当前混凝土配合比设计方法存在的问题
士官学校-有关月亮的对联
当前混凝土配合比设计方法存在的问题
张天亮
摘要:高效减水剂和
掺合料的使用、矿物掺合料的密度与水泥相差甚大。普通混凝土配合比
设计规程给出的假定容重法已不再
适用于混凝土配合比的计算。绝对体积方法可以使用,但
由于技术人员的业务水平和操作上的误差,给混
凝土质量管理加大了难度。
关键词:混凝土配合比 绝对体积 等浆体积
美国的 经过数万次的试验研究,提出了混凝土的水灰比定则,认为混凝土的抗压
强度受水灰比
的控制,而与其他因素无关。提出灰水比法则,认为混凝土的28d和水
灰比的倒数成正比。我国从上世
纪五十年代以来,一直在使用硅酸盐水泥、级配良好的河砂、
粒型良好的石子前提下,长期运用Bolo
my的拟合公式:R28=RC×A(CW-B)。我国在使用
该式的前提是水泥强度与混凝土强度之间
的关系是Rc=(1.5~2)R28.由于水泥标准的变化,
我国在《普通混凝土配合比设计规程》G
B55-2000中修改了Bolomy拟合公式中的A、B系
数。自上世纪70年代我国开始引进使用
高效减水剂后,混凝土的强度不再仅仅依赖水泥的
强度,用32.5级的水泥通过使用掺合料和高效减水
剂,完全可以配制出C60的混凝土。在
本质上,混凝土主要还是由水泥、骨料和水组成的硬化体,但其
内涵已经发生变化:总体强
度水平提高了;原材料也有很大的变化:水泥强度等级高,细度大,骨料粒型
和级配差。外加
剂和矿物掺合料普遍使用。但是大多数人对混凝土的认识还停留在当初的阶段。为适应这
些
变化,我们需要讨论三个问题。
1、
假定容重法对现代混凝土的设计和配制已不具普适性。
假定容重法是在绝对体积法的基础上产生的。混
凝土配合比的原理是按照1m
3
混凝土拌合物
由各种原材料堆积而成,即1m
3
混凝土体积等于各种原材料绝对密实体积之和(不计各原材
料内部空隙)。过去水泥、砂石料
的表观密度变化不大,所配制的混凝土表观密度变化也不
大。因此,为简化试配,对水灰比为0.5左右
的混凝土假定表观密度为2400kgm
3
,对高强
度混凝土假定表观密度为2450
kgm
3
,试拌后相差不大。而如今普遍使用矿物掺合料,例如
粉煤灰表观密度为1.
9~2.4gcm
3
。磨细矿渣粉表观密度为2.6gcm
3
,与水泥的表观
密度
3.0gcm
3
就相差大多了。按上述假定的表观密度计算,体积
都会大于1m
3
。当然,正如任何
方法都有一定的假设。绝对体积方法的假设是忽略水
泥水化所减少的那部分水分的体积。但
是混凝土在新拌状态时这部分水相对混凝土的总体积来说也是很少
的。为弥补这部分忽略水
的体积,建议用绝对体积计算时,不必计算搅拌加入的孔隙体积。
2、 用绝对体积法计算混凝土配合比时原材料密度的取值问题
材料
的密度为单位体积的质量。通常所说的密度指的是绝对密实状态下单位体积的质量。对
密实无孔材料(如
钢铁)制成规则的几何形状,所量测的体积为绝对体积,也叫实体积;对
含有孔隙的固体材料(如砖瓦)
如欲得到其密度,则可将其磨成细粉,与颗粒很细的材料如
水泥、矿物掺合料一样,用密度瓶测量体积;
磨的越细,越接近真实密度,因此只要磨到一
定的细度就能求得近似的密度;一般凡是需要磨细来求得密
度的都统一磨到与水泥相同的细
度。
对于砂石等散状材料是有微孔的材料,孔隙虽小但又不能
忽略,其中有吸水的开放孔,也有
不吸水的封闭孔(包括100nm以下的开放不吸水的孔)。在组成绝
对密实的混凝土拌合物
中砂石所占的体积,凡是能充水的都充水到饱和程度而无表面吸附水状态的砂石颗
粒体积的
总和。这种状态叫饱和面干。所求得的密度是表观密度,以区别真密度。
我国从二十
世纪五十年代开始混凝土配合比的设计,其中的砂石计算都以饱和面干状状态的
骨料为基准。现在全世界
,只有我国以绝干状态的骨料进行混凝土配合比的计算。两种基准
配合比有何区别?
饱和面干
状态骨料所含的水既不参与拌合水影响混凝土的工作性,也不参与胶凝材料水化后
微结构的组成;虽然对
硬化混凝土后期性能的发展会有一定的自养护作用,对新拌混凝土状
态是没有作用的。因此不计入混凝土
的拌合水。如果不是饱和面干的骨料,当含水率低于面
干的饱和含水率时,会从拌合水中吸收一部分水;
当含水率高于饱和面干的含水率时,这部
分水分会增加混凝土的水胶比,对混凝土拌合物的性能和硬化性
能都有影响。
如何界定骨料的饱和面干状态,我国砂石性能检测标准测定砂子吸水率的方法中对砂子饱
和
面干的界定方法是:将浸水饱和的砂子用吹风机吹至表面开始变色。按规定方法装入截头圆
锥
,向上提起截头圆锥后,依据砂子的形状判断含水状态。
称取一定量的饱和面干状态的
砂子,用李氏比重瓶测出其体积;将相同质量实际含水的砂子
装入比重瓶,如果测得二者的体积相等,表
明二者都是饱和面干状态;如果测得的体积大于
或小于饱和面干的砂子体积则体积的变化说明砂子含水量
的变化。
3、 骨料的级配和粒型是影响混凝土质量的关键因素
骨料在混
凝土中起着骨架作用。即使石料厂的石子经过严格的级配、装料,由于运输过程中
的颠簸和卸料、生产中
的投料,骨料也会出现大小颗粒分离而重新分布,从而失去级配。我
国混凝土质量不如西方国家,原因是
石子质量太差,孔隙率都在40%~42%;理想的孔隙率
是36%~38%;现在我国的市场所售的石
子的孔隙率达到45%以上,有的已达50%。这就
使我国的混凝土的水泥用量和用水量比西方国家混凝
土的水泥用量和用水量约多20%。已
经有些工程石子采用二级配使混凝土的水泥用量减少。
4、 掺用矿物掺合料的混凝土配合比计算的问题
多年来,人们对掺用掺合
料的混凝土配合比的计算,基本上从等水胶比法(简单的等量取代)
发展到超量取代法。也有人参照纯水
泥混凝土的水灰比,计入掺合料后,在减少水泥的同时
按照原水灰比减少用水量,即等水灰比法。基本上
没有人使用等浆体体积法。
等水胶比法:掺矿物掺合料后的水胶比与未掺矿物掺合料时的水胶比相同。
因矿物掺合料的
密度小,使浆体体积变大,即浆骨比增大。例如:假定普通水泥的密度为3.0gcm3
,粉煤灰
的密度为2.2gcm3。当粉煤灰取代30%的水泥时,浆体体积增大37L。水泥加水硬化
后体积
收缩是混凝土的特性,加入骨料后,由于骨料的温度变形系数比水泥浆体的温度变形系数小
一半多,则对混凝土起稳定体积的作用。浆骨比越小,硬化混凝土的收缩越小;浆骨比增大
势必对混凝
土的体积稳定性产生影响。粉煤灰反应速率和反应率低,混凝土早期浆体水灰比
增大。例如:假定有水灰
比为0.57的混凝土,若用粉煤灰简单地取代30%的水泥,水胶比
仍为0.57,忽略粉煤灰表面吸
水则早期水灰比就会增大到0.81.混凝土的强度肯定会下降;
为保持混凝土强度不变,将水胶比降至
0.5,则早期的水胶比仍会有0.71.这样大的水灰比就
会造成早期较大的孔隙率。早期孔隙率大是
掺粉煤灰混凝土早期碳化加速、加深的主要原因。
而且矿物掺合料的强度对水胶比更加敏感。国外的一些
研究表明,以60%的体积取代水泥,
水泥和粉煤灰对强度的贡献随水胶比的降低而增加,但粉煤灰的贡
献增加的幅度随龄期的增
加较显著。这表明粉煤灰作用比水泥作用对水胶比和龄期更敏感
,粉煤灰掺量越大,越需要
减小水胶比,因此等水胶比法掺用的粉煤灰是无效的。掺粉煤灰时不能采用不
变的等水胶比,
必须降低水胶比才能发挥粉煤灰的作用。
超量取代法:由于对矿物掺合料的不
了解,混凝土的设计与工程质量管理人员限制矿物矿物
掺合料的掺量,于是相关配合比的规范中提出粉煤
灰的“超量取代法”。即在能被接受的掺量
范围内取代水泥,多掺的一部分取代砂子。这只是一种计算而
已,在数量上“代砂”实际上是
因为细度量级的差别。在功能上粉煤灰并不是砂,也不可能取代砂,仍是
胶凝材料,却因为
“超量”取代而变相增加浆体含量,减小了水胶比。在形式上并没有公开实际的粉煤灰
掺量和
实际的水胶比,在客观上起到掩人耳目的作用。
水胶比是混凝土配合比的三大要素之一
,在原材料相同的前提下,影响混凝土强度的主要因
素是有效拌合水与包括水泥在内的全部细粉料的比值
,即水胶比。即使掺入传统意义上的惰
性材料(石粉),超量取代法仍不能用的原因还在于对水胶比界定
的混乱。例如有的拌合站
在胶凝材料中不计入超量取代的部分,声称掺粉煤灰前后的水胶比不变。事实表
明这种做法
导致工程出现问题时,无法从配合比上分析原因。有人认为掺粉煤灰后混凝土的抗裂性改善<
br>不明显,浆骨比增大是原因之一。最好不要采用这种实际增加浆骨比的计算方法。
等水灰比法:
基于某些人对水泥认识的局限性,把水泥厂生产的混合材水泥(矿渣水泥、粉
煤灰水泥等)叫水泥,而在
拌合站生产混凝土时掺入的矿物掺合料不算在水泥中,简单的保
持水灰比不变,减少用水量,降低水胶比
,希望以此保证混凝土的强度不变。这种做法的结
果是实际强度将超过期望值。以掺粉煤灰为例,如果掺
入粉煤灰后仍保持水灰比不变,则需
降低水胶比,粉煤灰掺量越多,则水胶比降低越大。假定不掺粉煤灰
时的水灰比为0.5,当
掺入粉煤灰为20%时水灰比不变时的水胶比则为0.4;以此类推,粉煤灰掺
量为40%时水灰
比不变时的水胶比则为0.3,这完全是忽略了粉煤灰的存在而计算出来的。实际上由
于粉煤
灰表面吸水,自由水并不像计算的那样大,则所需的水胶比可以更大些。同时这种方法的粉
煤灰掺量时按等质量取代水泥掺入的。总的胶凝材料质量不变,但因粉煤灰密度比水泥小,
掺量越大。
胶凝材料的体积越大,水胶比降低会影响施工,这时要按水胶比不变增加水和胶
凝材料,不仅增加了试配
工作量,而且还会因浆骨比过大影响混凝土的体积稳定性。
等浆体体积法:矿物掺合料
密度小于水泥密度,按质量掺入时混凝土浆体体积会增大,按等
浆体设计课有利于保持混凝土的体积稳定
性。一些研究表明按等浆体体积法与按等水胶比计
算掺不同量的粉煤灰的混凝土配合比相比,混凝土的强
度等级相同,而且具有更高的抗渗性
能。
5、 结论:
鉴于当前
混凝土组分的变化,进行混凝土配合比的计算的假定密度法不再适用。绝对体积法
更适合现今混凝土配合
比的设计,但是其设计的原理忽略一个重要的事实,那就是一体积的
胶凝材料加上一体积的水不等于两体
积的浆体;一体积的砂子加上一体积的碎石也不等于两
体积的骨料;一体积的浆体加上一体积的骨料也不
等于两体积的混凝土。
绝干砂子设计混凝土不利于混凝土的质量控制。饱和面干相对较符合实际的客观规律。
单粒级
石子进行两级配或三级配,生产时分级投料,可得到满足施工要求的最小浆体总量,
有利于工程的经济性
、耐久性。
当矿物掺合料掺量改变时,应当使用等浆体体积法调整混凝土配合比,以保持混凝土的稳定
性。