普通混凝土配比计取固结水量公式的创建与应用

张敏+万建新++熊家清　苏永华

摘 要：普通混凝土配比设计中的用水量，是依据施工混凝土拌合物稠度，粗骨料品種、粒径范围，在已设计好的经验性用水量表中选取，用水量的选取值是粗略的。本文是在已知混凝土配比的胶凝材料用量后，用创建的固结水量公式直接计算配比设计中的用水量，使混凝土配比设计的用水量不在靠查表选取。固结水量公式的算式方法有利于混凝土配比设计人员实用操作。

关键词：普通混凝土；三性物态；结合水；吸附水；固结水量

1.混凝土配比用水量要从经验性用水量图表中选取的思考。

《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011①，以下简称2011配比规程。规程中的5.2.1、每立方米干硬性或塑性混凝土的用水量应符合下列规定：1、混凝土水胶比在0.40—0.80范围时，可按表5.2.1—1和表5.2.1—2选取。规程中的上述条文是引导混凝土的配比设计者，采用选取的方法在这些表格中适选混凝土配比的用水量。

当对塑性混凝土用水量进行分析考量，水胶比在0.4～0.8范围，计算胶凝材料用量可在200～550kg/m3范围，大小值之比为2.75；选用表5.2.1—2中碎石塑性混凝土的用水量在165～230kg/m3范围，大小值之比为1.39；分析配比中胶凝材料用量的变化与用水量的变化其关联不大。在《建筑材料》②的教材中有：所用粗、细骨料的种类及比例一定时，即使水泥用量有所变动，为获得要求的流动性，所需拌合用水量基本是一定的。教材中将这一关系归纳为恒定用水量法则之说，它是编制经验性用水量表的理论基础。对此恒定用水量法则之说，本文有不同理由的释疑：一是在水泥产品的质量检验中，水泥净浆标准稠度的用水量与水泥用量是呈一定正比例关系的，在混凝土拌合物的水泥浆料中此理同在；二是水泥净浆标准稠度的用水量，与水泥的品种有关，其拌合物稠度要达到适宜的流动性，其用水量是不同的。此释疑关系配比规程中经验性用水量选用表的实用性。

2011配比规程中混凝土配比的用水量，是根据施工混凝土拌和物的稠度、选用粗骨料的品种及粒级范围，在配比规程中按已分段分区设计绘制好的，与之相关的经验性用水量表中选取的，用水量的取值是粗略的。用水量以选取方式选用配比的参数，好似试验性配比的参考值，存有选取参数偏差大的影响因素，以至要确定用水量选取的适宜度，是要通过反复试配比较才能获得的。

2.混凝土配比拌合物凝聚最佳固结水量计取的创新思路。

笔者在参与《创建胶强公式优化普通混凝土配比计算的新论方法》一文的撰作后，总觉得混凝土配比中的用水量，在查表选取的方法上有创新提升的空间，应从直解方式的路径着手，采用简捷的表达算式，来开拓混凝土配比中最佳固结水量的计取路径。

2.1 水泥用量与品种同是混凝土配比用水量计取的主要参数。

在水泥产品的物理检验中，水泥净浆标准稠度，是在标准稠度状态下测定用水量与水泥用量的百分比。标准稠度是后续水泥安定性和凝结时间检验的基准。实测检验水泥净浆标准稠度在26%～29%范围；在水泥产品的胶砂强度检验中其用水量与水泥用量之比为50%。水泥产品的净浆标准稠度与胶砂强度检验中，水泥用量都是计取用水量的第一要素。在2011配比规程中的水胶比，是混凝土配比中用水量与胶凝材料用量的百分比，与水泥胶砂强度检验中的用水量与水泥用量的百分比，是出自同源同理的数学表达式。在混凝土配比拌合物的水泥浆料中，水泥用量同样是计取用水量的第一要素，水泥用量是混凝土配比设计中用水量计算取值的主要参数。

水泥品种不同，水泥净浆达到标准稠度的用水量不同。采用不同水泥品种配制混凝土的拌合物，为了达到适宜的流动性，其拌合物稠度的用水量也是不同的。水灰比相同时，火山灰质硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥比较，其配制混凝土拌合物的流动性比较差，要达到相同的流动性，用火山灰质硅酸盐水泥配制混凝土的拌合物，一般每立方米混凝土用水量应增加15～20公斤。此水泥品种的物性同样反映在水泥净浆标准稠度和水泥胶砂强度的检验中。

混凝土配比中的水泥用量与不同水泥品种，都涉及配比设计中用水量计算取值的不同。在有混凝土配比设计规程规范以来，混凝土配比用水量靠查表选取的方法中是不加区分的，所以配比设计规程中其用水量取值是粗略的。以水泥用量与不同水泥品种，加以区分混凝土配比设计中用水量计算取值不同的定性推理，是构思混凝土配比设计中计算用水量的创新思路。

2.2 配比中用水量的功用区分是构建固结水量算式的组成条件。

混凝土按配比计算的拌合物，能在预控的时间内凝聚固结成为满足设计构造要求的人造石，是混凝土的配比中应有最佳固结用水量。依据相关教科书上已有的论述综合归纳，混凝土配比中的用水量有两大功用：一是分布在水泥浆料中的水泥与部分用水量发生水化作用的化学结合水；二是混凝土成型时其控制拌合物流动性要求润湿砂石的吸附水③。综合二者本文拟称混凝土配比拌合物凝聚的固结水量。

在水泥和水发生水化作用的化学结合水中，水泥完全水化的最大水量一般为水泥质量的25%～30%，与不同水泥品种之净浆标准稠度用水量有关。工程施工中混凝土配比的拌合用水量，一般为水泥质量的40%～80%范围，此是包含了结合水与吸附水的固结水量。

在控制拌合物流动性润湿砂石之吸附水量的功用分析中，配比拌合物中吸附水量过少的不利影响，是施工时混凝土难以成型，或拌合物中的水泥难以水化影响混凝土的结构强度。配比拌合物中吸附水量过多的不利影响，一方面减弱了水泥浆的粘结能力，另一方面多余的水分被蒸发后，在混凝土中形成很多孔隙，这些孔隙的存在会降低混凝土的密实度，使其强度降低，且容易遭受冻害，影响混凝土的耐久性。因此分析混凝土配比拌合物中结合水、吸附水的功用不同，是利其构建混凝土配比设计中最佳固结水量算式的组成条件。

3.拓展思路创建混凝土配比最佳固结水量算式的推演拟定。

3.1 混凝土拌合物浇筑时呈三性物态吸附水量分段取值的推演。

混凝土配比拌合物中水的两大功用区分，明确了配比的拌合物呈水泥浆时，水泥水化时所需要的化学结合水，与不同水泥品种净浆标准稠度的用水量有关；而成型控制拌合物流动性要求润湿砂石的吸附水，与施工浇筑时混凝土拌合物稠度呈现的干硬性、塑性、流动性的三种不同性状物态有关（以下简称三性物态）。现行标准将混凝土拌合物稠度呈现的三种不同性状物态划分为三个区段④，来设计拌合物的维勃稠度、坍落度、扩展度的等级划分及其稠度允许偏差。此标准只是规定了拌合物稠度检验的类型方法与稠度允许偏差，没有涉及用水量与拌合物稠度的关联。归纳2011配比规程中经验用水量表的选取值，当混凝土拌合物在三性物态区段的拐点上，其用水量有一明显的分界点。如混凝土拌合物在塑性物态区段，对应坍落度在101～120（mm）区间时，混凝土在塑性区段的坍落度最大，拌合物在塑性区段的吸附水量就有一个对应较大的起点值90kg/m3，见（图表3.2-01）。分析混凝土配比中用水量变化最大的部分实际是吸附水量的变化，在三性物态各自区段拐点上，吸附水量都有一对应较大的起点值。

依据混凝土配比中用水量的功用区分为结合水与吸附水，结合水只在胶凝材料用量的25%～30%，其余用水量既为润湿砂石的吸附水。以“E”代表混凝土配比拌合物呈三性物态时，不同区段拐点较大的吸附水量起点值。归纳2011配比规程拌合物稠度在三个區段经验用水量表值的参考，经推演则有：干硬性物态的“E”值为40kg/m3，塑性物态的“E”值为90kg/m3，流动性物态的“E”值为140kg/m3，是其对应区段拐点较大的吸附水量起点值。

3.2 拌合物稠度指标在各区段内吸附水量有区间分值的拟定。

混凝土配比拌合物中水的功用区分，吸附水量是决定混凝土拌合物流动性的基本条件。混凝土配比拌合物稠度在三性物态各自区段，各自区段内的拌合物稠度指标划分为五个区间，五个区间有控制吸附水量大小的，呈线性规律变化的区间分值；在三个区段内的区间分值各有不同。归纳2011配比规程中三性物态各区段的经验用水量表值的参考，经推演则有：干硬性拌合物稠度指标区段的拐点为维勃稠度的5～3s，其区段的区间吸附水量分值为5kg。塑性拌合物稠度指标区段拐点为坍落度的101～120mm，其区段的区间吸附水量分值为10kg。流动性拌合物稠度指标区段拐点为扩展度的630～690mm，其区段的区间吸附水量分值为10kg。综合归类混凝土配比拌合物在三性物态各区段，吸附水量相应的各项指标值见（图表3.2-01）：

图表3.2-01表值，是在归纳《普通混凝土配合比设计规程》、《混凝土质量控制标准》相关图表的参数，笔者参比后所推演拟定，与原规程、标准的量值有较大变化，是为创建固结水量公式设计编制的。

混凝土配比中的用水量按功用区分为结合水、吸附水；吸附水量又有分段分区的定量描述，为创建混凝土配比计算用水量的列式代数方程引出了综合列式的基本条件。

3.3 混凝土拌合物最佳固结水量列式代数方程的演绎创建。

混凝土配比拌合物凝聚固结水量的功用区分中，化学结合水量为胶凝材料用量的25%～30%；其余用水量既为润湿砂石的吸附水量。以此构思混凝土配比用水量的列式代数方程式为两部分。结合水量的子列式，因化学结合水量与水泥净浆标准稠度用水量有关，用水量区域范围相近，既采用结合水量是水泥质量百分比的计算式；吸附水量的子列式，则由吸附水量在各区段拐点有较大值、在各区段的区间有区间分值的组合列式。归纳结合水量、吸附水量的子列式则有：演绎创建直接计取普通混凝土配比拌合物最佳固结水量的算式，简称固结水量公式如下：

mwo= mbo×P+E-K（H-1） （3.3）

注：mwo —普通混凝土配比拌合物中的固结水量（kg/m3）；

mbo —普通混凝土配比拌合物中的胶凝材料用量（kg/m3）；

P — 选用水泥品种的标准稠度用水量（%）；

E — 三性物态各区段拐点最大吸附水量（kg/m3）；

K — 三性物态各区段其区间吸附水量分值（kg/m3）；

H — 三性物态各区段拌合物稠度选用指标对应区间序号。

4.应用固结水量公式计算塑性混凝土用水量的算例。

胶强公式以水泥强度等级，对应将混凝土强度等级按不同等级范围构建胶强区间，来计算普通混凝土配比中的胶凝材料用量。固结水量公式则依据已知的胶凝材料用量，直接以列式代数方程来计算普通混凝土配比中的固结用水量。

4.1 计算C40强度等级普通混凝土配比的固结水量。

选用42.5强度等级普硅水泥，设计配比C40强度等级混凝土，在施工混凝土强度标准差取6时，以胶强公式计算混凝土配比中的胶凝材料用量为433 kg/m3。检验普硅水泥的水泥净浆标准稠度用水量为28%；拌合物在塑性区段拐点的最大吸附水量“E”为90kg/m3，其区段的区间吸附水量分值为10kg。当混凝土拌合物稠度的坍落度选在61～80区间，区间序号为3，配比设计C40强度等级普通混凝土的固结水量：

mwo= mbo×P+E-K（H-1）

mwo= 433×28%+90-10（3-1）=191.24kg

4.2 计算C20强度等级普通混凝土配比的固结水量。

选用42.5强度等级普硅水泥，设计配比C20强度等级混凝土，当施工混凝土强度标准差取3时，以胶强公式计算混凝土配比中的胶凝材料用量为264 kg/m3。检验普硅水泥的水泥净浆标准稠度用水量为28%；拌合物在塑性区段拐点的最大吸附水量“E”为90kg/m3，其区段的区间吸附水量分值为10kg。当混凝土拌合物稠度的坍落度选在101～120区间，区间序号为1，配比设计C20强度等级普通混凝土的固结水量：

mwo= mbo×P+E-K（H-1）

mwo= 264×28%+90-10（1-1）=163.92kg

5.拌合物中粗细骨料品种与粒径大小对吸附水量调整参考。

水泥浆中的吸附水量决定了拌合物的流动性。混凝土配合比中粗骨料的形状不同，如卵石、碎石在相同粒径的基础上因其总表面积不同，对吸附水量的需求不同。例粗骨料以卵石为配比设计基础，则碎石在相同配比中，干硬性物态拌合物的吸附水量加10kg/m3。塑性物态拌合物的吸附水量加15kg/m3。流动性物态拌合物的吸附水量加20kg/m3。混凝土配比中粗骨料粒径分10、20、31.5、40（mm）四个粒级，例以40mm粒级为计算基础，每减小一个粒级其拌合物的吸附水量加10kg/m3。

混凝土配比设计中的细骨料以中砂为基准，采用细砂时配比中拌合物的吸附水量可增加5～10kg/m3，采用粗砂时配比中拌合物的吸附水量可减少5～10kg/m3。

结束语：

在选用水泥品种、砂石集料、及拌合物稠度、成型、养护等工艺后，用胶强公式、固结水量公式以列式代数方程精准计算，混凝土配比设计中的胶凝材料用量、固结用水量，并使其量值的增减调整量在较小范围变化，有利于工程建设施工质量的保证作用。

在2011配比规程中，水泥强度与混凝土强度的相关性是隐含在水胶比公式中的，很难关联其间量化关系的影响作用。撰文者创建两文的胶强公式、固结水量公式是以列式代数方程计算的方法，直接计算混凝土配比中的胶凝材料与固结水量的用量，使普通混凝土的配比计算简捷精准、量值关系明确、运作务实可行。

参考文献

[1]《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011.中国建筑工业出版社，2011（7）

[2] 王世芳主编.《建筑材料》哈尔滨建筑工程学院.中央广播电视大学出版社，1985（6）

[3] 山东建筑材料工业学院等编.水泥工艺原理.中国建筑工业出版社，1981（5）：203

[4]《混凝土质量控制标准》GB50164-2011.中国建筑工业出版社，2011（7）

【文章编号】1627-6868（2016）11-0019-03