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天津市市政工程质量检测中心

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当前混凝土配合比设计方法存在的问题  

2014-06-06 15:04:14|  分类: 混凝土理论知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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当前混凝土配合比设计方法存在的问题

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D.Abrams 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。I.Lyse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Bolomy的拟合公式:R28=RC×A(C/W-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=1.52R28.由于水泥标准的变化,我国在《普通混凝土配合比设计规程》GB55-2000中修改了Bolomy拟合公式中的AB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1m3混凝土拌合物由各种原材料堆积而成,即1m3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2400kg/m3,对高强度混凝土假定表观密度为2450kg/m3,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1.92.4g/cm3。磨细矿渣粉表观密度为2.6g/cm3,与水泥的表观密度3.0g/cm3就相差大多了。按上述假定的表观密度计算,体积都会大于1m3。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3.0g/cm3,粉煤灰的密度为2.2g/cm3。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。


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