當下普通混凝土配合比計算方法的選擇探討

閔永濤

(上海市市政公路工程檢測有限公司,上海 201108)

普通混凝土由水泥、砂、石、水以及外加劑、摻合料作為基礎,按一定的比例配合,經攪拌而成[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緊密堆積而成,即1m3混凝土體積等于各原材料絕對密實體積之和(不計各原材料內部孔隙)[2]。建設部現行行業標準[3],對混凝土配合比設計中粗、細骨料計算有兩種方法：一種是質量法,一種是體積法。質量法是假定1m3混凝土拌合物的質量為某個固定值計算粗、細骨料用量。體積法是假定1m3混凝土拌合物的體積等于各組成材料與混凝土中空氣的體積之和計算粗、細骨料用量。

過去,混凝土的原材料為水、水泥、砂、石,組成相對較簡單,原材料的表觀密度變化不大,所配制出的混凝土表觀密度變化也不大,因此為了簡化試配,對水灰比為0.5左右的混凝土假定表觀密度為2400kg/m3,試拌后實測差別不大[2]。隨著建筑行業的高速發展,當下混凝土中除了水、水泥、砂、石材料以外,還需要摻加礦物摻合料和多種化學外加劑。當混凝土中加入礦物摻合料后其表觀密度可能已發生變化,單單依靠經驗選取某一固定假定質量值用于計算砂、石材料用量,取值的準確性難以把握。筆者根據諸多水泥混凝土配合比設計實踐認為,采用體積法時,混凝土拌合物體積計算值與實測值能夠表現一致,而采用質量法時,混凝土拌合物不是出現“虧方”就是“脹方”。(當混凝土拌合物表觀密度實測值小于假定質量時,表現為體積“虧方”；當混凝土拌合物表觀密度實測值大于假定質量時,表現為體積“脹方”)。當質量法用于現場混凝土施工或成本控制時,容易出現兩種狀況：①計算的混凝土計劃用量遠超過現場混凝土的實際用量,造成材料浪費；②計算的混凝土計劃用量遠小于現場混凝土的實際用量,影響施工連續性。本文以C40水泥混凝土配合比設計為研究對象,對質量法和體積法的計算結果進行探討。

1 試驗

1.1 設計依據

具體如下：①設計強度等級：C40；②設計坍落度：140mm～180mm；③按《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)執行。

1.2 原材料

具體如下：①水泥：P.O42.5,安徽銅陵海螺水泥,密度為3.04g/cm3；②黃砂：中砂,蕪湖中慶實業有限公司,表觀密度為2.620g/cm3,細度模數為2.68；③碎石：(5～25)mm連續級配,湖州新開元碎石有限生產,表觀密度為2.636g/cm3；④粉煤灰：F類Ⅱ級,上海高熱實業有限公司,密度為2.12g/cm3；⑤礦渣粉：S95,上海寶田新型建材有限公司,密度為2.82g/cm3；⑥減水劑：TMS-YJ-3,江蘇西卡特密斯建筑材料有限公司,減水率為：26%；⑦水：飲用水。

2 結果與討論

2.1 質量法

計算公式[3]：

mf0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp

(1)

βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

(2)

式中：mf0—每立方米混凝土的礦物摻合料用量(kg/m3)；mg0—每立方米混凝土的粗骨料用量(kg/m3)；ms0—每立方米混凝土的細骨料用量(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質量(kg/m3)。

由公式(1)、(2)可知,質量法計算砂、石材料用量,其關鍵是假定質量的取值問題。當原材料穩定,混凝土拌合物的表觀密度接近于某個固定值時,采用質量法計算簡單、方便。當混凝土原材料中某個或幾個材料的密度發生變化時,若仍然采用某個固定值計算砂、石材料用量,容易導致混凝土拌合物表觀密度計算值與實測值不相符,混凝土拌合物表現為“虧方”或“脹方”,通過下列兩種情況進行說明。

情況一,混凝土配合比中膠凝材料總量均相同,礦物摻合料的摻量均為某一固定值,取3個不同假定質量值,由公式(1)、(2)計算得到各組配合比的砂、石材料用量,經試拌,結果見表1。

表1 不同假定質量計算的配合比結果

由表1可知,當假定質量為2420kg/m3時,表觀密度實測值為2390kg/m3,表觀密度實測值小于假定質量值,混凝土拌合物表現為“虧方”；當假定質量為2350kg/m3時,表觀密度實測值為2370kg/m3,表觀密度實測值大于假定質量值,混凝土拌合物表現為“脹方”；當假定質量為2380kg/m3時,表觀密度實測值與假定質量相等,表明混凝土拌合物體積計算值與實測值大小一致。可見,采用質量法進行配合比計算時,當假定質量取值較大時,會引起混凝土拌合物“虧方”；當假定質量取值較小時,會引起混凝土拌合物“脹方”。

情況二,混凝土配合比膠凝材料總量均相同,礦物摻合料按3種不同的摻量,拌合物的假定質量均為某一固定值,由公式(1)、(2)計算得到各組配合比砂、石材料用量,經試拌,結果見表2。

表2 不同礦物摻合料摻量計算的配合比結果

由表2可知,隨著礦物摻合料摻量的增加,更多的水泥被礦物摻合料替代。由試驗測得礦物摻合料中粉煤灰的密度為2.12g/cm3,礦渣粉的密度為2.82g/cm3,而水泥的密度為3.04g/cm3,可見摻合料的密度遠小于水泥的密度,導致每立方米混凝土拌合物的表觀密度變小,且礦物摻合料的摻量越大,表觀密度值越小。文獻[4]表明,當采用假定質量法計算砂、石材料用量,計算的體積都會大于1,而且礦物摻合料摻量越大,體積大的越多,即“虧方”越明顯[4]。

2.2 體積法

計算公式[3]：

(3)

(4)

式中：ρc—水泥密度(kg/m3)；ρf—礦物參合料的密度(kg/m3)；ρg—粗骨料密度(kg/m3)；ρs—細骨料密度(kg/m3)；ρw—水的密度(kg/m3),可取1000kg/m3；α—混凝土的含氣量百分數,在不適用引氣型外加劑時,α可取為1。

由公式(3)、(4)可知,與質量法相比較,體積法的計算較復雜,且需測定原材料的密度,技術要求比較高。但體積法能根據材料密度的變化,對各材料的用量進行調整,得到的混凝土拌合物體積計算值和實測值大小能夠表現一致,通過表3來說明。

采用體積法時,混凝土配合比的膠凝材料總量均相同,礦物摻合料按3種不同的摻量。由公式(3)、(4)計算得到各組配合比的砂、石材料用量,經試拌,結果見表3。

由表3可知,隨著礦物摻合料的增加,更多的水泥被礦物摻合料替代,因同質量的水泥體積小于礦物摻合料的體積,所以混凝土中膠凝材料的體積增大。由公式(3)可知,組成混凝土拌合物的各材料體積之和等于1,當膠凝材料體積變大時,砂、石材料的體積將變小,用量也變小,混凝土拌合物的表觀密度實測值也將變小。而配合比的表觀密度計算值是根據1m3混凝土的材料用量之和計算而來,當材料用量變化,表觀密度計算值也會發生變化。對比表3中表觀密度計算值與實測值可知,采用體積法計算時,表觀密度計算值與實測值較接近,且隨著材料的變化,其結果能夠表現一致。

表3 體積法計算的配合比結果

綜上分析可知,兩種計算方法的區別在于：質量法是根據經驗取某一固定值為假定質量,反算每立方米混凝土中材料的用量,這一方法的運用未考慮材料密度變化對混凝土表觀密度的影響。當材料密度發生變化,混凝土的表觀密度已不再與憑經驗取得的假定質量相接近,導致計算結果與實際情況不相符。而體積法表觀密度計算值是根據材料密度的變化情況計算各材料用量,然后求和得來。當材料密度變化后,體積法能對各材料的用量進行調整,所以混凝土拌合物體積計算結果與實測結果表現一致。由此可見,質量法的計算結果較為粗略,而體積法的計算結果較為精確。

3 結語

質量法是體積法的一種簡化,當原材料比較穩定,變化較小時,計算比較簡單,方便。但隨著越來越多的礦物摻合料、外加劑的加入,當下普通混凝土中材料組成變化較大,因此質量法對當前混凝土的配置已不再具有普適性[2]。而體積法,雖然操作技術要求比較高,計算比較復雜,但計算結果較精確。當然,采用體積法時,原材料的密度測定是重點,在密度測定或取值時需注意一些問題,才能確保計算結果的準確。如文獻[5],研究了為什么體積法計算混凝土配合比所有骨料密度要用飽和面干狀態進行檢測,以及如何界定骨料的飽和面干狀態等問題[5]。

[1]謝俊鵬.普通混凝土配合比設計和應用研究[J].江西建材,2014(5)：1-1,2．

[2]廉慧珍,李玉琳.當前混凝土配合比“設計”存在的問題—關于混凝土配合比選擇方法的討論之一[J].混凝土,2009(3)：1-5．

[3]JGJ55-2011,普通混凝土配合比設計規程[S]．

[4]廉慧珍.混凝土配合比設計的原則[J].商品混凝土,2010(12)：21-23,30．

[5]廉慧珍,李玉琳.關于體積法計算混凝土配合比中原材料密度問題[J].混凝土,2010(9)：1-3,16．