乙酸乙酯等。

本发明配制的混凝土为现代混凝土。普通混凝土又称D.A.Abrams混凝土。

发明原理：发明人创建的现代混凝土学口袋理论：口袋本身没有抗压强度，干燥的粮食也没有抗压强度，但我们把粮食装入口袋并使粮食密实，装粮口袋表现出良好的抗压能力，而且粮食愈密实装粮口袋的抗压强度愈高；当我们把不同颗粒直径的粮食——黄豆、小米、面粉按照一定重量比例均匀混合装入口袋时，装粮口袋的抗压能力最高。口袋理论的主要内容包括：

1.同排列等空隙定则：只要材料堆积秩序相同，无论材料的粒径如何变换，堆积材料的空隙率即相同而且是一定值。

2.混凝土材料单一粒径定则：只要同种材料最大粒径_max与最小粒径_min之比小于2.4，即_max/_min＜2.4，最小粒径_min材料就不能完全填充到最大粒径_max材料形成的空隙中，我们就认为这种材料为单一粒径材料。

3.相同颗粒直径材料堆积时的最小空隙率为26％，最大空隙率为48％(材料颗粒行列式排列时的空隙率)。

集料比表面积和集料的粒径成反比。

水泥凝胶最致密结构时最小空隙率为26％，水泥凝胶成筋状网格结构时最大空隙率为52％(珠状网格结构的反白部分)。

4.现代混凝土填充定则：

为保证颗粒直径小一级材料的完全填充，我们规定：

混凝土主要材料填充定则：混凝土主要组成材料中，同颗粒直径材料堆积空隙率取值范围为30％-53％，并且只有大一级材料颗粒直径是小一级材料颗粒直径的2.4倍以上时，小一级材料才能够完全填充到大一级材料形成的空隙中。

大一级材料颗粒直径是小一级材料颗粒直径的2.4倍以上是指相邻两级材料颗粒直径之比大于2.4；即Φ_n-1/Φ_n≥2.4，n为任意正整数。

强振捣混凝土集料填充定则：在强振捣混凝土中，同颗粒直径集料空隙率取值范围30％-37％；并且只有大一级集料颗粒直径是小一级集料颗粒直径6.4倍以上18(7.46×2.41)倍以下时，小一级集料才能够填充到大一级集料形成的空隙中并且空隙最小。

碾压混凝土遵循强振捣混凝土集料填充定则。

振捣混凝土集料填充定则：在振捣混凝土中，同颗粒直径集料空隙率取值范围38％-45％；并且只有大一级集料颗粒直径是小一级集料颗粒直径4.3倍以上10.6(4.37×2.41)倍以下时，小一级集料才能填充到大一级集料的空隙中并且空隙最小。

自密实混凝土集料填充定则：在自密实混凝土中，同颗粒直径集料空隙率取值范围46％-53％；并且只有大一级集料颗粒直径是小一级集料颗粒直径的2.4倍以上5.8(2.41×2.41)倍以下时，小一级集料才能填充到大一级集料的空隙中并且空隙最小。

强振捣混凝土集料填充定则、振捣混凝土集料填充定则、自密实混凝土集料填充定则称作现代混凝土集料填充定则。

混凝土主要材料填充定则和现代混凝土集料填充定则称作现代混凝土填充定则。

水胶比大于0.3小于0.42时，磨细矿粉颗粒直径及用量遵循自密实混凝土集料填充定则；水胶比大于0.2小于0.3时，磨细矿粉颗粒直径及用量遵循振捣混凝土集料填充定则；水胶比小于0.2时，磨细矿粉颗粒直径及用量遵循强振捣混凝土集料填充定则；磨细矿粉使用量以现代混凝土集料填充定则集料空隙率取值下限为优。

理想的混凝土粗骨料粒径与细骨料的平均颗粒直径有关。高强度水泥砂浆在混凝土中的“加筋”“环箍”“网络”“蛋壳”效应，混凝土粗骨料强度可以低于混凝土的抗压强度。现代混凝土粗集料的最大颗粒直径不大于钢筋最小间距的二分之一，粗集料最大颗粒直径不宜大于20mm，最好不大于16mm。

混凝土集料颗粒直径比例共用区间及高效减水剂的使用，使根据混凝土拌和物稠度划分的混凝土是相对的：干硬(稠)混凝土在加入适量外加剂后，可以变成塑性或者自密实混凝土；自密实混凝土去掉外加剂后，可能就成为塑性或者干硬(稠)混凝土。

高效减水剂和水泥、拌和物温度有一个相互适应性问题。

5.混凝土水泥凝胶结合水因水泥品种不同而有所不同。混凝土水泥凝胶最致密结合时最小结合水水灰比为0.13013，水泥凝胶珠状网格结构时最大结合水水灰比为0.35503(以后按0.36计)；混凝土水泥石形成筋状网格结构的最大结合水水灰比为0.41667(以后按0.42计)。

混凝土中，水灰比大于0.36的水为游离水。游离水是影响混凝土强度和耐久性的主要原因。混凝土水灰比大于0.36时，使用磨细矿粉不能增加混凝土28天强度。

水泥胶凝分子最小直径为9.28()埃(9.28×10^-10m)，即水泥胶凝分子直径至少是水分子直径的9.28倍。混凝土水灰比0.36时，水泥凝胶孔边长为3.9()埃，使20℃混凝土水发生渗透的压力在700Mpa以上；混凝土水灰比小于0.36时，混凝土中无游离水，不会发生碱集料反应；水泥凝胶中的水结冰温度在零下80以下。

合理比例的混凝土水灰比小于0.42时，混凝土中水泥砂浆具有较大的容重(水泥砂浆容重2100-2600kg/m³)，混凝土黏聚性强，水泥砂浆“浮力”与粗骨料表观密度接近，骨料不易下沉或者上浮，混凝土不离析，具有很好易密性和充填性。

水胶比0.5时，同颗粒直径磨细矿粉替换52％以下水泥熟料，理论上不会降低水泥强度(水泥熟料已经可以形成网格结构)；水胶比低于0.42时，同颗粒直径磨细矿粉替换水泥熟料，则水泥强度相对降低——水泥组成材料比例对混凝土有影响。

6.胶灰比分配定则：混凝土中，产生抗压强度的水泥胶凝物和产生抗弯拉强度的水泥灰集料，有大致1∶1的分配比例，这个比例在一定范围内向偏大于水泥灰集料的比例波动。用公式表达为：

C_胶≤C_灰…………………………1

右下角汉字表示该水泥重量是胶凝物或者灰集料。

单位体积混凝土中，一定数量水泥作为灰集料产生一个抗弯拉强度，作为胶凝物时，产生十个抗压强度；起“口袋”作用的产生最大抗压强度的水泥胶凝物最大水泥用量为138kg/m³；水泥胶凝物之外的水泥，产生抗弯拉强度，起的是“口袋”填充物的“粮食”的作用，为水泥灰集料(正常用量大于等于138kg/m³)。

C_胶＝138kg/m³…………………………2

特别优化的干硬混凝土，单位体积水泥用量为300kg/m³左右时，具有最大抗压强度。无骨料混凝土具有最大的抗弯拉强度。

水泥胶凝物数量足够时，“口袋”中的“粮食”能够产生的最大抗压强度R_max与混凝土工作性调整系数A及集料的筒压强度F成正比：

R_max＝10AF………………………………3

显然，普通集料混凝土和防护混凝土集料能够产生的最大抗压强度远远大于“口袋”的强度。

7.最大堆集密度原理：在合理重量比例和合理颗粒直径比例情况下，混凝土颗粒直径细一级材料完全填充到颗粒直径粗一级组成材料形成的空隙中，使混凝土具有最小空隙率，最大堆集密度。用公式表达为：

D₁＝P_D1(1-e_D1)      …………………………4

D₂＝e_D1P_D2(1-e_D2)   …………………………5

D₃＝e_D1e_D2P_D3(1-e_D3)…………………………6

……

D_n＝e_D1e_D2e_D3……e_Dn-1P_Dn(1-e_Dn)………………7

式4—式7中：D₁，D₂，D₃，……，D_n表示颗粒直径由粗到细的混凝土主要材料，并且任意颗粒直径D_n-1/D_n≥2.4；n为任意正整数。

由胶灰比分配定则和最大堆集密度原理我们推出：当水泥的表观密度为2550-2750kg/m³时，干硬性混凝土水泥合理用量为280-398kg/m³；塑性混凝土水泥合理用量为348-460kg/m³；自密实混凝土水泥合理用量为398-510kg/m³。

8.混凝土拌和物体积及混凝土空隙率：

混凝土拌和物体积为混凝土全部组成材料表观体积之和：

V_砼＝V_X+V_Y+V_C+V_S+V_W+V_H………………8

良好施工情况下，混凝土的空隙为水成空隙、气成空隙、热挥发性材料形成的贯通空隙之和。

混凝土水成空隙体积为：

V_W＝W-0.36S………………………………9

S为合格合理磨细矿粉总重量。

混凝土气成空隙V_Q与施工人员的施工水平、混凝土材料性质有关。施工水平材料性质良好时，混凝土气成空隙体积V_Q为混凝土表观体积的(0-1)％；施工水平材料性质一般或者较差时，混凝土气成空隙体积V_Q为混凝土表观体积的(1.1-5)％。

渗透混凝土中，低热挥发性材料H在混凝土中产生的贯通空隙体积与环境温度、低热挥发性材料H用量有关。环境温度摄氏20℃以上时，低热挥发性材料H在混凝土中产生的贯通空隙体积一般为：

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