浅析当前混凝土参考配合比设计存在问题的讨论.doc

浅析目前混凝土配合比设计存在问题
彭文夫
湖北省公路工程咨询监理中心
摘 要：高效减水剂和矿物掺和料大量使用，使用传统混凝土配合比设计方法时，因为矿物掺和料和水泥密度相差较大，计算混凝土配合比假定容重法不再适用；现行以砂子绝干密度为基准方法造成较大质量管理难度；骨料质量成了影响混凝土质量关键原因。改变矿物掺和料掺量时，应该保持浆骨比不变，以保持混凝土体积稳定性。
关键词：混凝土配合比 假定容重法 砂石饱和面干状态密度 骨料级配 等浆体体积
On current concrete proportions design problems of discussion
PengWen Fu
Hubei province highway engineering consultation and supervision center
Abstract: Because of utilization largely on superplastisizer and mineral admixtures, the traditional method of presumptive density for design on mix proportion of concrete can not be general use; Method based absolute dry of sand resulted in difficulty of quality control; Quality of aggregates have become the key factor to affecting quality of concrete.. when dosage of mineral admixtures were changed, the paste to aggregate ratio should be kept constant for keep ing volume stability of concrete.
Key words: mix proportion of concrete, method of presumptive density, density of aggregate in saturate and surface dry, grade of aggregate, equal volume of paste

自从19美国D. Abrams经5万数次试验，，在“混凝土配合成份设计”一文中提出混凝土水灰比定则，认为可塑性混凝土杭压强度完全受水灰此控制，而和其它原因无关[1]。1932年I.Lyse提出灰水比定则，认为混凝土28天抗压强度和水灰比倒数成正比，设混凝土28天抗压强度为y,水灰比倒数为x，则

其中系数a、b需依据原材料及工艺经试验确定。
中国20世纪50年代以来，长久使用保罗米经大量试验数据统计拟合公式：

该式试验时条件是使用硅酸盐水泥、级配良好而清洁河砂、粒形匀称石子，系数A、B依石子品种而异；该式适适用于坍落度为30mm～90mm塑性混凝土，因施工性和经济性要求，中国在使用该式时要求水泥强度和混凝土强度关系为。依据强度要求计算得出水灰比和试配验证结果相差可达20～30%。因为水泥标准改变，JGJ 55 -《一般混凝土配合比设计规程》修改了Bolomy公式中系数A、B。不过，中国自1970年代引进高效减水剂，直到1980年代末至今得以大量使用后，混凝土强度不再依靠于水泥强度，用GB175-77水泥标准425#水泥（相当于现行水泥标准32.5等级）已能配制出C60泵送混凝土。在本质上，混凝土关键还是由水泥、骨料和水组成硬化体，不过其内涵已发生很大改变：总体强度水平高了，拌和物从低塑性发展到目前泵送，流动性大大提升；原材料也有很大改变：水泥强度等级高、细度细，骨料粒形和级配差了，外加剂和矿物掺和料普遍使用。和此同时，多数人对混凝土却仍停留在以往认识。现在JGJ55-《一般混凝土配合比设计规程》已不能适应该前结构设计及耐久性，为适应这种改变，在此讨论三个问题。
1、“假定容重法”对目前混凝土配制已不再含有普适性
“假定容重法”原来是在绝对体积法基础上产生。混凝土配合比原理是根据1m3混凝土拌和物由各原材料紧密堆积而成，即1m3混凝土体积等于各原材料绝对密实体积之和（即不计各原材料内部孔隙）。过去水泥、砂石表观密度改变不大，所配制混凝土表观密度改变也不大，所以为了简化试配，对水灰比为0.5左右混凝土假定表观密度为2400kg/m3，对高强混凝土假定表观密度为2450 kg/m3，试拌后实测差异不大。不过现在普遍使用较大掺量矿物掺和料，比如粉煤灰表观密度为1.90～2.40g/cm3，磨细矿渣表观密度约为2.60g/cm3，和水泥表观密度3.0左右相比相差就大了，按上述假定表观密度计算，则体积全部会大于1 m3，掺和料越多，大得越多。所以从根本上，还是应该使用绝对体积法。当然，正如任何方法全部有一定假设，绝对体积法假设是忽略水泥水化所降低那部分水体积，不过，混凝土在新拌状态时，这部分水相对于混凝土总体积来说是极少。为了填补这部分忽略水体积，提议用绝对体积法计算时，无须计入搅拌时挟入孔隙体积。
2、用绝对体积法计算混凝土配合比时原材料密度取值问题
材料密度为单位体积质量，量测出材料体积和质量，即可计算。通常所说密度。只好是绝对密实状态下单位体积质量，对密实无孔材料如钢铁，制成规则几何形状，所量测体积为绝对密实体积，或称作实体积；对含有孔隙固体材料如砖瓦，如欲得出其密度，则可将其磨成细粉，和颗粒很细材料如水泥、矿物掺和料一样，用比重瓶量测体积；磨得越细越靠近真密度，所以只能磨到一定粗细程度，求得近似密度值；通常通常需要磨细来求得其密度，统一磨到和水泥相同细度；
对于砂石等散粒状材料是有微孔材料，孔隙率全部很小却不能忽略，其所含孔隙有能吸入水开放孔，也有水进不去封闭孔（包含100nm以下开放但水进不去孔）。组成绝对密实混凝土拌和物中，砂石所占体积，是能充水气孔全部充水到饱和程度而无表面吸附水状态砂石颗粒体积总合。这种状态就是饱和面干；这么求得密度叫做表观密度，以区分于真密度。中国自50年代开始对混凝土进行配合比设计，其中砂石计算就“以面干饱和状态中材料为标准”[2]。现在，全世界只有中国是以绝干状态骨料进行混凝土配合比计算。这两种基准配合比尤什么区分呢？
饱和面干状态骨料所含水既不影响混凝土拌和物工作性，也不参与胶凝材料水化后微结构组成。不过假如骨料不是面干饱和状态，当含水率低于面干饱和含水率时，就要从拌和水中吸收水；假如含水率大于面干饱和含水率，则会增加拌和水量，对拌和物性能和硬化混凝土性能全部会有影响。对于以绝干基试配混凝土，现在中国在混凝土实际生产中，多采取炒干或烘干至恒重方法求出砂子实际含水率，依此扣除拌和水用量。结果是试拌混凝土坍落度会小于预期值，又要调整配合比，造成质量控制麻烦。当采取面干饱和基试配时，只要预先测得骨料面干饱和含水率（其值和吸水率值相等），再测出骨料实际全部含水率，在生产中对拌和水“多退少补”即可，含有很好质量可控性。

图2 饱和面干测定用具示意
对骨料面干饱和状态界定，实际上中国砂石标准中已经有要求[3]。以往《建筑材料》教学中即按砂石标准明确测定石子表观密度步骤：将一定量石子在水中浸泡最少二十四小时，取出后放在拧干了水毛巾上吸去其表面吸附水，肉眼观察表面无水亮光，即为石子饱和面干。称取1kg面干饱水石子，用排水法测得其体积，即可求出石子表观密度。砂石性能检测标准[3]测定砂子吸水率方法中，对砂子面干饱和界定方法为：将浸水饱和砂子用吹风机吹干至表面开始变色，按要求方法装入一截头圆锥环（图2示意）中，向上提起截头圆锥环后，依据砂子性状，即可判定其含水状态（图1示意）。其中面干饱和状态含水率即吸水率。

图1 砂子含水状态示意

图3 在骨料下
料口量测表面
含水比重瓶
称取一定量所得面干饱和状态砂子，在图3所表示比重瓶中测出其体积；将相同质量实际含水砂子装入图3所表示比重瓶内，假如测得二者体积相同，表明二者全部是面干饱和状态；假如所测得体积大于或小于面干饱和状态砂子体积，则体积改变说明其含水量改变，二者差值即需要“多退或少补”水量。此项试验可在试验室也可在拌和楼上料口进行。还能够用含水量传感器和电流表进行在线控制。而用此项试验作为校核。这么做结果要求砂石进料必需是饱水状态，而且封闭储存，以防水分改变。对于严格质量管理和提升混凝土质量控制水平，这么做是很必需。
3、骨料级配和粒形成了影响混凝土质量关键原因
骨料在混凝土中骨架作用关键稳定体积。是即使采石场生产石子经过严格级配，销售时经过装料、运输中颠簸和卸料，再加上生产混凝土时投料，就会大小颗粒分离而重新分布，失去级配。所以绝大多数国家配制混凝土所用石子全部采取两级配或三级配。比如德国，还在混凝土试配时将砂石一起连续地级配。中国现在市场供给石子因为生产工艺落后，也因为大多数生产者无知，无视砂石标准，号称连续级配，实际上小于10mm颗粒极少，几乎没有。而且因为中国砂石标准中对针、片状尺寸颗粒限定要求过宽（实际上是牵就落后），使石子粒形很差。图4所表示，中国粒形“合格”石子中有颗粒和针、片状颗粒差异并不显著，而日本所用石子则各向径长差异较小，基础上是等径状。

中国粒形“合格”石子 针、片状颗粒 日本常见石子
图4中国现在常见石子和日本常见石子粒形比较
已故中国老教授蔡正咏在上世纪80年代初就说过：中国混凝土质量不如西方国家，原因就是石子质量太差。不过那时中国石子随机取样空隙率通常全部在40～42%，而理想粒形和级配石子孔隙是36～38%。现在，中国市售石子空隙率已达45%以上，甚至超出50%！这就使中国混凝土水泥用量和用水量比西方国家混凝土水泥用量和用水量约多用20%。已经有部分搅拌站或工程采取了两级配石子，混凝土水泥用量降低了约20%。
4、掺用矿物掺和料混凝土配合比计算问题
多年来，大家对掺用掺和料混凝土配合比计算，基础上从等水胶比法（即简单等量替换）发展到超量替换法；也有些人参考纯水泥混凝土水灰比，计入掺和料后，在降低水泥同时按原水灰比降低用水量，即等水灰比法。基础上没有些人使用等浆体体积法。先将以上各方法分析以下：
① 等水胶比法：掺矿物掺和料后水胶比和未掺矿物掺和料时水灰比值相同，即简单等量替换。因矿物掺和料密度小，使浆体体积变大，即浆骨比增大，比如，假定一般水泥密度为3.0kg/m3，粉煤灰密度为2.2 kg/m3，当以粉煤灰简单替换30%水泥时，浆体体积就会增加37升。水泥加水硬化后体积收缩是混凝土特征之一，加入骨料制成混凝土后，因为骨料温度变形系数比硬化水泥浆体温度变形系数小二分之一多，则对混凝土起稳定体积作用。浆骨比越小，硬化混凝土收缩值越小；浆骨比增大势必会对混凝土体积稳定性有影响。另外，因粉煤灰反应速率和反应率低，混凝土早期浆体水灰比增大。比如假定有一原水灰比为0.57混凝土，假如用粉煤灰简单替换30%水泥，水胶比仍为0.57，忽略粉煤灰表面吸附水，则早期水灰比就会增大到0.81，同时混凝土强度肯定下降；为了保持混凝土强度不变，将水胶比降至0.5，则早期水灰比仍有0.71。这么大水灰比就会造成早期较大孔隙率。图5所表示，水胶比为0.35 水泥浆体水化1天孔隙率，无掺和时约为12%，掺粉煤灰44%时约为26%，掺粉煤灰56%时约为30%；减低水胶比时，上述孔隙率分别减小至约3%、17%和27%。早期孔隙率大是掺粉煤灰混凝土早期碳化加速和加深关键原因。依据合武客专高性能混凝土不一样水胶比时粉煤灰掺量对水泥浆体孔隙率发展影响试验，见下图

图5 不一样水胶比时粉煤灰掺量对水泥浆体孔隙率发展影响[4]
而且，矿物掺和料强度对水胶比愈加敏感。英国Dunstan研究表明，以60%体积替换水泥，水化7天时，水泥和粉煤灰对强度贡献随水胶比降低而增加，不过粉煤灰贡献增加幅度随龄期而增加显著[1]。图5所表示。

图6不一样水胶比下水泥和粉煤灰百分比为40∶60时，水泥和粉煤灰对强度贡献[5]

图6 混凝土抗压强度-粉煤灰掺量-水胶比关系[5]
由图5可见，在龄期7天，质量水胶比0.54时，粉煤灰贡献为0；龄期为28天时，粉煤灰贡献增大，但当体积水胶比约2.2(相当于质量水胶比0.7)时粉煤灰贡献仍为0；随水胶比下降，水泥和粉煤灰贡献差距显著减小；在龄期90天，当体积水胶比大于约1.7(质量比约0.54)时粉煤灰贡献小于水泥贡献，而在较低水胶比时，粉煤灰贡献就超出了水泥贡献；龄期360天后，则在任意水胶比下，粉煤灰贡献全部超出水泥贡献。这说明粉煤灰作用比水泥作用对水胶比和龄期愈加敏感，粉煤灰掺量越大，越需要减小水胶比。所以等水胶比法掺用粉煤灰是无效。在图2中，中央是Dunstan用以编制掺粉煤灰混凝土水胶比和粉煤灰掺量关系软件三维关系模型；①、②、③分别是一定粉煤灰掺量下强度-水胶比关系、一定水胶比下强度-粉煤灰掺量关系和一定强度下水胶比-粉煤灰掺量关系；②中虚线大致为粉煤灰掺量18～20%，超出此值后，在相同水胶比下，强度随粉煤灰掺量增大而快速下降。
所以，掺粉煤灰时，不能采取不变等水胶比，必需降低水胶比才能发挥粉煤灰作用。
② 超量替换法：因为对矿物掺和料不了解，混凝土设计和工程质量管理人员限制矿物掺和料掺量，于是相关配合比规范中提出粉煤灰“超量替换法”，即，在能被接收掺量范围替换水泥，另多掺一部分替换砂子。这只是一个计算而已，在数量上“代砂”，实际上因为细度量级差异在功效上粉煤灰并不是砂，不可能“代砂”，仍然是胶凝材料，却因为“超量”而变相增加浆体含量、减小水胶比，不过，在形式上，并未公开实际粉煤灰掺量和实际水胶比，在客观上起了遮人耳目标作用。水胶比是混凝土配合比三要素之一，在原材料相同情况下，影响混凝土强度关键原因是有效拌和水和包含水泥在内全部粉细料比值，即水胶比，即使掺入传统意义上惰性材料如磨细石英砂等石粉。超量替换法不能用原因，还在于对水胶比界定混乱。比如有搅拌站在胶凝材料中不计入超量替换部分，声称掺粉煤灰前后水灰比不变。已经有实例表明，这种做法使适当工程中出现问题时，无法从所报配合比上分析原因。有些人认为掺粉煤灰后混凝土抗裂性改善不显著，浆骨比增大是其原因之一。提议以后不再采取这种实际上增加浆骨比计算方法。
③ 等水灰比法：基于一些人对水泥认识不足，把水泥厂生产混合材水泥叫做水泥，而在搅拌站生产混凝土时掺矿物掺和料不算在水泥中，简单地保持水灰比不变，减小用水量，降低水胶比，期望以此确保混凝土强度不变，不过这种做法结果是水胶比讲得过大，实际强度会厌超出期望值。以粉煤灰为例，假如掺入粉煤灰后仍保持水灰比不变，则需降低水胶比。粉煤灰掺量越大，水胶比需降低越多。比如表1中，假定原始（表中F%为0）水灰比为0.5，当粉煤灰掺量为20%时，使水灰比不变水胶比应为0.4，依这类推，粉煤灰掺量为40%时，水胶比应为0.30。这完全是忽略了粉煤灰存在而计算出来。实际上因为粉煤灰表面吸附水，自由水并不像计算那样大，则所需水胶比能够更大些。同时，这种方法粉煤灰掺量是按等值量替换水泥掺入，总胶凝材料质量不变，但因粉煤灰密度比水泥小，粉煤灰掺量越大，总胶凝材料体积越大，水胶比降得太低时，会影响拌和物施工性，就需要增加用水量（同时按水胶比增加胶凝材料用量），不仅会增加试配工作量，还会因浆骨比增大而影响混凝土体积稳定性。
表1 不一样掺量粉煤灰混凝土水胶比和水灰比关系
FA%
w/b
w/c
w/b
w/c
w/b
w/c
w/b
w/c
0
0.5
0.5
0.4
0.4
0.35
0.35
0.30
0.3
15
0.59
0.47
0.41
0.35
20
0.63
0.50
0,44
0.38
30
0.71
0.57
0.50
0.43
40
0.83
0.67
0.58
0.50
50
1.00
0.80
0.70
0.60
④ 等浆体体积法：矿物掺和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，可有利于保持混凝土体积稳定性不变。覃维祖硕士硕士成唯佳对C30混凝土试验研究表明，按等浆体体积法和按等水胶比计算掺不一样量粉煤灰混凝土配合比相比，混凝土强度等级相同，而含有更高抗渗性，如表1所表示。

表2 粉煤灰不一样掺用方法对混凝土性能影响
粉煤灰替换量(%)
等水胶比
等浆体体积
抗压强度(MPa)
DCl×10-9 cm2/s
抗压强度(MPa)
DCl×10-9 cm2/s
3d
28d
28d
84d
3d
28d
28d
84d
0
20
37.8
4.89
3.04
20
37.8
4.89
3.04
15
18.4
35.3
4.35
2.13
20.6
39.7
3.96
1.38
30
14.4
28.4
3.86
1.50
20.8
41.9
2.74
1.31
45
12.2
25.3
3.42
1.03
20
38. 6
2.30
0.85
60
7.8
19.3
2.74
1.00
20.6
40.1
2.05
0.82
成唯佳按相同强度等级、相同流动性、相同浆体含量，进行粉煤灰掺量和水胶比关系试验，图7所表示，图8位等水胶比时粉煤灰掺量和混凝土强度关系。

图7 相同强度、流动度、浆骨比 图8 等水胶比混凝土粉煤灰
混凝土粉煤灰掺量和水胶比关系 掺量和混凝土抗压强度关系
图7和图6③相比，图8和图6②相比，规律是一致。
结论
① 鉴于目前混凝土组分改变，进行混凝土配合比计算假定容重法不再适用。提议改用绝对体积法；
② 以绝干基砂子进行设计不利于混凝土质量过程控制，饱和干面干基才符合实际客观规律；
③ 以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最小浆体总量，有利于工程经济性和耐久性；
④ 当水胶比或矿物掺和料掺量改变时，应使用等浆体体积法调整混凝土配合比，以保持混凝土稳定性。
参考文件
[1] 王建军，《中铁十一局合武客运专线高性能混凝土试验方案》, .年9月
[2] D.Abrams,《Design of Concrete Mixtures, Bulletin 1, Structural Materials Research Laboratory》, Lewis Institute, 1918.
[3]谭炳训，《水泥和混凝土》，中国建筑工业出版社，1957年9月
[4]JGJ52-92《一般混凝土用砂质量标准及检验方法》
[5]V. M. Malhotra, CAMMET Investigations dealing with High-Volume fly ash Concrete, .6.
[6]M.R.H.Dunstan, 《Fly-ash as the Fourth Constituent of Concrete Mix, Proceeding of Fourth International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolana in Concrete . Istanbul》, Turkey, May 1992. SP-132-86.
[7]成唯佳，《基于现代混凝土设计理念耐久性评价研究》，清华大学硕士论文，6月
[8]张应力，《现代混凝土配合比设计手册》，人民交通出版社，12月