普通混凝土配合比设计中胶强公式的创建与应用

2022-05-13熊家清万建新

工程质量 2022年2期

熊家清，万建新

（1.公安县建筑工程服务中心，湖北荆州 434300；2.公安县恒兴建设工程质量检测有限公司，湖北荆州 434300）

0 引言

普通混凝土配合比设计规程中，胶凝材料用量的计算是在计算水胶比值后，要在与之相关的经验性用水量表中选取用水量，并以此用水量为计算基础，再以计算的水胶比值来反推计算胶凝材料用量的间接方式求解。本文对以此间接方式反推计算胶凝材料用量的方式方法，进行了分析和考量，总觉得此方式方法存在有待改进的提升空间。10 年前笔者就已构思立意：应建树卓识的创新理论，从直解方式的路径着手，采用简捷的表达算式，来创新现有计算胶凝材料用量的方式方法。在认真学习标准规范，查阅相关教科书，归纳理论和经验的专业知识点基础上，来演绎构建普通混凝土配合比设计的新方法。

1 水胶比公式应用计算的考量

1.1 胶凝材料用量的探析

JGJ 55－2011《普通混凝土配合比设计规程》［1］（以下简称“规程”）中计算胶凝材料用量的主要公式为水胶比公式，是在经验用水量表中选取用水量后，以水胶比公式计算的水胶比值来反推计算胶凝材料用量。用水量的选取是根据混凝土拌合物稠度的干硬性、塑性、流动性要求，选用粗骨料的品种、粒级范围后，在与之相关的经验用水量表中选取。选取的经验用水量其自身只是一个粗略的经验值，胶凝材料用量的计算还要以此经验用水量为水胶比值的比例基数，来间接反推计算胶凝材料用量，水胶比公式应用计算难以准确计算胶凝材料的用量。

1.2 恒定用水量法则编制规程中经验用水量表的适用性

在以往建筑材料的教材中有：“当所用粗、细骨料的种类及比例一定时，即使水泥用量有所变动（在 200～400 kg 范围内），为获得要求的流动性，所需拌合用水量基本是一定的。这一关系为恒定用水量法则，它给混凝土配合比设计带来很大方便，根据已知的骨料条件及要求的坍落度，利用经验图表即可大致确定出拌合用水量。”可见此说法是编制经验用水量表的理论基础，此“大致确定出拌合用水量”的方式方法，已不适用现代科技水平准确计算普通混凝土配合比用料比例参数的要求。对此恒定用水量法则之说，本文提出不同理由的质疑：一是在水泥产品的质量检验中，水泥净浆标准稠度的名词释义，即是用水量与水泥用量之比例关系的比值，水泥用量的变化会带来用水量的变化，在普通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，不同水泥品种的拌合物稠度要达到适宜的流动性，其用水量是不同的。以上两点质疑在规程中选用经验用水量这一实配计算参数不太适用。

2 胶凝材料用量的新公式方法

2.1 水泥强度等级应分划不同强度区间

20 世纪 60 年代美国著名水泥化学家鲍维斯，建立了普通混凝土强度的胶空比X概念：即凝胶体积对凝胶体积加毛细孔体积的比值，用以表示毛细孔被凝胶体填充的密实程度。以胶空比讨论水泥浆体或混凝土的强度，可以更直接地说明内部结构的形成状态。鲍维斯通过实验得出硬化水泥浆体抗压强度R和胶空比X的经验公式如式（1）所示。

式中：n=2.6～3.0；K值基本为常数；解析胶空比始终有X≤1，当X=1，R=K。

K的物理意义是硬化水泥浆体的潜在最大强度。引申混凝土配合比的强度设计，应等于或小于硬化水泥浆体潜在最大强度之R≤1 推论。现行国家水泥产品质量等级标准严格制定分划有高、低强度等级区间，鲍维斯经验公式引申，设计混凝土强度等级在一定区间范围应不高于水泥强度等级，即普通混凝土配合比强度等级设计，应在水泥强度等级分划不同强度区间进行。

2.2 混凝土在相应强度等级区间范围存有设计可控胶强区间的分划理论

在材料学中，组成相同的材料其强度决定于孔隙率。基于组成相同的材料其强度决定于孔隙率理论；鲍维斯的经验公式设计混凝土强度等级不应高于水泥强度等级；设计混凝土强度等级在相应强度等级区间范围，可小于水泥强度等级相应区间范围，存有设计可控对应区间的分划区间。在设计混凝土配合比时，用可控方法使胶凝材料在凝聚固结粗细集料，形成具有设计要求强度的同时，还存有可利用孔隙率来调控混凝土强度等级的区间范围。文中称设计混凝土强度等级分划的区间为胶强区间。胶强区间理论构建是水泥强度等级区间分划理论的引申。

2.3 三编普通混凝土配合比规程统计表中拟定不同水泥强度等级对应的 T 值、 mbe 值

在以相同原材料及相同生产工艺条件下，以 1996 、2000、2011 年连续三次修编规程，对普通混凝土配合比中的水泥用量进行了专项统计计算，统计归纳有三编混凝土配合比规程、四强度等级水泥、C10～C60 强度等级普通混凝土计算胶凝材料用量统计表［2］，此表统计归纳胶凝材料用量的计算中诠释有以下特点。

1）不同强度等级水泥质量的内在品质各自具有相应的胶凝特征值。以同一水泥强度等级对应逐级计算普通混凝土强度等级之横向区间的水泥用量，有水泥强度等级低的胶凝材料用量之横向区间的量值级差大，水泥强度等级高的胶凝材料用量之横向区间的量值级差小；在同一水泥强度等级对应逐级计算普通混凝土强度等级之胶凝材料用量，有胶凝材料用量的区间级差呈线性规律变化的特征。本文将此胶凝材料用量的区间级差呈线性规律变化的特征，拟为同一强度等级水泥质量的内在品质所具有的胶凝特征值，不同强度等级水泥质量的内在品质各自具有相应的的胶凝特征值，其胶凝特征值以字母T表示。

2）水泥强度等级区间对应混凝土强度等级区间存有适配胶强区间的分划。在某一水泥强度等级区间范围存有设计相应混凝土强度等级的区间，即水泥强度等级对应设计混凝土强度等级存有适配胶强区间，胶强区间的区间分划有上、下区间值范围，上区间值为水泥强度等级 10 位数的整数级，下区间值为水泥强度等级 10 位数的整数级减去 20 的整数级。本文对胶强区间各自的下区间值，从三编普通混凝土配合比规程统计表中拟定有各自对应的最小胶凝材料用量限值mbe。以上 2.3 节 1）、2）中论述水泥强度等级的胶强区间、T值、mbe值综合列入水泥强度等级区间T值、mbe值表，如表 1 所示。

表1 水泥强度等级区间 T 值、mbe 值表

3 胶强区间构建与胶凝特征值的拟定助创胶强公式的创建

从鲍维斯的经验公式引申，设计混凝土的强度应等于或小于硬化水泥浆体的潜在最大强度之R≤1 推论；从材料学中有组成相同的材料其强度决定于孔隙率的理论，到普通混凝土强度等级在相应强度范围存有设计可控胶强区间的构建；从三次修编混凝土配合比规程统计拟定分划 4 个不同强度等级水泥质量的内在品质，各自具有相对应的胶凝特征值T；从水泥强度等级对应设计混凝土强度等级存有适配胶强区间，到对应胶强区间确定有相应的上、下区间值范围，及其下区间值中拟定有各自对应的最小胶凝材料用量限值mbe。至此演绎：在已知混凝土设计强度等级，与其相应胶强区间，确定选用相应胶凝材料强度等级范围，创新列解普通混凝土配合比计算胶凝材料用量的算式，如式（2）所示。

式中：mbo为普通混凝土配合比计算胶凝材料用量，kg/m3；T为水泥强度等级各自具有内在对应的胶凝特征值；fcu.o为普通混凝土配合比计算的配制强度值，MPa；H为水泥强度等级各自对应混凝土胶强区间的下区间值，MPa；mbe为胶强区间其下区间值对应的最小胶凝材料用量，kg/m3；胶凝材料为混凝土中水泥和活性矿物掺合料的总称。

4 胶强公式在六组分混凝土配合比和透水混凝土配合比设计中的应用

4.1 客观反映混凝土强度与胶凝材料强度的量化关系

在普通混凝土配合比设计中胶强公式的创建与应用，客观地反映了胶凝材料强度等级与混凝土强度等级间的量化关系。普通混凝土配合比强度等级的设计：在于胶凝材料强度等级确定后胶凝材料用量的计算，是其首选的基本参数。胶强公式的应用，革故鼎新普通混凝土配合比规程中水胶比公式以经验用水量为普通混凝土配合比设计首选基本参数的公式方法。此公式方法引入首选基本参数其自身的误差量大，还要以此经验用水量值来间接反推计算胶凝材料用量，可见以此水胶比公式计算胶凝材料用量的算式方法有待探究。

4.2 在六组分普通混凝土配合比设计中具有延展性

以上胶强公式是在四组分普通混凝土配合比设计中创建的，现今普通混凝土配合比少不了活性矿物掺合料、外加剂，组成常用六组分普通混凝土配合比。六组分普通混凝土配合比与四组分普通混凝土配合比组成的主要材料相同，都是以胶凝材料用量为首选基本参数计算普通混凝土配合比，所以胶强公式能在六组分普通混凝土配合比中延展应用。在普通混凝土配合比规程中，活性矿物掺合料的影响归入胶凝材料 28 d 胶砂抗压强度中，再以水胶比公式通过经验用水量返算胶凝材料总量，是不易准确计算混凝土配合比中胶凝材料用量的。创建六组分普通混凝土配合比的胶强公式中，活性矿物掺合料的影响系数直接列入胶强公式中，影响计算胶凝材料总量［3］。六组分普通混凝土配合比的胶强公式列式的新论方法简明，计算简捷。创新完善六组分普通混凝土配合比设计中的胶强公式如式（3）所示。

式中：yf为矿物掺合料掺量影响系数。

4.3 在透水混凝土配合比设计中具有通用性

在 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中，透水水泥混凝土单位体积水泥用量的计算仍是以水胶比公式间接求解，其基本设计原则是以体积填充法来进行试配，使其胶凝材料用量的计算更为繁杂。此技术规程中同样没有着重于胶凝材料强度等级的选用与胶凝材料合理用量的计算，是透水水泥混凝土强度等级设计首选基本参数的关键点，来创建透水水泥混凝土计算胶凝材料用量的公式方法。此技术规程中求解透水水泥混凝土配比值可用作图法或计算法，最后定义是在多次实配的比较法中来确定透水水泥混凝土配比值，可见此技术规程中配合比值的求解公式方法并不完善。透水混凝土配合比同属普通混凝土配合比，胶强公式的应用同样适用透水混凝土配合比值的计算，只是在透水混凝土配合比的调控计算与成型工艺的要求上，使透水混凝土配合比的成型硬化后预设留有一定的孔隙率。透水混凝土配合比与普通混凝土配合比的主要材料相同，所以胶强公式也能在透水混凝土配合比中适用，胶强公式在透水混凝土配合比的调控设计中具有通用性［4］。