牧羊人

关于混凝土配合比选择方法的讨论

之一：当前混凝土配合比“设计”存在的问题
 廉慧珍                        李玉琳
 清华大学土木水利学院  北京中宏盛建设工程质量检测有限责任公司

摘要：高效减水剂和矿物掺和料的大量使用，使用传统的混凝土配合比设计方法时，由于矿物掺和料与水泥的密度相差较大，计算混凝土配合比的假定容重法不再适用；现行以砂子绝干密度为基准的方法造成较大的质量管理难度；骨料质量成了影响混凝土质量的主要因素。改变矿物掺和料掺量时，应当保持浆骨比不变，以保持混凝土的体积稳定性。

关键词：混凝土配合比 假定容重法 砂石饱和面干状态的密度 骨料级配 等浆体体积

自从1918年美国的D. Abrams经5万多次试验，，在“混凝土配合成分的设计”一文中提出混凝土的水灰比定则，认为可塑性混凝土的杭压强度完全受水灰此的控制，而与其他因素无关^[1]。1932年I.Lyse提出灰水比定则，认为混凝土的28天抗压强度和水灰比的倒数成正比，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需根据原材料及工艺经试验确定。

我国20世纪50年代以来，长期使用Bolomy经大量实验数据统计拟合的公式：

该式试验时的条件是使用硅酸盐水泥、级配良好而清洁的河砂、粒形匀称的石子，系数A、B依石子品种而异；该式适用于坍落度为30mm～90mm的塑性混凝土，因施工性和经济性的要求，我国在使用该式时要求水泥强度 和混凝土强度 的关系为 。根据强度要求计算得出的水灰比与试配验证的结果相差可达20～30%。由于水泥标准的变化，JGJ 55 -2002《普通混凝土配合比设计规程》修改了Bolomy公式中的系数A、B。但是，我国自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，混凝土强度不再依赖于水泥强度，用GB175-77水泥标准的425#水泥（相当于现行水泥标准的32.5等级）已能配制出C60的泵送混凝土。在本质上，混凝土主要还是由水泥、骨料和水组成的硬化体，但是其内涵已发生很大变化：总体强度水平高了，拌和物从低塑性发展到当前的泵送，流动性大大提高；原材料也有很大变化：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，……。与此同时，多数人对混凝土却仍停留在以往的认识。为适应这种变化，在此讨论三个问题。

1、“假定容重法”对当前混凝土的配制已不再具有普适性

“假定容重法”本来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、砂石的表观密度变化不大，所配制混凝土的表观密度变化也不大，因此为了简化试配，对水灰比为0.5左右的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，试拌后实测差别不大。但是如今普遍使用较大掺量的矿物掺和料，例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，与水泥表观密度的3.0左右相比相差就大了，按上述假定的表观密度计算，则体积都会大于1 m³，掺和料越多，大得越多。因此从根本上，还是应当使用绝对体积法。当然，正如任何方法都有一定的假设，绝对体积法的假设是忽略水泥水化所减少的那部分水的体积，但是，混凝土在新拌状态时，这部分水相对于混凝土的总体积来说是很少的。为了弥补这部分忽略水的体积，建议用绝对体积法计算时，不必计入搅拌时挟入的孔隙体积。

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，量测出材料的体积和质量，即可计算。通常所说密度。只得是绝对密实状态下单位体积的质量，对密实的无孔材料如钢铁，制成规则的几何形状，所量测的体积为绝对密实体积，或称作实体积；对含有孔隙的固体材料如砖瓦，如欲得出其密度，则可将其磨成细粉，与颗粒很细的材料如水泥、矿物掺和料一样，用比重瓶量测体积；磨得越细越接近真密度，因此只能磨到一定的粗细程度，求得近似密度值；一般凡是需要磨细来求得其密度的，统一磨到与水泥相同的细度；

对于砂石等散粒状材料是有微孔的材料，孔隙率都很小却不能忽略，其所含孔隙有能吸入水的开放孔，也有水进不去的封闭孔（包括100nm以下的开放但水进不去的孔）。组成绝对密实的混凝土拌和物中，砂石所占的体积，是能充水的气孔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合。这种状态就是饱和面干；这样求得的密度叫做表观密度，以区别于真密度。我国自50年代开始对混凝土进行配合比设计，其中的砂石计算就“以面干饱和状态中的材料为标准”^[2]。而今，全世界只有我国是以绝干状态的骨料进行混凝土配合比的计算。这两种基准的配合比尤什么区别呢？

饱和面干状态骨料所含的水既不影响混凝土拌和物的工作性，也不参与胶凝材料水化后微结构的组成。但是如果骨料不是面干饱和的状态，当含水率低于面干的饱和含水率时，就要从拌和水中吸收水；如果含水率大于面干的饱和含水率，则会增加拌和水量，对拌和物性能与硬化混凝土性能都会有影响。对于以绝干基试配的混凝土，目前我国在混凝土实际生产中，多采用炒干或烘干至恒重的方法求出砂子的实际含水率，依此扣除拌和水用量。结果是试拌的混凝土坍落度会小于预期值，又要调整配合比，造成质量控制的麻烦。当采取面干饱和基试配时，只要预先测得骨料面干的饱和含水率（其值与吸水率值相等），再测出骨料实际的全部含水率，在生产中对拌和水“多退少补”即可，具有较好的质量的可控性。

图1 砂子含水状态示意

3、骨料的级配和粒形成了影响混凝土质量的关键因素

骨料在混凝土中的骨架作用主要稳定体积。是即使采石场生产的石子经过严格的级配，销售时经过装料、运输中的颠簸和卸料，再加上生产混凝土时的投料，就会大小颗粒分离而重新分布，失去级配。因此绝大多数国家配制混凝土所用的石子都采用两级配或三级配。例如德国，还在混凝土试配时将砂石一起连续地级配。我国目前市场供应的石子由于生产工艺落后，也由于大多数生产者的无知，无视砂石标准，号称连续级配，实际上小于10mm的颗粒极少，几乎没有。而且由于我国砂石标准中对针、片状尺寸颗粒限定要求过宽（实际上是牵就落后），使石子的粒形很差。如图4所示，我国粒形“合格”的石子中有的颗粒与针、片状颗粒的差别并不显著，而日本所用石子则各向径长差别较小，基本上是等径状的。

我国粒形“合格”的石子     针、片状颗粒           日本常用石子

图4我国目前常用石子与日本常用石子粒形比较

    已故我国老专家蔡正咏在上世纪80年代初就说过：我国混凝土质量不如西方国家的，原因就是石子质量太差。但是那时我国石子随机取样的空隙率一般都在40～42%，而理想粒形和级配的石子孔隙是36～38%。现在，我国市售石子空隙率已达45%以上，甚至超过50%！这就使我国混凝土的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%。已经有一些搅拌站或工程采用了两级配的石子，混凝土的水泥用量减少了约20%。

4、掺用矿物掺和料的混凝土配合比计算的问题

多年来，人们对掺用掺和料的混凝土配合比的计算，基本上从等水胶比法（即简单等量取代）发展到超量取代法；也有人参照纯水泥混凝土的水灰比，计入掺和料后，在减少水泥的同时按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。先将以上各方法分析如下：

①  等水胶比法：掺矿物掺和料后的水胶比与未掺矿物掺和料时的水灰比值相同，即简单等量取代。因矿物掺和料密度小，使浆体体积变大，即浆骨比增大，例如，假定普通水泥密度为3.0kg/m³，粉煤灰密度为2.2 kg/m³，当以粉煤灰简单取代30%的水泥时，浆体体积就会增加37升。水泥加水硬化后的体积收缩是混凝土的特性之一，加入骨料制成混凝土后，由于骨料的温度变形系数比硬化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，硬化混凝土收缩值越小；浆骨比增大势必会对混凝土的体积稳定性有影响。此外，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。例如假定有一原水灰比为0.57的混凝土，如果用粉煤灰简单取代30%的水泥，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。这样大的水灰比就会造成早期较大的孔隙率。如图5所示，水胶比为0.35 的水泥浆体水化1天的孔隙率，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的混凝土早期碳化加速和加深的主要原因。

图5 不同水胶比时粉煤灰掺量对水泥浆体孔隙率发展的影响^[4]

而且，矿物掺和料的强度对水胶比更加敏感。英国的Dunstan研究表明，以60%的体积取代水泥，水化7天时，水泥和粉煤灰对强度的贡献随水胶比的降低而增加，但是粉煤灰的贡献增加的幅度随龄期而增加显著^[1]。如图5所示。

图6不同水胶比下水泥和粉煤灰比例为40∶60时，水泥和粉煤灰对强度的贡献^[5]

因此，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。

②  超量取代法：由于对矿物掺和料的不了解，混凝土的设计与工程质量管理人员限制矿物掺和料的掺量，于是有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取代水泥，另多掺一部分取代砂子。这只是一种计算而已，在数量上“代砂”，实际上因为细度量级的差别在功能上粉煤灰并不是砂，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，但是，在形式上，并未公开实际的粉煤灰掺量和实际的水胶比，在客观上起了遮人耳目的作用。水胶比是混凝土配合比的三要素之一，在原材料相同的情况下，影响混凝土强度的主要因素是有效拌和水与包括水泥在内的全部粉细料的比值，即水胶比，即使掺入传统意义上的惰性材料如磨细石英砂等石粉。超量取代法不能用的原因，还在于对水胶比界定的混乱。例如有的搅拌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灰比不变。已有实例表明，这种做法使得当工程中出现问题时，无法从所报的配合比上分析原因。有人认为掺粉煤灰后的混凝土抗裂性改善不明显，浆骨比增大是其原因之一。建议今后不再采用这种实际上增加浆骨比的计算方法。

③  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叫做水泥，而在搅拌站生产混凝土时掺的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，希望以此保证混凝土强度不变，但是这种做法的结果是水胶比讲得过大，实际强度会厌超过期望值。以粉煤灰为例，如果掺入粉煤灰后仍保持水灰比不变，则需降低水胶比。粉煤灰掺量越大，水胶比需降低越多。例如表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，使水灰比不变的水胶比应为0.4，依此类推，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的存在而计算出来的。实际上由于粉煤灰表面吸附水，自由水并不像计算的那样大，则所需水胶比可以更大些。同时，这种方法的粉煤灰掺量是按等值量取代水泥掺入的，总胶凝材料质量不变，但因粉煤灰密度比水泥的小，粉煤灰掺量越大，总胶凝材料体积越大，水胶比降得太低时，会影响拌和物的施工性，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的体积稳定性。

表1         不同掺量粉煤灰的混凝土水胶比和水灰比的关系