多组分混凝土理论及应用技术

1概述

混凝土是当今建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一，全国每年就有数十亿立方米混凝土的需求，而且随着国家基础建设的加大投入，每年的混凝土用量仍呈递增趋势。伴随混凝土用量的增长，混凝土专业技术人员的增加，混凝土整体质量逐年提升，但和国外相比还存在较大差距，主要体现在混凝土的和易用性和耐久性上。这是因为因区域的不同用于混凝土生产的原材料质量千差万别，而为了应付生产，找不到适合的原材料只能以次充好，就拿混凝土胶凝材料来说，目前大量用于混凝土生产的胶凝材料就是通用硅酸盐水泥中的普通硅酸盐水泥，众所周知，普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，而混合材是降低水泥材料成本的唯一途径，这样有些水泥厂为了追求水泥利润，加大混合材的掺加量，远远超过20%混合材的限制，而这样的水泥运到商品混凝土站后在生产过程中还要掺加混合材，对于商品混凝土站来说，并不清楚水泥厂所掺加的混合材的种类和数量，于是就形成了生产混凝土经常出现的质量问题，如水泥和外加剂的适应性问题，混凝土滞后泌水，混凝土凝结时间不正常，混凝土开裂、碳化加剧等等，大大增加了混凝土生产过程质量控制的难度。

1.1技术背景

目前混凝土搅拌站生产使用的水泥主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，按照水泥标准检验，水泥本身的技术指标如强度、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等都能满足国家标准的要求。但在使用过程中，经常出现水泥与外加剂适应性差、强度波动大、混凝土滞后泌水、凝结时间不正常等问题，从而给混凝土生产和质量控制带来了不利影响，也给企业带来了一定的经济损失和声誉影响。通过大量试验研究可知，产生这些问题的主要原因与水泥中混合材的品种和掺量变化有直接关系，特别是使用同一强度等级的水泥配制某强度等级的混凝土时水泥用量差别很大，对混凝土企业提高产品质量、控制成本带来很大的困难。

1.2能源与经济效益的优化配置

在水泥生产过程中，大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨最后均化的工艺，然后将水泥出售到混凝土生产企业，这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨，再与熟料混合均化后形成水泥，将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了二次运输，提高了综合运输成本。如果我们在混凝土生产中采用P·II硅酸盐水泥，将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料，由供应商运输到粉磨厂粉磨后，直接销售到混凝土企业,其技术效果不变，但可以减少一次运输，降低了综合运输成本。

为了提高搅拌站对混凝土质量控制的稳定性和混凝土配合比设计的合理性，同时降低混凝土企业的成本，总公司生产技术部根据专家建议立项进行了P·II水泥在预拌混凝土中的应用技术研究项目。

2技术原理与技术方案

为了解决当前配制混凝土时水泥用量与混凝土强度之间对应关系，特别是使用同一强度等级的水泥配制某强度等级的混凝土时水泥用量差别很大，水泥与外加剂的适应性不好的难题，实现提高混凝土企业产品质量、控制成本的目的。

2.1研究思路

（1） 确定水泥强度与混凝土强度直接的对应关系计算公式，建立配制单位强度混凝土所用水泥量的计算公式；（2）建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式；（3）为了改善混凝土的耐久性，胶凝材料的最佳水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比，凝固后浆体形成的孔结构最合理；（4）外加剂的调整以标准稠度为基准，配制的混凝土在拌合物状态下，可以保证混凝土拌合物不离析不泌水。通过以上三个参数计算公式的确定和外加剂的调整，将水泥、掺合料、外加剂、水分与混凝土的工作性、强度和耐久性紧密结合起来。

2.2技术方案

（1）水泥的生产

试制硅酸盐水泥，测定需水量、强度、比表面积、三氧化硫、密度。分析同一强度等级的水泥在某强度的混凝土配比中水泥用量不同的原理，外加剂与水泥适应性差的原因。

（2混凝土的配制

多组分混凝土配合比设计方法，包括水泥用量的确定方法，掺合料分配的方法，拌合水量确定的方法，耐久性的改善的原理，合理砂率的确定方法;检测工作性、强度、耐久性。

3水泥强度与混凝土强度之间的关系

水泥强度的检验采用标准胶砂试验的方法，当标准养护的水泥胶砂试件破型检验时，标准砂并没有破坏，水泥浆体被压力破坏，因此我们认为纯水泥浆的强度大于水泥的标准养护强度。水泥水化形成的强度等于水泥标准养护强度除以水泥浆在标准胶砂中的体积比求得。

在配比不变时，影响水泥强度的主要因素是比表面积和水胶比。水泥粉磨得越细，比表面积就越大，与水接触的面积也越大，水化反应就会越充分，强度越高。此外，细磨时还会使水泥内晶体产生扭曲、错位等缺陷而加速水化。但是增大细度，迅速水化生成的产物层又会阻碍水化作用的进一步深入，所以增加水泥细度，只能提高早期水化速度，对后期强度和水化作用不明显，而对较粗的颗粒，各阶段的反应都较慢。

水泥加水搅拌后达到充分反应水化形成浆体的合理水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比，这一水胶比对应的水有两个作用，其一是保证水泥充分水化的水，其二是保证水泥颗粒达到充分水化所需的匀质性。水胶比在此范围内变化时，适当增大水胶比，可以增大水化反应的接触面积，使水化速度加快，早期强度提高，但水胶比过大，会使水泥石结构中孔隙太多，而降低其强度，故水胶比不宜太大。若水泥水化时水胶比过小，水化反应所需水量不足，会延缓反应进行。同时，水胶比过小，则没有足够孔隙来容纳水化产物而使未水化部分进一步水化，也会降低水化速度，强度降低，因此水胶比也不宜太小，最好控制在标准稠度用水量对应的水胶比。

3.1水泥在标准胶砂中体积比的计算公式

式中:

--------标准胶砂中水泥的体积比

-------------标准胶砂中水泥的用量

-------------水泥的密度

------------标准胶砂中砂的用量

-----------砂的密度

-------------标准胶砂中水的用量

----------------水的密度

水泥密度与标准胶砂中水泥的体积比的关系   表1

3.2水泥水化形成的强度计算公式,

式中

--------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度

---------标准胶砂的强度

---------标准胶砂中水泥的体积比

水泥强度、水泥的体积比与浆体强度对照      表2

3.3标准稠度水泥浆表观密度计算公式

-----------------------------标准胶砂中纯浆体的密度

---------------------------------标准胶砂中水泥的标准稠度用水量

------------------ 标准胶砂中水泥的密度

水泥的标准稠度用水量、水泥的密度与水泥浆体的密度对照    表3

3.4提供1MPA强度所需水泥用量计算公式

------------------------------------1MPA强度所需水泥用量

-----------------------------标准胶砂中纯浆体的密度

---------------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度-

3.4提供1MPA强度所需水泥用量计算公式

水泥强度、纯浆体的强度、水泥浆体的密度、1MPA强度水泥用量对照      表4

解释了同样强度等级的水泥配制混凝土时水泥用量差别很大的原因。

4.掺合料活性的计算

掺合料在混凝土中的作用主要是降低水化热，改善工作性，提高耐久性。在配合比设计过程中，我们主要考虑反应活性和填充效应。反应活性用活性系数表示，活性系数指同样质量的掺合料产生的强度与对比试验水泥强度的比值。填充效应用填充系数表示，填充系数指矿物掺合料的比表面积与表观密度的乘积除以对比试验水泥的比表面积与表观密度的乘积的二次方根。

4.1粉煤灰

4.1.1填充系数的计算

原状灰的细度与电厂制煤系统和收尘装置有关。粉煤灰颗粒中的玻璃微珠粒径为0、5～100μm，大部分在45μm以下，平均粒径为10～30μm；海绵状颗粒粒径 (含碳粒)范围为10～30Oμm，大部分在45μm以上。I级灰和磨细粉煤灰中海绵状颗粒较少。GB/T18736规定以45μm(用气流筛测定)筛余百分数和透气法测比表面积来评定粉煤灰的细度。本项目提出粉煤灰填充系数的计算方法如下： 

本项目提出粉煤灰填充系数的计算方法如下：

水泥的填充系数:

 ------水泥的填充系数(基准数据)

------水泥的密度

------水泥的笔表面积

粉煤灰的填充系数:

 -----------粉煤灰的填充系

 ------------粉煤灰的密度

 --------粉煤灰的的比表面积

其物理意义为1千克的粉煤灰填充效应产生的强度相当于u2千克的水泥填充效应产生的强度。。

4.1.2活性指数的计算  

粉煤灰是由多种不同形状的颗粒混合堆聚的粒群，其中只有硅酸盐或铝硅酸盐玻璃体的微细颗粒、微珠和海绵状玻璃体是有活性的；而结晶体，如石英，在常温下火山灰性质就不够明显；莫来石则是惰性成分；富铁微珠活性较低甚至惰性；碳粒则不是火山灰物质。一般说，玻璃体与结晶体比值越高，粉煤灰的活性也越好。

（1）活性指数测定试验

测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度，以二者抗压强度之比确定粉煤灰试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表

表5试验胶砂和对比胶砂材料用量

（2）结果计算

a．活性指数的国家标准计算方法：

式中：H28——活性指数（%）；

R1——试验胶砂28d抗压强度（Mpa）； 

R0——对比胶砂28d抗压强度（MPa）。

计算结果精确至1%。

b．活性指数的准确计算方法

根据对比胶砂可知：450g水泥提供强度50MPa，则315g水泥提供的强度为0.70R0=35MPa，135g水泥提供的强度为0.30R0=15MPa；试验胶砂提供的强度包括315g水泥提供的强度由0.70R0=35MPa计算得到， 135g粉煤灰提供的强度由R1 -0.70R0=10MPa计算得到；则粉煤灰的活性指数由下式求得：

——活性指数（%）；

R1——试验胶砂28d抗压强度（Mpa）； 

R0——对比胶砂28d抗压强度（MPa）。

粉煤灰的活性-------------αF

粉煤灰的取代系数---------δc

代入数据可得粉煤灰的活性系数：αF=0.67

粉煤灰的取代系数δc=1.5

这样，我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg粉煤灰可以取代0.67kg与对比试验相同的水泥。或者用1.5kg粉煤灰取代1kg与对比试验相同的水泥。摒弃传统观念中粉煤灰等量取代和超量取代水泥的思路，准确合理地使用了粉煤灰。

粉煤灰活性等级、活性指数、活性系数与水泥取代系数的关系       表6

解释了同一强度等级的粉煤灰在取代水泥时用量差别很大的原因。

4.2矿渣粉

4.2.1填充系数的计算

随着矿渣粉比表面积的增大，矿渣的平均粒径减小。当比表面积为300m2/kg时，平均粒径为21.2μm；比表面积为40Om2/kg时，平均粒径为14.5μm；比表面积800m2/kg时，平均粒径为2.5μm，仅为比表面积300m2/kg的矿渣粒径的1/8左右。          

粒径大于45μm的矿渣颗粒很难参与水化反应，因此要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减小泌水性。比表面积为600～10OOm2/kg的矿渣粉用于配制高强混凝土时的最佳掺量为30%～50%。矿渣磨得越细，其活性越高，掺入混凝土后，早期产生的水化热越大，越不利于降低混凝土的温升；当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝土时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；但矿渣粉的填充效应增加，矿渣粉的填充系数可以用下式求得： 

--------矿渣粉的填充系数

--------矿渣粉的密度

--------矿渣粉的比表面积

计算求得的填充系数，其物理意义为1千克的矿渣粉填充效应产生的强度相当于u3千克的水泥填充效应产生的强度。粉磨矿渣要消耗能源，成本较高；矿渣粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌合物越黏稠。用于高性能混凝土的矿渣粉的细度一般要求比表面积达到400m2/kg以上，至于最佳细度的确定，需根据混凝土工程的性能要求，综合考虑混凝土的温升、自收缩以及电耗成本等多种因素。

4.2.2活性指数的计算

（1）矿渣粉活性指数测定试验

测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度，以二者抗压强度之比确定矿渣粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表7

表7测定矿渣粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量

(2)结果计算

A 活性指数的标准计算方法：

矿渣粉活性指数按下式计算：

式中：A—28d活性指数，%；

R0—对比砂浆28d抗压强度，MPa；

R2—试验砂浆28d抗压强度，MPa。

计算结果精确至1%。

b 活性指数的准确计算方法

根据对比胶砂可知：450g水泥提供强度50MPa，则225g水泥提供的强度为0.50R0=25MPa；试验胶砂提供的强度包括225g水泥提供的强度由0.50R0=25MPa计算得到， 225g矿渣粉提供的强度由R2 -0.50R0=20MPa计算得到；则矿渣粉的活性指数由下式求得：

式中：—28d活性指数；

R0—对比砂浆28d抗压强度，MPa；

R2—试验砂浆28d抗压强度，MPa。

矿渣粉的活性-------------αK 

矿渣粉的取代系数---------δk

代入数据可得矿渣粉的活性指数：αK =0.8

    矿渣粉的取代系数δc=1.25

这样，我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg矿渣粉可以取代0.8kg与对比试验相同的水泥。或者用1.25kg矿渣粉取代1kg与对比试验相同的水泥。摒弃传统观念中矿渣粉等量取代和超量取代水泥的思路，准确合理地使用了矿渣粉。实现矿渣粉的准确合理利用。

矿渣粉活性与取代系数的关系     表8

解释了同一等级的矿渣粉在取代水泥时用量差别很大的原因。

4.3硅灰

4.3.1填充系数的计算

作为超细矿物掺合料，硅灰的平均粒径度为0.1μm，仅为水泥平均粒径的几百分之一，主要用来配制高强高性能混凝土，掺入水泥混凝土后能很好地填充于水泥颗粒空隙之中，使浆体更致密。

硅灰的填充增加强度的具体计算按以下公式：

---------------硅灰的填充系数

---------------硅粉的密度

---------------硅粉的比表面积

其物理意义为，我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg硅灰可以取代u4kg与对比试验相同比表面积的水泥，充分利用了硅灰的填充功能，实现硅粉的准确合理利用。

4.3.2硅灰活性指数的计算

（1）硅灰活性系数测定试验

测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度，以二者抗压强度之比确定硅粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表9。

表9测定硅粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量

（2）结果计算

A  活性指数的标准计算方法：

硅粉28d活性指数按下式计算：

式中：A28—28d活性指数，%；

R0—对比砂浆28d抗压强度，MPa；

R4—试验砂浆28d抗压强度，MPa。

计算结果精确至1%。

b  28d活性指数的准确计算方法

根据对比胶砂可知：450g水泥提供强度50MPa，则405g水泥提供的强度为0.90R0=45MPa；试验胶砂提供的强度包括45g水泥提供的强度由0.10R0=5MPa计算得到， 45g硅粉提供的强度由R4-0.90R0=3MPa计算得到；则硅粉的活性指数由下式求得：

式中：—28d活性指数；

R0—对比砂浆28d抗压强度，MPa；

R4—试验砂浆28d抗压强度，MPa。

       代入数据可得硅粉的活性指数：αSi =6

       硅粉的取代系数δSi= 0.17

其物理意义为，我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg硅灰可以取代6kg与对比试验相同比表面积的水泥，或者用0.17kg硅灰可以取代1kg与对比试验相同比表面积的水泥，摒弃传统观念中硅粉取代水泥5—20%的思路，准确合理地使用了硅粉。

硅灰填充系数与取代系数的关系     表10

解释了不同比表面积的硅灰在取代水泥用量差别很大的原因。

5外加剂的适应性问题探讨

水泥对混凝土工作性的影响主要是水泥中  C3A含量、石膏、水泥需水量和比表面积, 水泥与外加剂适应性的影响原理如下：

5.1水泥中C3A含量对适应性的影响

铝酸三钙的水化反应迅速，且放热量大，通常在加水后几分钟内开始快速反应，石膏含量较少时，几小时就基本水化完全。其水化产物的组成与结构受溶液中氧化钙、氧化铝的浓度反应温度的影响很大。

其化学反应式如下：

3CaO·Al2O3十21H2O→4CaO·Al2O3·13H2O十2CaO·Al2O3·8H2O

简写为：

                            C3A十21H →C4AH13十C2AH8

    C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态，随时间延长会逐渐转变为更稳定的等轴立方晶体C3AH6，该反应将随温度升高而加速进行，由于C3A本身水化热很高，所以极易进行反应。当温度升高到25～40℃以上时，甚至会直接生成C3AH6晶体。在高于80℃时。几乎立即生成C3AH6 (即水石榴子石)。

    为防止水泥的急凝或瞬凝，在水泥粉磨时需掺有一定量的石膏，以保证正常凝结时间，防止急凝的发生。

    当石膏和氧化钙同时存在时，虽然C3A也会快速水化生成C4AH13，但接着C4AH13就会与石膏反应，其反应方程式如下：

4CaO·Al2O3·13H2O十3（CaSO4·2H2O）十l4 H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O十Ca(OH)2

简写为：

                   C4AH13十3CSH2十14H→C3A·3CS·H32十CH

    上述反应产物三硫型水化硫铝酸钙(C3A·3CS·H32)称为钙矾石。由于其中铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相，故常用AFt表示。钙矾石不溶于碱溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保护层，阻碍了水与C3A进一步反应，因此降低了水化速度，避免了急凝。

    当C3A尚未完全水化而反应剩余的石膏不足以形成钙矾石时，则C3A水化所形成的C4AH13，又能与先前形成的钙矾石继续反应生成单硫型水化硫铝酸钙，以AFm表示。反应方程式如下：

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O十2(4CaO·Al2O3·13H2O)

→3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)十2 Ca(OH)2十20 H2O

简写为：

             C3A·3CS·H：32十2C4AH13→3(C3A·CS·H12)十2CH十20H

    当石膏剩余极少，在所有的钙矾石都转化成单硫型水化硫铝酸钙后，剩下尚未水化的C3A将会继续反应生成C4AH13及C4AS·H12和C3AH6的固溶体。

    由上可知，C3A水化产物的组成和结构与实际参加反应的石膏量有重要关系, C3A和石膏参加反应的合理质量比例为1568:516，近似于3:1。

当C3A单独与水拌和后。几分钟内就开始快速反应，数小时后即完全水化，因此与外加剂的适应性很差。在掺有石膏时，反应则能延缓几小时后再加速水化，这是因为石膏降低了铝酸盐的溶解度，而石膏和氢氧化钙同时存在时则会更进一步使其溶解度减小到几乎接近于零，因此掺加石膏可以调整外加剂与水泥的适应性。当石膏用量控制在3--5%时，控制水泥中C3A可以改善外加剂与水泥的适应性。

5.2水泥中的SO3对适应性的影响

5.2.1石膏的缓凝机理

对于石膏的缓凝机理，存在着不同的观点。目前，一般认为，石膏在Ca(OH)2饱和溶液中与C3A作用。生成溶解度极低的钙矾石，覆盖于C3A颗粒表面并形成一层薄膜，阻滞水分子及离子的扩散，延缓了水泥颗粒特别是C3A的进一步水化，故防止了快凝现象，随着扩散作用的继续进行，在C3A表面又生成钙矾石，当固相体积增加所产生的结晶压力达     到一定数值时，钙矾石薄膜就会局部胀裂，而使水化继续进行，接着又生成钙矾石，直至溶液中的SO42—离子消耗完为止。因此石膏的缓凝作用是在水泥颗粒表面形成钙矾石保护膜，阻碍水分子移动的结果。                             

5.2.2石膏的最佳掺量                             

试验表明，石膏对水泥凝结时间的影响，并不与掺量成正比，并带有突变性，如图1-1-12所示。石膏掺量(以SO3计)小于1.3%时，不足以阻止快凝，当SO3含量继续增加，才有明显缓凝作用，而掺量超过2.5%，对凝结时间的影响不大。因此，石膏最佳掺量是决定水泥凝结时间的关键。所谓石膏最佳掺入量是指使水泥凝结正常、强度高、安定性良好的掺量。许多学者认为石膏最佳掺入量的原则是水泥加水24h石膏刚好被耗尽的数量. 经过计算可知， C3A和石膏参加反应的合理质量比例为1568:516，近似于3:1。当水泥中C3A在时，控制水泥中SO3含量2—2.5%可以有效解决欠缺SO3引起的外加剂适应性问题。

5.3水泥需水量与比表面积对适应性的影响

在水泥水化过程中，水泥粉磨得越细，比表面积就越大，与水接触的面积也越大，需水量越大，对外加剂的吸附越多。在其他条件相同的情况下，水化反应就会越快，表现为外加剂与水泥的适应性越差。此外，细磨时还会使水泥内晶体产生扭曲、错位等缺陷而加速水化。但是增大细度，迅速水化生成的产物层又会阻碍水化作用的进一步深入，所以增加水泥细度，只能提高早期水化速度，降低了外加剂与水泥的适应性。

5.4胶凝材料复合对外加剂适应性的影响

在混凝土生产过程中，胶凝材料使用了水泥、矿粉、煤灰和硅灰，这些材料复合后形成的产品实质上是一种复合水泥，由于矿粉、粉煤灰和硅灰中不含石膏，因此复合水泥中缓凝剂石膏不足可以引起混凝土急凝、假凝，这个因素可以采用控制胶凝材料SO3含量2-2.5%达到改善水泥与外加剂适应性的目的；掺合料的需水量与水泥不同，在检测方法不变时由于检测用水量小于胶凝材料的标准稠度用水量引起外加剂与混凝土的适应性变差，可以通过调整用水量解决这一难题，胶凝材料需水量的确定方法如下：

 5.4.1试验法

在已知水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的比例后，按照已知的比例将各种胶凝材料混合成复合胶凝材料，采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得胶凝材料的标准稠度用水量为W，对应的有效水胶比，求得搅拌胶凝材料所需水量为胶凝材料总量乘以有效水胶比。

5.4.2计算法

通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后，按照胶凝材料的需水量系数通过加权求和计算得到搅拌胶凝材料所需水量：

，

反过来求得搅拌胶凝材料的有效水胶比。

5.5外加剂合理用量的确定

采用以上水胶比，以推荐掺量进行外加剂的最佳掺量试验，即可求得外加剂的最佳用量，解决了外加剂与水泥以及掺合料的适应性问题。

6 混凝土配比设计

由多组分混凝土强度理论数学模型

可知，多组分混凝土硬化后单位体积内的石子、砂子均没有参与胶凝材料的水化硬化，其体积没有发生改变，分别为Vg、Vs，混凝土的强度由硬化水泥混合砂浆理论强度、胶凝材料的填充强度贡献率和硬化密实浆体的体积百分比决定。以下介绍依据现代多组分混凝土理论进行混凝土配合比设计的具体步骤。

胶凝材料和外加剂的确定，以使用水泥配制混凝土为计算基础，根据水泥强度、需水量和表观密度求出1MPA强度水泥的用量，以此计算出满足设计强度等级所需水泥的量, 其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求得胶凝材料的合理分配比例，然后用胶凝材料求得标准用水量对应的水胶比，在这一水胶比条件下确定合理的外加剂用量以及胶凝材料所需的搅拌用水量。

集料的确定，首先测得石子的空隙率，根据砂子完全填充于石子的空隙中求得每立方混凝土砂子的准确用量，然后按照混凝土体积组成石子填充模型，用石子的堆积密度扣除胶凝材料，即可求得每立方混凝土石子的准确用量，通过试验求得砂子和石子的吸水率即可求得润湿砂石所需的水。在计算的过程中，除去含气量，由于砂子的空隙率所占体积和胶凝材料水化所需水分在混凝土最后占据的体积基本相同，因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。

6.1配制强度的确定： 

现代多组分混凝土的配制强度按现行规范fcu、p=fcu、o+1.645σ确定。

不同强度等级混凝土σ值按表11确定

表11混凝土的σ取值表

6.2水泥浆理论强度σ0的计算

由于配制设计强度等级的混凝土选用的水泥是确定的，在基准混凝土配比计算时取水泥为唯一胶凝材料，则σ0的取值等于水泥标准砂浆的理论强度值σ0，

vco-------标准胶砂中水泥的体积比

C0--------标准胶砂中水泥的用量

------------------水泥的密度

--------------------砂的密度

--------------------水的密度

S0------------标准胶砂中砂的用量

W----------标准胶砂中水的用量

则

------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度

----------------------------标准胶砂的强度

-------------------标准胶砂中水泥的体积比

6.3水泥基准用量的确定

依据石子填充法设计思路，当混凝土中水泥浆体的体积达到100%时，混凝土的强度等于水泥浆体的理论强度值，即R=σ0，此时水泥浆体内含水泥的量可以通过下式求得：

水泥浆的表观密度：

W0------标准胶砂中水泥的标准稠度用水量

ρc0 ----------标准胶砂中水泥的密度

ρ0 ------------标准胶砂中纯浆体的密度

每兆帕混凝土对应的水泥浆质量由下式求得：

C----------提供1MPA强度所需水泥用量

ρ0 ----------标准胶砂中纯浆体的密度 

σC -------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度 

配制强度为为fcu、p的混凝土基准水泥用量为C01：

6.4掺合料用量的确定

设计中采用掺合料反应活性和填充强度贡献率折算后与水泥相等为基础，因此掺合料可由下式求得：

C01= B=α1C+α2F+α3K+α4 Si

C01 = u1C+ u2F+ u3K+u4Si

300≤C+F+K+Si≤600

式中：

C、F、K、Si ——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的用量；

α1、α2、α3、α4——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的活性系数；

u1、u2、u3、u4——分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的填充因子指数；

综合填充系数

6.4.1  C10～C30（大掺量粉煤灰）混凝土

由于C10～C30混凝土配比计算C0较小，用于生产普通混凝土时水泥用量C直接取C0计算值，但用于预拌混凝土或者自密实混凝土等富浆的混凝土时，我们需要增加一定的胶凝材料，根据我国现行规范，预拌或者自密实等富浆的混凝土中的胶凝材料用量不少于300kg, 除水泥外的胶凝材料由活性较低的粉煤灰、炉渣粉等代替，不考虑填充效应。可以由以下公式求得：

C0=α1C+α2F

C+ F=300

可以准确求得：水泥用量，粉煤灰（炉渣粉）用量。

6.4.2   C30～C55掺复合料（矿粉和粉煤灰）混凝土

由于C30～C50混凝土配合比计算值C0为水泥，用于生产普通混凝土时水泥用量直接取计算值C0，但为了降低混凝土的水化热，掺加一定的矿物掺合料，可以有效地预防混凝土塑性裂缝的产生，本计算方法确定将水泥的量控制在C0的70%以下。根据我国国情，矿粉和粉煤灰是来源较广，价格比较便宜的两种矿物掺合料，当生产预拌或者自密实等富浆的混凝土时, 应优先选用矿粉和粉煤灰代替部分水泥。根据现场实际情况，我们可以先确定水泥用量，然后求其余的两种。具体用量由以下公式求得：

C0= B=α1C+α2F+α3K

C0 = u1C+ u2F+ u3K

可以准确求得：水泥、粉煤灰和矿粉的合理用量。

6.4.3  C60～C100掺硅粉高强混凝土

由于C60～C100混凝土配比计算C0较大，用于生产普通混凝土或干硬性混凝土时水泥用量直接取计算值C0，当用于生产预拌混凝土、自密实或自流平等富浆的混凝土时，为了改善混凝土的工作性，降低水泥的水化热，预防混凝土塑性裂缝的产生，提高混凝土的耐久性，需要增加一定的矿物掺合料，根据我国国情，矿粉和硅灰是来源较广，价格比较便宜的矿物掺合料，应优先选用并部分代替水泥。本计算方法确定将水泥的量控制在450 kg以下。采用矿粉主要考虑活性系数，使用硅粉主要考虑填充效应，胶凝材料总量控制在600kg左右。具体计算由以下公式求得：

C0= B=α1C+α3K+α4Si

C0 = u1C + u3K+α4Si

C + K+ Si=600

可以准确求得：水泥、矿粉和硅灰用量。

6.5减水剂及用水量的确定

   6.5.1胶凝材料需水量的确定

 （1）试验法

通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后，按照已知的比例将各种胶凝材料混合成复合胶凝材料，可以采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得胶凝材料的标准稠度用水量对应的水胶比W/B。求得搅拌胶凝材料所需水量W1为胶凝材料总量乘以水胶比。

（2）计算法

通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后，按照胶凝材料的需水量系数通过加权求和计算得到搅拌胶凝材料所需水量W1，同时求得搅拌胶凝材料的有效水胶比。

6.5.2  外加剂用量的确定

采用以上水胶比，以推荐掺量进行外加剂的最佳掺量试验，即可求得外加剂的最佳用量。

6.6砂子用量的确定

6.6.1  砂子用量的确定

首先测得石子的空隙率p，由于混凝土中的砂子完全填充于石子的空隙中，每立方混凝土中砂子的准确用量为砂子的堆积密度乘以石子的空隙率，则砂子用量计算公式如下：

S=ρS ×p

6.6.2  砂子润湿用水量的确定

称量1kg砂子，放到水中浸泡至表面润湿状态，测得吸水率，用吸水率乘以砂子用量即可求得润湿砂子的水量：

W2 = S×吸水率

6.7 石子用量的确定

6.7.1  石子用量的确定

根据混凝土体积组成石子填充模型，在计算的过程中，除去含气量，由于砂子的孔隙率所占体积和胶凝材料水化所需水分在混凝土最后占据的体积基本相同，因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。用石子的堆积密度扣除胶凝材料，即可求得每立方混凝土石子的准确用量，则石子用量计算公式如下：

G =ρg堆积 - (VC+VF+VK+VSi) ×ρg表观

6.7.2  石子润湿用水量的确定

称量1kg石子，放到水中浸泡至表面润湿状态，测得吸水率，用吸水率乘以石子用量即可求得润湿砂子的水量：

W3 = G×吸水率

6.8总用水的确定

通过以上计算，混凝土搅拌胶凝材料所用水量为W1；

    润湿砂子所需的水W2；

润湿石子所需的水W3；

混凝土总的用水量W =W1 +W2 +W3

6.9混凝土的试配、配合比调整及生产

由上可知，混凝土体积组成石子填充模型是适用于现代多组分混凝土配合比设计的数学模型，经过数学推导得到混凝土配合比设计中水泥、掺合料、砂、石、外加剂和拌合用水量等组成材料的准确计算公式,解密了混凝土各组成与强度之间的定量关系，实现了现代混凝土配合比设计和强度的科学定量计算。在此基础上我们编制了混凝土配合比设计计算软件，提出了预湿集料生产工艺，应用于重点工程的预拌混凝土生产，取得了良好的技术经济效果。表2-1-2是我们应用以上设计方法编制的计算软件，采用预湿集料工艺在重点工程进行配合比设计的实际生产数据。

7 提高混凝土耐久性的思路

影响水泥混凝土耐久性的因素是多方面的，所处的环境和使用条件不同，对其耐久性的要求也不同，但是影响耐久性的因素却有许多相同之处，密实程度是影响耐久性的主要因素，其次是原材料的性质、施工质量等。密实程度主要取决于混凝土中浆体的孔结构,因此，混凝土耐久性的改善应从影响孔结构的因素着手。

7.1提高密实度，改善孔结构

    正确设计混凝土的配合比，控制合理的水胶比，保证足够的胶凝材料用量，选择合理的集料级配，提高施工质量，采取适当的养护措施，保持水化的适宜温度和湿度，保证水泥水化硬化的正常进行，掺加合适的减水剂、加气剂等外加剂，可提高混凝土的密实度，改善孔结构。

    施工中加强搅拌，可防止各组分产生离析分层现象，提高混凝土的均匀性和流动性，使拌合物能很好地充满模板，减少其内部空隙；另外，强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出其内部气泡，减少显孔、大孔，尤其是连通孔，提高其强度，从而提高其抗渗能力，最终达到改善其耐久性的目的。

   采用减水剂可以在保证和易性不变的情况下，大大减少拌和用水量，降低水胶比，从而减少混凝土内部空隙，提高其强度。如采用加气剂则可引入大量50～123μm的微小气泡，隔绝浆体结构内毛细管通道，阻碍水分迁移，减少泌水现象;同时由于其变形能力大，因而可明显提高结构的抗渗、抗冻等能力。

7.2选择适当熟料矿物组成的水泥

    水泥中的各熟料矿物对侵蚀的抵抗能力是不相同的，所以在使用水泥时。应根据环境的不同而选择不同熟料矿物组成的水泥，可改善水泥的抗蚀能力。

如降低熟料中C3A的含量，相应增加C4AF的含量，可以提高水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力。研究表明，在硫酸盐作用下，铁铝酸钙所形成的水化硫铁酸钙或其与硫铝酸钙的固溶体，系隐晶质呈凝胶状析出，而且分布比较均匀。因此其膨胀性能远比钙矾石小。而且硫酸盐对其侵蚀速度随A/F减小而降低，A/F＜0、7时，水泥性能最稳定；A/F=0、7～1、4时，水泥稳定性较好；A/F＞1、4时，水泥不能稳定存在。

由于C3S在水化时析出较多的Ca(OH)2，而Ca(OH)2又是造成溶出侵蚀的主要原因，所以适当减少C3S的含量，相应增加C2S的含量，也能提高水泥的抗蚀性，尤其是抗淡水侵蚀的能力。

    水泥中掺入石膏量的不同，对其耐久性也有一定影响。具有合理颗粒级配和最佳石膏掺量的细磨水泥具有较强的抗海水侵蚀的能力。这主要是在水化早期，C3A快速溶解并与石膏生成大量钙矾石，此时水泥浆体尚具有足够的塑性，可将钙矾石产生的膨胀应力分散，不但不会产生膨胀破坏，反而使水泥石更加致密。若石膏掺量不足，生成大量单硫型水化铝酸钙，则会与外来侵蚀介质硫酸盐反应生成二次钙矾石，产生膨胀导致硬化浆体开裂。但应注意，石膏的最大掺量是保证钙矾石的生成在水化早期完成，以免在硬化后期产生膨胀破坏而影响安定性。

此外，严格控制水泥中碱含量，防止或明显抑制碱-集料反应，也是提高水泥耐久性的有效途径。

7.3掺加适量矿物掺合料

    混凝土中掺加的掺合料的种类及其数量多少，也会影响耐久性。一般说来，硅酸盐水泥中，掺加火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣，可以提高其抗蚀能力。因为熟料水化时析出的Ca(OH)2能与掺合料中所含的活性氧化硅相结合，生成低碱度的水化产物，反应式如下：

xCa(OH)2十SiO2·aq→2CaO·SiO2·aq

    在掺合料掺量一定时，所形成的水化硅酸钙中C/S接近于1，使其平衡所需的石灰极限浓度仅为0。05～0、09g/L，比普通水泥为稳定水化硅酸钙所需要石灰浓度低很多，因此，在淡水中的溶析速度要显著减慢；同时，还能使水化铝酸盐的浓度降低，而且在氧化钙浓度降低的液相中形成的低碱性水化硫铝酸钙溶解度较大，结晶较慢，不致因膨胀而产生较大的应力。另外，掺加掺合料后，熟料所占比例减少，C3A和C3S的含量相应降低，也会改善抗蚀性；而且由于生成较多的凝胶，硬化水泥浆体的密实性得到提高，抗渗性和抗蚀性得到了改善。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性比硅酸盐水泥要强。矿渣水泥的抗硫酸盐性又随矿渣掺量的增加及矿渣中Al2O3含量的降低而提高。

   但火山灰水泥的抗冻性和大气隐定性不高。掺加火山灰质混合材料的水泥也不能抵抗含酸或镁盐的溶液侵蚀。在掺入烧黏土类火山灰质混合材料时，由于活性Al2O3含量较高，抗硫酸盐能力反而可能变差。

为保证水泥的正常水化，通常拌和用水量要大大超过理论上水化所需水量。当残留水分蒸发或逸出后，会留下相同体积的孔隙，这些孔的尺寸、形态、数量及其分布，是硬化水泥浆体的重要特征。

    硬化浆体中的孔分为毛细孔和凝胶孔两大类。由于在水化过程中，水不断被消耗，同时本身产生蒸发，使原来充水的地方形成空间，这些空间被生长的各种水化产物不规则地填充，最后分割成形状极不规则的毛细孔，其尺寸大小一般在10μm至100nm的范围内。另外，在C-S-H凝胶所占据的空间中存在凝胶孔，其尺寸更为细小，用扫描电子显微镜也难以分辨。关于其具体尺寸大小，各研究者观点尚未统一。

    还有人将凝胶孔分为胶粒间孔、微孔和层间孔三种，孔的尺寸在极为宽广的范围内变化，孔径可从10μm到0、0005μm。实际上，孔的尺寸具有连续性，很难明确地划分界限。对于一般的硬化水泥浆体，总孔隙率常常超过50%。因此，它就成为决定水泥石强度的重要因素。尤其当孔半径大于100nm时，就成了强度破坏的主要原因。但一般在水化24h以后，硬化浆体大部分(70%～80%)的孔径已在100nm以下。

    由于水化产物，特别是C-S-H凝胶的高度分散性，其中又包含有数量如此众多的凝胶孔，所以硬化水泥浆体具有极大的内表面积，巨大的内表面积必然处于高能状态，而表面能减小等趋势产生的表面效应，成了决定水泥浆体性能的一个重要因素。

1.国内外研究概况

1.1国内研究状况

混凝土是我国建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一，全国每年就有数十亿立方米混凝土的需求，而且随着国家基础建设的加大投入，每年的混凝土用量仍呈递增趋势。伴随混凝土用量的增长，混凝土专业技术人员的增加，混凝土整体质量逐年提升，但和国外相比还存在较大差距，主要体现在混凝土的和易用性和耐久性上。这是因为因区域的不同用于混凝土生产的原材料质量千差万别，而为了应付生产，找不到适合的原材料只能以次充好，就拿混凝土胶凝材料来说，目前大量用于混凝土生产的胶凝材料就是通用硅酸盐水泥中的普通硅酸盐水泥，众所周知，普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，而混合材是降低水泥材料成本的唯一途径，这样有些水泥厂为了追求水泥利润，加大混合材的掺加量，远远超过20%混合材的限制，而这样的水泥运到商品混凝土站后在生产过程中还要掺加混合材，对于商品混凝土站来说，并不清楚水泥厂所掺加的混合材的种类和数量，于是就形成了生产混凝土经常出现的质量问题，如水泥和外加剂的适应性问题，混凝土滞后泌水，混凝土凝结时间不正常，混凝土开裂、碳化加剧等等，大大增加了混凝土生产过程质量控制的难度。从2000年以来，国内多家混凝土咨询单位开始了利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术研究，具体思路就是做配合比试验，在试验室利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制了不同强度等级的预拌混凝土，技术效果明显，降低成本的作用比较理想，一旦投入使用，配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加，降低成本的目标就会受挫。最近几年这项技术的研究处于停滞状态。

1.2国外研究状况

    在国外，欧美国家属于发达国家，由于大多数地区处于发达状态，建筑行业处于相对稳定的循环经济状态，建设总量较小，由于国外没有矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，使用的水泥主要为纯硅酸盐水泥，因此不存在利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制不同强度等级预拌混凝土的应用技术问题，所以没有这方面的研究。

2本项目的创新点

2.1建立配制单位强度混凝土所用水泥量的计算公式

水泥强度的检验采用标准胶砂试验的方法，当标准养护的水泥胶砂试件破型检验时，标准砂并没有破坏，水泥浆体被压力破坏，因此我们认为纯水泥浆的强度大于水泥的标准养护强度。水泥水化形成的强度等于水泥标准养护强度除以水泥浆在标准胶砂中的体积比求得。确定了水泥强度与混凝土配制强度之间直接的对应关系计算公式，建立配制单位强度混凝土所用水泥量的计算公式,这些计算公式在国内外属于首创，具体包括以下几部分：水泥胶砂中水泥体积比的计算公式1；水泥胶砂中水泥水化形成的强度计算公式2；水泥胶砂中水泥浆体密度的计算公式3；提供1MPa强度所用水泥量的计算公式4；配制强度为fcuo的混凝土基准水泥用量的计算公式5。 

计算公式1----------        计算公式2----------------

计算公式3------       计算公式4--------------

计算公式 5------

2.2建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式

建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式，这些计算公式在国内外属于首创，具体包括以下五个计算公式：矿渣粉活性系数的计算公式6；粉煤灰活性系数的计算公式7；硅粉活性系数计算公式8；硅粉填充系数的计算公式9。

计算公式6-----------           计算公式7-----------

            计算公式9--------------

2.3建立胶凝材料合理用水量的计算公式

为了改善混凝土的耐久性，胶凝材料的最佳水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比，凝固后浆体形成的孔结构最合理，建立了胶凝材料合理用水量的计算公式10，这些计算公式在国内外属于独创。

计算公式10-----

2.4外加剂的调整方法

外加剂的调整以标准稠度为基准，外加剂的掺量以净浆流动扩展度达到220---240mm为基准，配制的混凝土在拌合物状态下，可以保证混凝土拌合物不离析不泌水。这种复合胶凝材料需水量与外加剂检验的科学方法，解决了外加剂与水泥适应性之间的矛盾；这种方法在国内外属于独创，通过以上调整方法对外加剂的调整，将水泥、掺合料、外加剂、水分与混凝土的工作性、强度和耐久性紧密结合起来。

3.技术经济效益的取得

3.1混凝土的配制方法

创立了多组分混凝土配合比设计方法，包括水泥用量的确定方法，掺合料分配的方法，拌合水量确定的方法，耐久性的改善的原理，合理砂率的确定方法;使混凝土的配合比设计更加合理、科学、实用，单方混凝土平均降低成本4元。这种设计方法的使用在国内外属独创。

3.2节约能源

在水泥生产过程中，大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨最后均化的工艺，然后将水泥出售到混凝土生产企业，这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨，再与熟料混合均化后形成水泥，将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了三次运输，提高了综合运输成本。这种技术原理和工艺设计方法的推广使用在国内属独创。采用本研究的技术原理与工艺，我们在混凝土生产中使用P·II硅酸盐水泥，将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料，由供应商运输到粉磨厂粉磨后，直接销售到混凝土企业,其技术效果不变，但可以减少一次运输，每方混凝土降低了综合运输成本1元，节约了柴油，减少了环境污染。

以上技术提高了搅拌站对混凝土质量控制的稳定性和混凝土配合比设计的合理性，同时降低了企业的生产成本。

4.对比结论

通过对比可知，本项目研究的技术解决了利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术难题，突破了在试验室利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制了不同强度等级的预拌混凝土，技术效果明显，降低成本的作用比较理想，一旦投入使用，配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加，降低成本的目标就会受挫的理论瓶颈。为这项技术的推广应用奠定了坚实的理论基础。

    本项技术的研究成功为水泥行业、混凝土行业和外加剂行业的发展具有重大的指导意义。对合理使用水泥、矿物掺合料、砂、石和外加剂，特别是推广应用P·II硅酸盐水泥配制预拌混凝土，合理使用掺合料,解决外加剂的适应性,降低企业生产成本，节约社会资源，起到了技术桥梁的作用，在国内外处于领先水平。