淺析當(dāng)前混凝土配合比設(shè)計存在問題的討論淺析當(dāng)前混凝土配合比設(shè)計存在問題彭文夫湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心摘要：高效減水劑和礦物摻和料的大量使用，使用傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計方法時，由于礦物摻和料與水泥的密度相差較大，計算混凝土配合比的假定容重法不再適用；現(xiàn)行以砂子絕干密度為基準(zhǔn)的方法造成較大的質(zhì)量管理難度；骨料質(zhì)量成了影響混凝土質(zhì)量的主要因素。改變礦物摻和料摻量時，應(yīng)當(dāng)保持漿骨比不變，以保持混凝土的體積穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：混凝土配合比假定容重法砂石飽和面干狀態(tài)的密度骨料級配等漿體體積OncurrentconcreteproportionsdesignproblemsofdiscussionPengWenFuHubeiprovincehighwayengineeringconsultationandsupervisioncenterAbstract:Becauseofutilizationlargelyonsuperplastisizerandmineraladmixtures,thetraditionalmethodofpresumptivedensityfordesignonmixproportionofconcretecannotbegeneraluse;Methodbasedabsolutedryofsandresultedindifficultyofqualitycontrol;Qualityofaggregateshavebecomethekeyfactortoaffectingqualityofconcrete..whendosageofmineraladmixtureswerechanged,thepastetoaggregateratioshouldbekeptconstantforkeepingvolumestabilityofconcrete.Keywords:mixproportionofconcrete,methodofpresumptivedensity,densityofaggregateinsaturateandsurfacedry,gradeofaggregate,equalvolumeofpaste自從1918年美國的D.Abrams經(jīng)5萬屢次試驗，，在“混凝土配合成分的設(shè)計〞一文中提出混凝土的水灰比定那么，認(rèn)為可塑性混凝土的杭壓強(qiáng)度完全受水灰此的控制，而與其他因素?zé)o關(guān)[1]。1932年I.Lyse提出灰水比定那么，認(rèn)為混凝土的28天抗壓強(qiáng)度和水灰比的倒數(shù)成正比，設(shè)混凝土28天抗壓強(qiáng)度為y,水灰比倒數(shù)為x，那么其中系數(shù)a、b需根據(jù)原材料及工藝經(jīng)試驗確定。我國20世紀(jì)50年代以來，長期使用保羅米經(jīng)大量實(shí)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合的公式：該式試驗時的條件是使用硅酸鹽水泥、級配良好而清潔的河砂、粒形勻稱的石子，系數(shù)A、B依石子品種而異；該式適用于坍落度為30mm～90mm的塑性混凝土，因施工性和經(jīng)濟(jì)性的要求，我國在使用該式時要求水泥強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系為。根據(jù)強(qiáng)度要求計算得出的水灰比與試配驗證的結(jié)果相差可達(dá)20～30%。由于水泥標(biāo)準(zhǔn)的變化，JGJ55-2023?普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程?修改了Bolomy公式中的系數(shù)A、B。但是，我國自1970年代引進(jìn)高效減水劑，直到1980年代末至今得以大量使用后，混凝土強(qiáng)度不再依賴于水泥強(qiáng)度，用GB175-77水泥標(biāo)準(zhǔn)的425#水泥〔相當(dāng)于現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)的32.5等級〕已能配制出C60的泵送混凝土。在本質(zhì)上，混凝土主要還是由水泥、骨料和水組成的硬化體，但是其內(nèi)涵已發(fā)生很大變化：總體強(qiáng)度水平高了，拌和物從低塑性開展到當(dāng)前的泵送，流動性大大提高；原材料也有很大變化：水泥強(qiáng)度等級高、細(xì)度細(xì)，骨料粒形和級配差了，外加劑和礦物摻和料普遍使用。與此同時，多數(shù)人對混凝土卻仍停留在以往的認(rèn)識。目前JGJ55-2000?普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程?已不能適應(yīng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計及耐久性，為適應(yīng)這種變化，在此討論三個問題。1、“假定容重法〞對當(dāng)前混凝土的配制已不再具有普適性“假定容重法〞本來是在絕對體積法的根底上產(chǎn)生的。混凝土配合比的原理是按照1m3混凝土拌和物由各原材料緊密堆積而成，即1m3混凝土體積等于各原材料絕對密實(shí)體積之和〔即不計各原材料內(nèi)部孔隙〕。過去水泥、砂石的表觀密度變化不大，所配制混凝土的表觀密度變化也不大，因此為了簡化試配，對水灰比為0.5左右的混凝土假定表觀密度為2400kg/m3，對高強(qiáng)混凝土假定表觀密度為2450kg/m3，試拌后實(shí)測差異不大。但是如今普遍使用較大摻量的礦物摻和料，例如粉煤灰表觀密度為1.90～2.40g/cm3，磨細(xì)礦渣表觀密度約為2.60g/cm3，與水泥表觀密度的3.0左右相比相差就大了，按上述假定的表觀密度計算，那么體積都會大于1m3，摻和料越多，大得越多。因此從根本上，還是應(yīng)當(dāng)使用絕對體積法。當(dāng)然，正如任何方法都有一定的假設(shè)，絕對體積法的假設(shè)是忽略水泥水化所減少的那局部水的體積，但是，2、用絕對體積法計算混凝土配合比時原材料密度的取值問題材料的密度為單位體積的質(zhì)量，量測出材料的體積和質(zhì)量，即可計算。通常所說密度。只得是絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，對密實(shí)的無孔材料如鋼鐵，制成規(guī)那么的幾何形狀，所量測的體積為絕對密實(shí)體積，或稱作實(shí)體積；對含有孔隙的固體材料如磚瓦，如欲得出其密度，那么可將其磨成細(xì)粉，與顆粒很細(xì)的材料如水泥、礦物摻和料一樣，用比重瓶量測體積；磨得越細(xì)越接近真密度，因此只能磨到一定的粗細(xì)程度，求得近似密度值；一般但凡需要磨細(xì)來求得其密度的，統(tǒng)一磨到與水泥相同的細(xì)度；對于砂石等散粒狀材料是有微孔的材料，孔隙率都很小卻不能忽略，其所含孔隙有能吸入水的開放孔，也有水進(jìn)不去的封閉孔〔包括100nm以下的開放但水進(jìn)不去的孔〕。組成絕對密實(shí)的混凝土拌和物中，砂石所占的體積，是能充水的氣孔都充水到飽和程度而無外表吸附水狀態(tài)的砂石顆粒體積的總合。這種狀態(tài)就是飽和面干；這樣求得的密度叫做表觀密度，以區(qū)別于真密度。我國自50年代開始對混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計，其中的砂石計算就“以面干飽和狀態(tài)中的材料為標(biāo)準(zhǔn)〞[2]。而今，全世界只有我國是以絕干狀態(tài)的骨料進(jìn)行混凝土配合比的計算。這兩種基準(zhǔn)的配合比尤什么區(qū)別呢？飽和面干狀態(tài)骨料所含的水既不影響混凝土拌和物的工作性，也不參與膠凝材料水化后微結(jié)構(gòu)的組成。但是如果骨料不是面干飽和的狀態(tài)，當(dāng)含水率低于面干的飽和含水率時，就要從拌和水中吸收水；如果含水率大于面干的飽和含水率，那么會增加拌和水量，對拌和物性能與硬化混凝土性能都會有影響。對于以絕干基試配的混凝土，目前我國在混凝土實(shí)際生產(chǎn)中，多采用炒干或烘干至恒重的方法求出砂子的實(shí)際含水率，依此扣除拌和水用量。結(jié)果是試拌的混凝土坍落度會小于預(yù)期值，又要調(diào)整配合比，造成質(zhì)量控制的麻煩。當(dāng)采取面干飽和基試配時，只要預(yù)先測得骨料面干的飽和含水率〔其值與吸水率值相等〕，再測出骨料實(shí)際的全部含水率，在生產(chǎn)中對拌和水“多退少補(bǔ)〞即可，具有較好的質(zhì)量的可控性。圖2飽和面干測定用具示意對骨料面干飽和狀態(tài)的界定，實(shí)際上我國砂石標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定[3]。以往?建筑材料?教學(xué)中即按砂石標(biāo)準(zhǔn)明確測定石子表觀密度的步驟：將一定量的石子在水中浸泡至少24小時，取出后放在擰干了水的毛巾上吸去其外表吸附水，肉眼觀察外表無水的亮光，即為石子的飽和面干。稱取1kg面干飽水的石子，用排水法測得其體積，即可求出石子的表觀密度。砂石性能檢測標(biāo)準(zhǔn)[3]測定砂子吸水率的方法中，對砂子面干飽和的界定方法為：將浸水飽和的砂子用吹風(fēng)機(jī)吹干至外表開始變色，按規(guī)定方法裝入一截頭圓錐環(huán)〔圖2示意〕中，向上提起截頭圓錐環(huán)后，根據(jù)砂子的性狀，即可判斷其含水狀態(tài)〔圖1示意〕。其中面干飽和狀態(tài)的含水率即吸水率。圖2飽和面干測定用具示意圖1砂子含水狀態(tài)示意圖3在骨料下料口量測外表含水的比重瓶稱取一定量所得面干飽和狀態(tài)的砂子，在圖3所示比重瓶中測出其體積；將同等質(zhì)量實(shí)際含水的砂子裝入圖3所示的比重瓶內(nèi)，如果測得二者體積相同，說明二者都是面干飽和狀態(tài)；如果所測得的體積大于或小于面干飽和狀態(tài)砂子的體積，那么體積的變化說明其含水量的變化，二者差值即需要“多退或少補(bǔ)〞的水量。此項試驗可在實(shí)驗室也可在拌和樓的上料口進(jìn)行。還可以用含水量傳感器和電流表進(jìn)行在線控制。而用此項試驗作為校核。這樣做的結(jié)果要求砂石進(jìn)料必須是飽水狀態(tài)，并且封閉儲存，以防水分變化。對于嚴(yán)格質(zhì)量管理和提高混凝土質(zhì)量控制水平，這樣做是非常圖3在骨料下料口量測外表含水的比重瓶3、骨料的級配和粒形成了影響混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵因素骨料在混凝土中的骨架作用主要穩(wěn)定體積。是即使采石場生產(chǎn)的石子經(jīng)過嚴(yán)格的級配，銷售時經(jīng)過裝料、運(yùn)輸中的顛簸和卸料，再加上生產(chǎn)混凝土?xí)r的投料，就會大小顆粒別離而重新分布，失去級配。因此絕大多數(shù)國家配制混凝土所用的石子都采用兩級配或三級配。例如德國，還在混凝土試配時將砂石一起連續(xù)地級配。我國目前市場供給的石子由于生產(chǎn)工藝落后，也由于大多數(shù)生產(chǎn)者的無知，無視砂石標(biāo)準(zhǔn)，號稱連續(xù)級配，實(shí)際上小于10mm的顆粒極少，幾乎沒有。而且由于我國砂石標(biāo)準(zhǔn)中對針、片狀尺寸顆粒限定要求過寬〔實(shí)際上是牽就落后〕，使石子的粒形很差。如圖4所示，我國粒形“合格〞的石子中有的顆粒與針、片狀顆粒的差異并不顯著，而日本所我國粒形合格的石子針、片狀顆粒日本常用石子圖4我國目前常用石子與日本常用石子粒形比擬已故我國老專家蔡正詠在上世紀(jì)80年代初就說過：我國混凝土質(zhì)量不如西方國家的，原因就是石子質(zhì)量太差。但是那時我國石子隨機(jī)取樣的空隙率一般都在40～42%，而理想粒形和級配的石子孔隙是36～38%。現(xiàn)在，我國市售石子空隙率已達(dá)45%以上，甚至超過50%！這就使我國混凝土的水泥用量和用水量比西方國家混凝土水泥用量和用水量約多用20%。已經(jīng)有一些攪拌站或工程采用了兩級配的石子，混凝土的水泥用量減少了約20%。4、摻用礦物摻和料的混凝土配合比計算的問題多年來，人們對摻用摻和料的混凝土配合比的計算，根本上從等水膠比法〔即簡單等量取代〕開展到超量取代法；也有人參照純水泥混凝土的水灰比，計入摻和料后，在減少水泥的同時按原水灰比減少用水量，即等水灰比法。根本上沒有人使用等漿體體積法。先將以上各方法分析如下：等水膠比法：摻礦物摻和料后的水膠比與未摻礦物摻和料時的水灰比值相同，即簡單等量取代。因礦物摻和料密度小，使?jié){體體積變大，即漿骨比增大，例如，假定普通水泥密度為3.0kg/m3，粉煤灰密度為2.2kg/m3，當(dāng)以粉煤灰簡單取代30%的水泥時，漿體體積就會增加37升。水泥加水硬化后的體積收縮是混凝土的特性之一，參加骨料制成混凝土后，由于骨料的溫度變形系數(shù)比硬化水泥漿體的溫度變形系數(shù)小一半多，那么對混凝土起穩(wěn)定體積的作用。漿骨比越小，硬化混凝土收縮值越??；漿骨比增大勢必會對混凝土的體積穩(wěn)定性有影響。此外，因粉煤灰反響速率和反響率低，混凝土早期漿體水灰比增大。例如假定有一原水灰比為0.57的混凝土，如果用粉煤灰簡單取代30%的水泥，水膠比仍為0.57，忽略粉煤灰外表吸附水，那么早期水灰比就會增大到0.81，同時混凝土強(qiáng)度肯定下降；為了保持混凝土強(qiáng)度不變，將水膠比降至0.5，那么早期水灰比仍有0.71。這樣大的水灰比就會造成早期較大的孔隙率。如圖5所示，水膠比為0.35的水泥漿體水化1天的孔隙率，無摻和時約為12%，摻粉煤灰44%時約為26%，摻粉煤灰56%時約為30%；減低水膠比時，上述孔隙率分別減小至約3%、17%和27%。早期孔隙率大是摻粉煤灰的混凝土早期碳化加速和加深的主要原因。根據(jù)合武客專高性能混凝土不同水膠比時粉煤灰摻量對水泥漿體孔隙率開展的影響圖5不同水膠比時粉煤灰摻量對水泥漿體孔隙率開展的影響[4]而且，礦物摻和料的強(qiáng)度對水膠比更加敏感。英國的Dunstan研究說明，以60%的體積取代水泥，水化7天時，水泥和粉煤灰對強(qiáng)度的奉獻(xiàn)隨水膠比的降低而增加，但是粉煤灰的奉獻(xiàn)增加的幅度隨齡期而增加顯著[1]。如圖5所示。圖6不同水膠比下水泥和粉煤灰比例為40∶60時，水泥和粉煤灰對強(qiáng)度的奉獻(xiàn)[5]圖6混凝土抗壓強(qiáng)度-粉煤灰摻量-水膠比關(guān)系[5]由圖5可見，在齡期7天，質(zhì)量水膠比0.54時，粉煤灰的奉獻(xiàn)為0；齡期為28天時，粉煤灰的奉獻(xiàn)增大，但當(dāng)體積水膠比約2.2(相當(dāng)于質(zhì)量水膠比0.7)時粉煤灰奉獻(xiàn)仍為0；隨水膠比的下降，水泥和粉煤灰奉獻(xiàn)差距明顯減??；在齡期90天，當(dāng)體積水膠比大于約1.7(質(zhì)量比約0.54)時粉煤灰的奉獻(xiàn)小于水泥的奉獻(xiàn)，而在較低水膠比時，粉煤灰的奉獻(xiàn)就超過了水泥的奉獻(xiàn)；齡期360天后，那么在任意水膠比下，粉煤灰的奉獻(xiàn)都超過水泥的奉獻(xiàn)。這說明粉煤灰作用比水泥作用對水膠比和齡期更加敏感，粉煤灰摻量越大，越需要減小水膠比。因此等水膠比法摻用的粉煤灰是無效的。在圖2中，中央的是Dunstan用以編制摻粉煤灰混凝土水膠比和粉煤灰摻量關(guān)系軟件的三維關(guān)系模型；①、②、③分別是一定粉煤灰摻量下強(qiáng)度-水膠比關(guān)系、一定水膠比下強(qiáng)度-粉煤灰摻量關(guān)系和一定強(qiáng)度下水膠比-粉煤灰摻量關(guān)系；②圖6混凝土抗壓強(qiáng)度-粉煤灰摻量-水膠比關(guān)系[5]因此，摻粉煤灰時，不能采用不變的等水膠比，必須降低水膠比才能發(fā)揮粉煤灰的作用。超量取代法：由于對礦物摻和料的不了解，混凝土的設(shè)計與工程質(zhì)量管理人員限制礦物摻和料的摻量，于是有關(guān)配合比的標(biāo)準(zhǔn)中提出粉煤灰的“超量取代法〞，即，在能被接受的摻量范圍取代水泥，另多摻一局部取代砂子。這只是一種計算而已，在數(shù)量上“代砂〞，實(shí)際上因為細(xì)度量級的差異在功能上粉煤灰并不是砂，不可能“代砂〞，仍然是膠凝材料，卻因為“超量〞而變相增加漿體含量、減小水膠比，但是，在形式上，并未公開實(shí)際的粉煤灰摻量和實(shí)際的水膠比，在客觀上起了遮人耳目的作用。水膠比是混凝土配合比的三要素之一，在原材料相同的情況下，影響混凝土強(qiáng)度的主要因素是有效拌和水與包括水泥在內(nèi)的全部粉細(xì)料的比值，即水膠比，即使摻入傳統(tǒng)意義上的惰性材料如磨細(xì)石英砂等石粉。超量取代法不能用的原因，還在于對水膠比界定的混亂。例如有的攪拌站在膠凝材料中不計入超量取代的局部，聲稱摻粉煤灰前后的水灰比不變。已有實(shí)例說明，這種做法使得當(dāng)工程中出現(xiàn)問題時，無法從所報的配合比上分析原因。有人認(rèn)為摻粉煤灰后的混凝土抗裂性改善不明顯，漿骨比增大是其原因之一。建議今后不再采用這種實(shí)際上增加漿骨比的計算方法。等水灰比法：基于某些人對水泥認(rèn)識的局限性，把水泥廠生產(chǎn)的混合材水泥叫做水泥，而在攪拌站生產(chǎn)混凝土?xí)r摻的礦物摻和料不算在水泥中，簡單地保持水灰比不變，減小用水量，降低水膠比，希望以此保證混凝土強(qiáng)度不變，但是這種做法的結(jié)果是水膠比講得過大，實(shí)際強(qiáng)度會厭超過期望值。以粉煤灰為例，如果摻入粉煤灰后仍保持水灰比不變，那么需降低水膠比。粉煤灰摻量越大，水膠比需降低越多。例如表1中，假定原始〔表中F%為0〕水灰比為0.5，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，使水灰比不變的水膠比應(yīng)為0.4，依此類推，粉煤灰摻量為40%時，水膠比應(yīng)為0.30。這完全是忽略了粉煤灰的存在而計算出來的。實(shí)際上由于粉煤灰外表吸附水，自由水并不像計算的那樣大，那么所需水膠比可以更大些。同時，這種方法的粉煤灰摻量是按等值量取代水泥摻入的，總膠凝材料質(zhì)量不變，但因粉煤灰密度比水泥的小，粉煤灰摻量越大，總膠凝材料體積越大，水膠比降得太低時，會影響拌和物的施工性，就需要增加用水量〔同時按水膠比增加膠凝材料用量〕，不僅會增加試配工作量，還會因漿骨比增大而影響混凝土的體積穩(wěn)定性。表1不同摻量粉煤灰的混凝土水膠比和水灰比的關(guān)系FA%w/bw/cw/bw/cw/bw/cw/bw/c00.50.50.40.40.350.350.300.3150.590.470.410.35200.630.500,440.38300.710.570.500.43400.830.670.580.50501.000.800.700.60④等漿體體積法：礦物摻和料密度小于水泥的密度，按質(zhì)量摻入時，混凝土漿體體積會增大，按等漿體設(shè)計，可有利于保持混凝土的體積穩(wěn)定性不變。覃維祖的碩士研究生成唯佳對C30混凝土的實(shí)驗研究說明，按等漿體體積法與按等水膠比計算摻不同量粉煤灰的混凝土配合比相比，混凝土強(qiáng)度等級相同，而具有更高的抗?jié)B性，如表1所示。表2粉煤灰不同摻用方法對混凝土性能的影響粉煤灰取代量(%)等水膠比等漿體體積抗壓強(qiáng)度(MPa)DCl×10-9cm2抗壓強(qiáng)度(MPa)DCl×10-9cm23d28d28d84d3d28d28d84d02037.84.893.042037.84.893.041518.435.34.352.1320.639.73.961.383014.428.43.861.5020.841.92.741.314512.225.33.421.032038.62.300.85607.819.32.741.0020.640.12.050.82成唯佳按相同強(qiáng)度等級、相同流動性、相同漿體含量，進(jìn)行粉煤灰摻量和水膠比關(guān)系的試驗，如圖7所示，圖8位等水膠比時粉煤灰摻量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系。圖7相同強(qiáng)度、流動度、漿骨比的圖8等水膠比混凝土的粉煤灰混凝土粉煤灰摻量和水膠比的關(guān)系摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖7與圖6的③相比，圖8和圖6的②相比，規(guī)律