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        北京首瑞大同測控技術有限公司

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        [名家文章推薦]:混凝土配合比計算的原則

        鑒于當前混凝土組分和原材料的變化,傳統的“混凝土配合比設計方法”已不適用,但是本人的觀點是混凝土的配合比是不必制定規范的,重要的是掌握混凝土拌合物配合比的原則,至于具體步驟,應當相信技術人員的專業知識和經驗,能滿足具體的工程各項要求的配合比,不同人所作結果有所不同是很正常的,西方國家提出“performance based specification”[1]的概念是符合混凝土材料特點,符合客觀規律的。


        1混凝土組成材料、配合比要素與混凝土性質的關系

        當前混凝土的特點是普遍摻入礦物摻合料和高效減水劑?;炷林兴?、水泥、砂、石四種原材料中增加了礦物摻合料,因此傳統的配合比三要素——水灰比、漿骨比、砂石比,就成為水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻合料用量等四要素。配合比中需要求出的未知數由傳統的4個變成5個。

        最后由各材料在滿足施工要求的前提下緊密堆積的原理,用絕對體積法計算出各材料用量。不考慮外加劑占據混凝土的體積,則各組成材料的關系和性質及其作用和影響可用圖1來描述。

         

        由圖1可看出,混凝土配合比四要素都影響拌合物與硬化混凝土性能,當決定混凝土強度和密實性的水膠比確定之后,所有要素都影響拌合物施工性能。施工是保證混凝土質量的最后的和最關鍵的環節,則考慮漿體濃度的因素、按拌合物的施工性能選擇拌合物的砂石比與漿骨比,就是混凝土配合比選擇的主要因素。其中漿骨比是保證硬化前后混凝土性能的核心因素。無論是改變水膠比,還是礦物摻合料用量,調整配合比時應使用等漿體體積法,以保持漿骨比不變。

        我國混凝土年產量可占到全世界的一半,質量卻相對落后。例如,全世界只有我國使用“假定容重法”計算混凝土配合比,也只有我國使用絕干基的砂石生產混凝土,造成我國混凝土質量控制的困難。

        2當前我國混凝土配合比計算存在的問題及建議

        2.1存在問題

        2.1.1假定容重法

        “假定密度法”本來是在絕對體積法的基礎上產生的?;炷僚浜媳鹊脑硎前凑?m3混凝土拌合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體積之和(即不計各原材料內部孔隙)。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,對高強混凝土假定表觀密度為2450kg/m3,試拌后實測差別不大。

        但是如今普遍使用較大摻量的礦物摻合料,例如粉煤灰表觀密度為1.90~2.40g/cm3,磨細礦渣表觀密度約為2.60g/cm3,與水泥表觀密度的3.0g/cm3左右相比相差就大了,按上述假定的表觀密度計算,則體積都會大于1m3,摻合料越多,大得越多。

        因此從根本上,還是應當使用絕對體積法。當然,正如任何方法都有一定的假設,絕對體積法的假設是忽略水泥水化所減少的那部分水的體積,但是,混凝土在新拌狀態時,這部分水相對于混凝土的總體積來說是很少的。為了彌補這部分忽略水的體積,建議用絕對體積法計算時,不必計入攪拌式挾入的孔隙體積。

        2.1.2等水膠比法

        摻礦物摻合料后的水膠比與未摻礦物摻合料時的水灰比值相同,即簡單等量取代。因礦物摻合料密度小,使漿體體積變大,即漿骨比增大,例如,假定普通水泥密度為3.0g/cm3,粉煤灰密度為2.2g/cm3,當以粉煤灰簡單取代30%的水泥時,漿體體積就會增加37L。水泥加水硬化后的體積收縮是混凝土的特性之一,加入骨料制成混凝土后,由于骨料的溫度變形系數比硬化水泥漿體的溫度變形系數小一半多,則對混凝土起穩定體積的作用。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定性有影響。此外,因粉煤灰反應速率和反應率低,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,忽略粉煤灰表面吸附水,則早期水灰比就會增大到0.81,同時混凝土強度肯定下降;為了保持混凝土強度不變,將水膠比降至0.5,則早期水灰比仍有0.71。這樣大的水灰比就會造成早期較大的孔隙率。

        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揮粉煤灰的作用。

        2.1.3摻用粉煤灰的超量取代法

        由于對礦物摻合料的不了解,混凝土的設計與工程質量管理人員限制礦物摻合料的摻量,于是有關配合比的規范中提出粉煤灰的“超量取代法”,即,在能被接受的摻量范圍取代水泥,另多摻一部分取代砂子。這只是一種計算而已,在數量上“代砂”,實際上因為細度量級的差別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,并未公開實際的粉煤灰摻量和實際的水膠比,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,影響混凝土強度的主要因素是有效拌合水與包括水泥在內的全部粉細料的比值,即水膠比。即使摻入傳統意義上的惰性材料如磨細石英砂等石粉,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部分,聲稱摻粉煤灰前后的水灰比不變。已有實例表明,這種做法使得工程中出現問題時,無法從所報的配合比上分析原因。有人認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。建議今后不要再采用這種實際上增加漿骨比的計算方法。

        2.1.4等水灰比法

        基于某些人對水泥認識的局限性,把水泥廠生產的混合材水泥叫做水泥,而在攪拌站生產混凝土時摻的礦物摻合料不算在水泥中,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度不變,但是這種做法的結果是水膠比將過大,實際強度會超過期望值。以粉煤灰為例,如果摻入粉煤灰后仍保持水灰比不變,則需降低水膠比。粉煤灰摻量越大,水膠比需降低越多。例如,假定所用水泥密度為3.1g/cm3,原始(FA摻量為0)水灰比為0.50,當密度為2.4g/cm3的粉煤灰摻量為30%時,使水灰比不變的水膠比應為0.40,依此類推,粉煤灰摻量為40%時,水膠比應為0.30。這是忽略了粉煤灰表面吸附水而計算出來的。實際上由于粉煤灰表面對水的吸附,自由水并不像計算的那樣大,則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質量取代水泥摻入的,總膠凝材料質量不變,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,會影響拌合物的施工性,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定性。

        2.1.5對骨料顆粒級配與粒形要求的忽略

        骨料在混凝土中起骨架作用,主要穩定體積。即使采石場生產的石子經過嚴格的級配,銷售時經過裝料、運輸中的顛簸和卸料,再加上生產混凝土時的投料,就會大小顆粒分離而重新分布,失去級配。因此絕大多數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,還在混凝土試配時就將砂石一起連續地級配。我國目前市場供應的石子由于生產工藝落后,也由于大多數生產者的無知,無視砂石標準。號稱連續級配,實際上小于10mm的顆粒極少,幾乎沒有。而且由于我國砂石標準中對針、片狀尺寸顆粒限定要求過寬(實際上是遷就落后),使石子的粒形很差。

        已故我國老專家蔡正詠在20世紀80年代初就說過:我國混凝土質量不如西方國家的,原因就是石子質量太差。但是那時我國石子隨機取樣的松堆空隙率一般都在40%~42%,而理想粒形和級配的石子空隙是約38%?,F在,我國市售石子空隙率已達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,混凝土的水泥用量可減少約20%。

        然而,因對砂石質量的無奈,目前絕大多數混凝土的生產不對骨料提要求,混凝土配合比規范和砂石標準也基本上是遷就落后的現狀,造成混凝土無法保證應有的質量。按市場經濟的規律,產品的品質都是根據市場需求生產的,符合顧客的要求才能賣得出去?,F在沒有合格砂石的供應,其根源就是買的人對砂石質量的重要性認識不足。典型的是過去在制定砂石應用標準時,在所規定的級配要求表格之下居然會說明:如級配不合格,實驗證明不影響施工,也可使用。(那么還有必要定標準嗎?只要無限制地增加水泥漿體含量就能做到??!)

        2.2建議

        (1)鑒于當前混凝土組分的變化,進行混凝土配合比的計算的假定密度法不再適用,建議改用絕對體積法。

        (2)以單粒級石子進行兩級配或三級配,生產時分級投料,可得到滿足施工要求的最小漿體總量,有利于工程的經濟性和耐久性。

        (3)當礦物摻合料摻量改變時,應當使用等漿體體積法調整混凝土配合比,以保持混凝土的穩定性。

        3確定混凝土配合比的原則

        按具體工程提供的《混凝土技術要求》選擇原材料和配合比:

        (1)注重骨料級配和粒形,按最大松堆密度法優化級配骨料,但級配后空隙率應不大于42%;

        (2)按最小漿骨比(即最小用水量或膠凝材料總量)原則,盡量減小漿骨比,根據混凝土強度等級和最小膠凝材料總量的原則確定漿骨(體積)比,按選定的漿骨比得到1m3混凝土拌合物漿體體積和骨料體積;計算骨料體積所使用的密度應當是飽和面干狀態下所測定的;

        (3)按施工性要求選擇砂石比,按《混凝土性能技術要求》中的混凝土目標性能確定礦物摻合料摻量和水膠比;

        (4)分別按絕對體積法用漿體體積計算膠凝材料總量和用水量;用骨料體積計算砂、石用量。調整水膠比時,保持漿體體積不變。根據工程特點和技術要求選擇合適的外加劑,用高效減水劑摻量調整拌合物的施工性;

        (5)由于水泥接觸水時就開始水化,拌合物的實際密實體積略小于各材料密度之和,則當未摻入引氣劑時,攪拌時挾入空氣可按約1%計。

        4混凝土配合比選擇步驟的方案之一

        4.1確認目標

        確認混凝土結構設計中《混凝土技術要求》提出的設計目標、條件及各項指標和參數:混凝土結構構件類型、保護層最小厚度、所處環境、設計使用年限、耐久性指標(根據所處環境選擇)、最低強度等級、最大水膠比、膠凝材料最小和最大用量、施工季節、混凝土內部最高溫度(如果有要求)、骨料最大粒徑、拌合物坍落度、一小時坍落度最大損失(如果有)。

        4.2根據上述條件選擇原材料

        4.3確認原材料條件

        (1)水泥:品種、密度、標準稠度用水量、已含礦物摻合料品種及含量、水化熱、氯離子含量、細度、凝結時間;

        (2)石子:品種、飽和面狀態的表觀密度、松堆密度、石子最大粒徑、級配的比例和級配后的空隙率;

        (3)砂子:篩除5mm以上顆粒后的細度模數、5mm以上顆粒含量、飽和面狀態的表觀密度、自然堆積密度、空隙率、來源;

        (4)礦物摻合料:品種、密度、需水量比、燒失量、細度;

        (5)外加劑:品種、濃度(對液體)、其它相關指標(如減水劑的減水率、引氣劑的引氣量、堿含量、氯離子含量、鉀鈉含量等)。

        4.4計算膠凝材料密度

        實測摻合料一定的膠凝材料密度,或由一定水泥和礦物摻合料的密度計算膠凝材料密度,如下:

        B=C+SL…………………………………(1)

        按加權法由式(1)得:

         

        為了消除難以測定的b,將:

         

        代入式(2)得:

         

        式中B,C,F,SL──分別為膠凝材料總量和水泥、粉煤灰、礦渣粉的質量用量;

        ρB,ρC,ρF,ρSL──分別為膠凝材料、水泥、粉煤灰、礦渣粉的密度;

        VB,VC,VF,VSL──分別為膠凝材料、水泥、粉煤灰、礦渣粉的體積;

        αc、αF、αSL──分別為水泥、粉煤灰、礦渣粉占膠凝材料的質量百分數;

        βC、βF、βSL──分別為水泥、粉煤灰、礦渣粉占膠凝材料體積的百分數。

        5混凝土配合比四要素的選擇

        5.1水膠比

        對有耐久性要求的混凝土,按照《混凝土結構耐久性設計規范》,由設計給出《混凝土技術要求》中的最低強度等級[2],按保證率95%確定配制強度;以最大水膠比作為初步選水膠比,再依次減小0.05~0.1個百分點取3~5個水膠比試配,得出水膠比和強度的直線關系,找出上述配制強度所需要的水膠比,進行再次試配?;虬礋o摻合料的普通混凝土強度-水灰比關系選擇一個基準水灰比,摻入粉煤灰后再按等漿骨比調整水膠比。一般,有耐久性要求的中等強度等級混凝土,摻用粉煤灰超過30%時(包括水泥中已含的混合材料),水膠比宜不超過0.44。

        5.2漿骨(體積)比

        在水膠比一定的情況下的用水量或膠凝材料總量,或骨料總體積用量即反映漿骨比。對于泵送混凝土,可按表1選擇,或按GB/T50746-2008《混凝土結構耐久性設計規范》對最小和最大膠凝材料的限定范圍,由試配拌合物工作性確定,見表1,取盡量小的漿骨比值。水膠比一定時,漿骨比小的,強度會稍低、彈性模量會稍高、體積穩定性好、開裂風險低,反之則相反。

         

        5.3砂石(體積)比

        通常在配合比中的砂石比,以一定漿骨比(或骨料總量)下的砂率表示。對級配良好的石子,砂率的選擇以石子松堆空隙率與砂的松堆空隙率乘積為0.16~0.2為宜。一般,泵送混凝土砂率不宜小于36%,并不宜大于45%。為此應充分重視石子的級配,以不同粒徑的兩級配或三級配后松堆空隙率不大于42%為宜。石子松堆空隙率越小,砂石比可越小。在水膠比和漿骨比一定的條件下,砂石比的變動主要可影響施工性和變形性質,對硬化后的強度也會有所影響(在一定范圍內,砂率小的,強度稍低,彈性模量稍大,開裂敏感性較大,拌合和物粘聚性稍差,反之則相反)。

        5.4礦物摻合料摻量

        礦物摻合料的摻量應視工程性質、環境和施工條件而選擇。對于完全處于地下和水下的工程,尤其是大體積混凝土如基礎底板、咬合樁或連續澆注的地下連續墻、海水中的橋梁樁基、海底隧道底板或有表面處理的側墻以及常年處于干燥環境(相對濕度40%以下)的構件等,當沒有立即凍融作用時,礦物摻合料可以用到最大摻量(礦物摻合料占膠凝材料總量的最大摻量粉煤灰為50%,磨細礦渣為75%);一年中環境相對濕度變化較大(冷天處在相對濕度為50%左右、夏季相對濕度70%以上),無化學腐蝕和凍融循環一般環境中的結構,對斷面小、保護層厚度小、強度等級低的構件(如厚度只有10~15cm)的樓板),當水膠比較大時(如大于0.5),粉煤灰摻量不宜大于20%,礦渣摻量不宜大于30%(均包括水泥中已含的混合材料)。不同環境下礦物摻合料的摻量選擇見GB/T50746-2008附錄B和條文說明附錄B。如果采取延長濕養護時間或其他增強鋼筋的混凝土保護層密實度的措施,則可超過以上限制。

        5.5試配和配合比的選定

        在所選用高效減水劑的推薦摻量的基礎上,按混凝土的施工性調整為合適的摻量。

        在《混凝土技術要求》最大水膠比的基礎上,依次減小水膠比,選取3~5個值,計算各材料用量后進行試配,檢測所指定性能指標值,從中選取符合目標值的水膠比,再次進行試配。

        根據實測試配結果得出配合比的拌合物密度,對計算密度進行配合比的調整。無論水膠比還是礦物摻合料的變化,都要按等漿體體積法進行調整。調整的方法可見文獻[3]。




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