当下普通混凝土配合比计算方法的选择探讨

闵永涛

(上海市市政公路工程检测有限公司,上海 201108)

普通混凝土由水泥、砂、石、水以及外加剂、掺合料作为基础,按一定的比例配合,经搅拌而成[1]。混凝土配合比的原理：是按照1m3混凝土拌合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(不计各原材料内部孔隙)[2]。建设部现行行业标准[3],对混凝土配合比设计中粗、细骨料计算有两种方法：一种是质量法,一种是体积法。质量法是假定1m3混凝土拌合物的质量为某个固定值计算粗、细骨料用量。体积法是假定1m3混凝土拌合物的体积等于各组成材料与混凝土中空气的体积之和计算粗、细骨料用量。

过去,混凝土的原材料为水、水泥、砂、石,组成相对较简单,原材料的表观密度变化不大,所配制出的混凝土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,试拌后实测差别不大[2]。随着建筑行业的高速发展,当下混凝土中除了水、水泥、砂、石材料以外,还需要掺加矿物掺合料和多种化学外加剂。当混凝土中加入矿物掺合料后其表观密度可能已发生变化,单单依靠经验选取某一固定假定质量值用于计算砂、石材料用量,取值的准确性难以把握。笔者根据诸多水泥混凝土配合比设计实践认为,采用体积法时,混凝土拌合物体积计算值与实测值能够表现一致,而采用质量法时,混凝土拌合物不是出现“亏方”就是“胀方”。(当混凝土拌合物表观密度实测值小于假定质量时,表现为体积“亏方”；当混凝土拌合物表观密度实测值大于假定质量时,表现为体积“胀方”)。当质量法用于现场混凝土施工或成本控制时,容易出现两种状况：①计算的混凝土计划用量远超过现场混凝土的实际用量,造成材料浪费；②计算的混凝土计划用量远小于现场混凝土的实际用量,影响施工连续性。本文以C40水泥混凝土配合比设计为研究对象,对质量法和体积法的计算结果进行探讨。

1 试验

1.1 设计依据

具体如下：①设计强度等级：C40；②设计坍落度：140mm～180mm；③按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)执行。

1.2 原材料

具体如下：①水泥：P.O42.5,安徽铜陵海螺水泥,密度为3.04g/cm3；②黄砂：中砂,芜湖中庆实业有限公司,表观密度为2.620g/cm3,细度模数为2.68；③碎石：(5～25)mm连续级配,湖州新开元碎石有限生产,表观密度为2.636g/cm3；④粉煤灰：F类Ⅱ级,上海高热实业有限公司,密度为2.12g/cm3；⑤矿渣粉：S95,上海宝田新型建材有限公司,密度为2.82g/cm3；⑥减水剂：TMS-YJ-3,江苏西卡特密斯建筑材料有限公司,减水率为：26%；⑦水：饮用水。

2 结果与讨论

2.1 质量法

计算公式[3]：

mf0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp

(1)

βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

(2)

式中：mf0—每立方米混凝土的矿物掺合料用量(kg/m3)；mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量(kg/m3)；ms0—每立方米混凝土的细骨料用量(kg/m3)；mw0—每立方米混凝土的用水量(kg/m3)；βs—砂率(%)；mcp—每立方米混凝土拌合物的假定质量(kg/m3)。

由公式(1)、(2)可知,质量法计算砂、石材料用量,其关键是假定质量的取值问题。当原材料稳定,混凝土拌合物的表观密度接近于某个固定值时,采用质量法计算简单、方便。当混凝土原材料中某个或几个材料的密度发生变化时,若仍然采用某个固定值计算砂、石材料用量,容易导致混凝土拌合物表观密度计算值与实测值不相符,混凝土拌合物表现为“亏方”或“胀方”,通过下列两种情况进行说明。

情况一,混凝土配合比中胶凝材料总量均相同,矿物掺合料的掺量均为某一固定值,取3个不同假定质量值,由公式(1)、(2)计算得到各组配合比的砂、石材料用量,经试拌,结果见表1。

表1 不同假定质量计算的配合比结果

由表1可知,当假定质量为2420kg/m3时,表观密度实测值为2390kg/m3,表观密度实测值小于假定质量值,混凝土拌合物表现为“亏方”；当假定质量为2350kg/m3时,表观密度实测值为2370kg/m3,表观密度实测值大于假定质量值,混凝土拌合物表现为“胀方”；当假定质量为2380kg/m3时,表观密度实测值与假定质量相等,表明混凝土拌合物体积计算值与实测值大小一致。可见,采用质量法进行配合比计算时,当假定质量取值较大时,会引起混凝土拌合物“亏方”；当假定质量取值较小时,会引起混凝土拌合物“胀方”。

情况二,混凝土配合比胶凝材料总量均相同,矿物掺合料按3种不同的掺量,拌合物的假定质量均为某一固定值,由公式(1)、(2)计算得到各组配合比砂、石材料用量,经试拌,结果见表2。

表2 不同矿物掺合料掺量计算的配合比结果

由表2可知,随着矿物掺合料掺量的增加,更多的水泥被矿物掺合料替代。由试验测得矿物掺合料中粉煤灰的密度为2.12g/cm3,矿渣粉的密度为2.82g/cm3,而水泥的密度为3.04g/cm3,可见掺合料的密度远小于水泥的密度,导致每立方米混凝土拌合物的表观密度变小,且矿物掺合料的掺量越大,表观密度值越小。文献[4]表明,当采用假定质量法计算砂、石材料用量,计算的体积都会大于1,而且矿物掺合料掺量越大,体积大的越多,即“亏方”越明显[4]。

2.2 体积法

计算公式[3]：

(3)

(4)

式中：ρc—水泥密度(kg/m3)；ρf—矿物参合料的密度(kg/m3)；ρg—粗骨料密度(kg/m3)；ρs—细骨料密度(kg/m3)；ρw—水的密度(kg/m3),可取1000kg/m3；α—混凝土的含气量百分数,在不适用引气型外加剂时,α可取为1。

由公式(3)、(4)可知,与质量法相比较,体积法的计算较复杂,且需测定原材料的密度,技术要求比较高。但体积法能根据材料密度的变化,对各材料的用量进行调整,得到的混凝土拌合物体积计算值和实测值大小能够表现一致,通过表3来说明。

采用体积法时,混凝土配合比的胶凝材料总量均相同,矿物掺合料按3种不同的掺量。由公式(3)、(4)计算得到各组配合比的砂、石材料用量,经试拌,结果见表3。

由表3可知,随着矿物掺合料的增加,更多的水泥被矿物掺合料替代,因同质量的水泥体积小于矿物掺合料的体积,所以混凝土中胶凝材料的体积增大。由公式(3)可知,组成混凝土拌合物的各材料体积之和等于1,当胶凝材料体积变大时,砂、石材料的体积将变小,用量也变小,混凝土拌合物的表观密度实测值也将变小。而配合比的表观密度计算值是根据1m3混凝土的材料用量之和计算而来,当材料用量变化,表观密度计算值也会发生变化。对比表3中表观密度计算值与实测值可知,采用体积法计算时,表观密度计算值与实测值较接近,且随着材料的变化,其结果能够表现一致。

表3 体积法计算的配合比结果

综上分析可知,两种计算方法的区别在于：质量法是根据经验取某一固定值为假定质量,反算每立方米混凝土中材料的用量,这一方法的运用未考虑材料密度变化对混凝土表观密度的影响。当材料密度发生变化,混凝土的表观密度已不再与凭经验取得的假定质量相接近,导致计算结果与实际情况不相符。而体积法表观密度计算值是根据材料密度的变化情况计算各材料用量,然后求和得来。当材料密度变化后,体积法能对各材料的用量进行调整,所以混凝土拌合物体积计算结果与实测结果表现一致。由此可见,质量法的计算结果较为粗略,而体积法的计算结果较为精确。

3 结语

质量法是体积法的一种简化,当原材料比较稳定,变化较小时,计算比较简单,方便。但随着越来越多的矿物掺合料、外加剂的加入,当下普通混凝土中材料组成变化较大,因此质量法对当前混凝土的配置已不再具有普适性[2]。而体积法,虽然操作技术要求比较高,计算比较复杂,但计算结果较精确。当然,采用体积法时,原材料的密度测定是重点,在密度测定或取值时需注意一些问题,才能确保计算结果的准确。如文献[5],研究了为什么体积法计算混凝土配合比所有骨料密度要用饱和面干状态进行检测,以及如何界定骨料的饱和面干状态等问题[5]。

[1]谢俊鹏.普通混凝土配合比设计和应用研究[J].江西建材,2014(5)：1-1,2．

[2]廉慧珍,李玉琳.当前混凝土配合比“设计”存在的问题—关于混凝土配合比选择方法的讨论之一[J].混凝土,2009(3)：1-5．

[3]JGJ55-2011,普通混凝土配合比设计规程[S]．

[4]廉慧珍.混凝土配合比设计的原则[J].商品混凝土,2010(12)：21-23,30．

[5]廉慧珍,李玉琳.关于体积法计算混凝土配合比中原材料密度问题[J].混凝土,2010(9)：1-3,16．