我國混凝土配合比的思維方式及方法亟待變革

1、18專家論壇ForumCHINA CONCRETE 2010.12 NO.18前言足要求但不符合 規(guī)程 要求的狀況更是比比皆是, 甚至出現(xiàn)業(yè) 內(nèi)盡知的用 “陰陽配合比” 來應付甲方、 監(jiān)理、 質(zhì)檢等部門的檢 查, 等等。 這不能不說是在該 規(guī)程 之下的一種無奈。 該 規(guī) 程 實施10年來, 混凝土工程界一直存在不少的爭議和疑問:按 照 規(guī)程 能配制出滿足工程要求的混凝土嗎? 按照 規(guī)程 制 備的混凝土如不能滿足工程要求, 責任該誰來承擔? 滿足工程 要求而不滿足 規(guī)程 要求, 如何協(xié)調(diào)? 等等。目前 規(guī)程 已修訂, 并通過審定, 即將報批, “審定稿” 不僅未能解決混凝土業(yè)界的困惑, 反而增添

2、更多令人不解的問 題。 規(guī)范混凝土的配合比是必要的, 但對于混凝土這種如此復 雜、 多變的體系, 其組成的確定能不能用一個 規(guī)程 采用 “一 刀切” 的簡單方式加以硬性規(guī)定, 是值得討論的。 那么, 混凝土 配合比參數(shù)的選擇是否需要 規(guī)程 ? 需要什么樣的 規(guī)程 ? 在此先提出一家之見, 就是制訂 規(guī)程 目的、 方法, 尤其是思 維方式及方法需要變革, 冀能引起同行、 同仁的廣泛討論, 如鄧 小平同志指出的那樣 2:“我們的改革要達到一個什么目的 呢? 第一, 黨和行政機構(gòu)以及整個國家體制要增強活力, 就我國混凝土配合比的思維方式及方法亟待變革 評 普通混凝土配合比設計規(guī)程武漢大學 梁文泉摘

3、要: 普通混凝土配合比設計規(guī)程 (JGJ 55-2000, 簡稱 規(guī)程 實施10年來, 在混凝土工程界一 直存在不 少的爭議, 主要集中在:按照 規(guī)程 能配制出滿足工程要求的混凝土嗎? 按 照 規(guī)程 制備的混凝土如不能滿足工程要求, 責任該由誰來承擔? 滿足工程要求而不滿足 規(guī) 程 要求, 如何協(xié)調(diào)? 目前 , 該 規(guī)程 經(jīng)修訂的審定稿已經(jīng)形成, 但以上令人不解的問題依然存 在。 混凝土配合比不是設計出來的, 而是對拌和物參數(shù)的選擇。 對混凝土配合比參數(shù)的選擇不 宜制訂規(guī)程, 而應根據(jù)工程對混凝土的基本要求和配制原理, 制訂出混凝土拌和物配合比參數(shù) 選擇的原則, 供混凝土技術(shù)人員在此原則指導下

4、 , 發(fā)揮各自 的專業(yè)技能, 創(chuàng)造性地選擇滿足工程 要求的配合比。 因此, 試圖以 “規(guī)程” 來統(tǒng)一全國各地 “混凝土配合比設計” 的做法是不切實際 的 , 不具備可操作性, 更易 產(chǎn) 生誤導。 關(guān)鍵詞:混凝土配合比; 配合比參數(shù)選擇原則; 規(guī)范與可操作性19專家論壇Forum總18期 2010.12 混凝土世界 效率; 第三, 要充分調(diào)動人民和各行業(yè)基層的積極性。 ” 尋求合 理的途徑, 以促進混凝土技術(shù)進步與混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的提 高。變革是必要的, 也是必然的, 首先要解放思想, 才能解放生 產(chǎn)力。1 當前對混凝土材料及配合比認識上存在誤區(qū)當前我國基礎設施建設和房地產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展, 對混

5、凝 土這種用量最大宗、 用途最廣泛的結(jié)構(gòu)材料的需求量大幅度增 長, 同時, 建筑技術(shù)的進步對混凝土材料的性能提出了越來越 多和越來越高的要求; 而另一方面, 混凝土材料的科學研究、 標 準與規(guī)范的制訂或修訂 , 尤其是混凝土工程技術(shù)人員的繼續(xù)教 育等, 都嚴重滯后于混凝土材料用量的增長, 出現(xiàn)了 今天我國混 凝土用量雖大, 但技術(shù)相對落后的局面, 特別是在對混凝土材 料及配合比認識上存在誤區(qū), 阻礙了混凝土技術(shù)的進步。1.1 混凝土配合比不是設計出來的,而是配出來的即使是對同一 工程, 強度要求也相同的混凝土, 其配合 比也需依原材料的變化、 構(gòu)件部位和環(huán)境及施工條件的不同而 各異。 尤其是現(xiàn)

6、今混凝土的組分復雜, “試配” 仍是選擇其配合 比的主要技術(shù)。 目前國外有很多關(guān)于配合比可行方法的報道 4, 我國許多預拌混凝土也有諸多有效的方法, 例如 “最大密實度” 法、 “最大漿骨比” 法、 計算機法等等。 不同國家的混凝土專業(yè) 人士都有自己發(fā)揮的細節(jié), 如法國路橋?qū)嶒炛行牟捎玫?“Farris 模型” 法, “固體顆粒堆積模型” 法, 吳中偉教授在上世紀50年 代提出的的 “簡易計算法” , 以及Domone、 Carbonari和日本的分步優(yōu)化法, 等等。 陳建奎的 “全計算法”5其實也是根據(jù)最大密 也需要對其中重要參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗進行假 設。 他們各自的細節(jié)都有其特點, 最后也都要經(jīng)

7、試配來確定。事實上, 只要符合指定工程各項具體要求, 任何一種配合 比參數(shù)選擇的方法都可做到行之有效。 也就是說, 對于同樣技 術(shù)要求的混凝土, 不同人選擇的配合比存有差異是正常的。 因 此, 對 “混凝土配合比設計” 不應制訂 規(guī)范 或 規(guī)程 , 而應根據(jù)工程對混凝土的基本要求和配制 原理, 制訂出混凝土拌和物配合比選擇的 原則, 供混凝土工程技術(shù)人員在此原則 指導下發(fā)揮各自的專業(yè)技能, 創(chuàng)造性地選 擇滿足工程要求的配合比。 這也就是西 方國家提出并實踐的 “performance basedspecification”67的概念。 1.2 混凝土強度與水泥強度的關(guān)系直到現(xiàn)在, 在許多工程技

8、術(shù)人員心目 中 , “水泥強度一般應為 混凝土強度的1.5倍到2倍” 、 “水泥強度越高越好” 、 “水泥用量大 就耐久 ” 等觀念仍難以轉(zhuǎn)變, 造成業(yè)主 、 監(jiān)理、 質(zhì)檢等一味地強調(diào) “最小水泥用量” 這個 “硬” 指標。 事實上, 外加劑特別是高效減 水劑的普遍使用, 改變了混凝土的一切:預拌混凝土技術(shù)得到很 大的發(fā)展; 拌和物泵送高度已能達到數(shù)百米; 大量使用礦物摻和 料以改善混凝土的和易性與耐久性等。 混凝土強度不再依賴于水 泥的強度。 工程實踐表明, 當水泥用量過多時 , 雖然混凝土的強 度可得到滿足, 但混凝土結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象卻越來越普遍。影響混凝土強度的因素非常多, 不會像硬性規(guī)定混

9、凝土中 最大水膠比和最小膠凝材料用量那么簡單, 如當水膠比較低時 , 粗骨料的最大粒徑、 粒形、 級配和用量等對混凝土強度的影響 不可忽視 8;當水膠比一定、 漿骨比不變時 , 砂率也是影響因素。 1.3 影響混凝土耐久性的配合比因素是什么?“不存在一般含義上耐久的混凝土。 在一種條件下耐 久了 , 在另一些條件組合下就可能不耐久。 說某一混凝土是耐久的 , 或 不耐久的 是錯誤的。 ”9, 混凝土耐久性是只有 用在處于一定環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)出的行為 10。 在以 鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土為最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料的 今天, 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題歸根結(jié)底是混凝土構(gòu)件的勻質(zhì) 性、 密實

10、性和體積穩(wěn)定性問題, 混凝土結(jié)構(gòu)開裂是混凝土結(jié)構(gòu) 劣化的主要原因。 必須改變 “只要混凝土強度高, 混凝土結(jié)構(gòu)就 耐久 ” 的思維方式。傳統(tǒng)觀念認為, 混凝土中水泥用量或膠凝材料用量少 , 混 凝土耐久性就差。 這只是問題的一個方面。 然而, 水泥用量或 膠凝材料用量過多引起的混凝土耐久性問題, 卻往往被忽視。 膠凝材料用量過多, 混凝土體積穩(wěn)定性變差, 混凝土結(jié)構(gòu)開裂規(guī)范混凝土的配合比是必要的, 但對于混凝土這種復雜、 多變的體系, 其組成的確定能不能用一個 規(guī)程 采用 “一刀切” 的簡單方式加以硬性規(guī) 定, 是值得討論的。 混凝土配合比參數(shù)的選擇是否需要 規(guī)程 ? 需要什 么樣的 規(guī)程 ?

11、 在此先提出一家之見, 就是 規(guī)程 需要變革, 冀能引 起同行、 同仁的廣泛討論, 尋求合理的途徑, 以促進混凝土技術(shù)進步與混 凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的提高。20 CHINA CONCRETE 2010.12 NO.18高性能減水劑的應用, 很容易使混凝土達到設計要求的強度等 級, 但滿足一定強度等級要求的混凝土結(jié)構(gòu)卻未必能耐久。 因 此, 從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性出發(fā), 限制 “最大水泥用量或最大膠凝 材料用量” 是必須的。Adam Neiville說 10:“注重耐久性意味著設計者應考慮如何 保證耐久性, 而不是具體的意見或條例。 過去認為耐久性依賴 強度, 兩者是相互伴隨的。 水泥性質(zhì)的變化, 即使

12、用 新水泥 可以用較大的水灰比獲得滿足規(guī)定的同樣強度, 而結(jié)構(gòu)的耐久 性顯著降低。 這使得我們需要重新考慮配合比設計方法, 將強 度和耐久性兩者兼顧。 今后必須依賴應用一系列膠凝材料與外 加劑, 依賴精心地進行從配料到養(yǎng)護的各 個操作步驟。 ”1.4 對混凝土材料本質(zhì)的認識混凝土是用最簡單的工藝制造出來 的具有最復雜結(jié)構(gòu)的體系。 混凝土之所以 能成為用量最大宗、 用途最廣泛的結(jié)構(gòu)材 料, 決定了其工藝必須簡單; 另一方面, 混 凝土組成材料多樣化, 原材料不能提純而混凝土材料的宏觀性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的。 與建筑 鋼材微觀結(jié)構(gòu)不同的是, 混凝土微結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展對環(huán)境和 時間具有依賴性,

13、不僅其固、 氣、 液三相隨溫度、 濕度和時間的 變化而變化, 同時 , 內(nèi)部諸多的界面構(gòu)成了混凝土材料的薄弱環(huán) 節(jié), 決定了這種材料各向異性。 混凝土體系的復雜性體現(xiàn)在其現(xiàn)代建筑技術(shù)的進步對混凝土材料提出了更多和更高的要 求, 主要體現(xiàn)為:建筑結(jié)構(gòu)越來越復雜, 對造型美觀與協(xié)調(diào)的要 求越來越高; 對混凝土材料的功能要求越來越高, 尤其是耐久 性能的要求; 出于發(fā)展戰(zhàn)略考慮, “低碳” 甚至 “零碳” 的概念已 經(jīng)滲透到混凝土技術(shù)中來。 可以預見, 低碳甚至零碳混凝土技 術(shù)將成為未來混凝土技術(shù)的主題。因此, 混凝土的可施工性、 勻質(zhì)性、 密實性、 低碳性和體積 穩(wěn)定性決定了混凝土的性能。 顯而易

14、見, 無法用一個 規(guī)程 采 用 “一 刀切” 的辦法來 “規(guī)范” 混凝土的組成。2 規(guī)程存在的問題及根源縱觀 規(guī)程 (審定稿 , 存在如下主要的問題:2.1 Bolomy公式不再適用于確定水灰比或水膠比盡管水膠比是決定混凝土強度和耐久性的主要參數(shù), 盡管 混凝土強度隨水膠比變化的規(guī)律如圖111所示,但是, 由于混凝 土組成材料的變化, 特別是普遍使用高效減水劑和礦物摻和 料, Bolomy公式不再適用于確定水灰比或水膠比了 。首先, 現(xiàn)代混凝土強度不僅僅依賴于水泥的強度或膠凝材 料的強度, 與其他原材料的品質(zhì)和砂率、 漿骨比等有關(guān), 更與其 微結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展有關(guān)。 正如Mehta教授所說 12

15、:“不要忘記, 與 人類世界一樣, 混凝土世界是非線性的, 而且在非線性里還存 在不連續(xù)性” 。 既然是非線性的和不連續(xù)性的, 試圖采用數(shù)學表 達式來描述其內(nèi)在關(guān)系的規(guī)律似乎存在不小的困難, 更不用說 是用簡單的線性數(shù)學關(guān)系 (灰水比公式 來表征混凝土強度與 灰水比之間的關(guān)系了 。其次, 現(xiàn)代混凝土由于高效減水劑和礦物摻和料的應用, 水膠比一般都低于0.5, 那么采用現(xiàn)行標準在水膠比為0.5時測 定組成變化的膠凝材料強度并建立其與混凝土強度之間的線 性關(guān)系, 缺乏科學依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)支持。 一個公認的事實是, 當 水膠比保持在比較低的范圍時, 例如0.300.45, 摻礦物摻和料 的膠凝材料漿體

16、或混凝土的強度與同條件水泥漿體或混凝土的“不存在一般含義上耐久的混凝土。 在一種條件下耐久了 , 在另一些條件組合下就可能不耐久。 ” 混凝土耐久性是只有用在處于一定環(huán)境中的 混凝土結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)出的行為。 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題歸根結(jié)底是混 凝土構(gòu)件的勻質(zhì)性、 密實性和體積穩(wěn)定性問題, 混凝土結(jié)構(gòu)開裂是混凝 土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因。 必須改變 “只要混凝土強度高, 混凝土結(jié)構(gòu)就耐 久 ” 的思維方式。21專家論壇Forum總18期 2010.12 混凝土世界強度相比, 前者對水膠比的變化更敏感 (見圖213 。2.2 礦物摻和料摻量的確定礦物摻和料已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土不可缺少的組分。 不同摻 和料

17、有不同特性和不同作用, 有利有弊, 必須具體問題具體分 析, 應根據(jù)設計文件和合同對混凝土性能的要求以及混凝土結(jié) 構(gòu)所處的環(huán)境綜合考慮, 這一點, 規(guī)程 中并未體現(xiàn)。 然而, 礦 物摻和料摻量的選擇卻在 規(guī)程 中進行了硬性的規(guī)定, 僅就 鋼筋混凝土或者預應力鋼筋混凝土來規(guī)定礦物摻和料的摻量, 顯然考慮不周。 礦物摻和料摻量較大時, 可能會因碳化引起鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題, 反之, 當水膠比較低的時候還是這樣嗎? 當有溫升控制要求時, 能否適當提高礦物摻和料的摻量 呢? 究其原因, 規(guī)程 中對礦物摻和料摻量的限制是基于單一 因素考慮的, 以實驗室變化單一參數(shù)的方式進行試配得到的結(jié) 果去指導現(xiàn)

18、場施工, 這種方式方法就必然給工程帶來很大的浪 費, 甚至造成許多工程事故 14。一位有混凝土工程經(jīng)驗的老技術(shù)員反映, 為了降低混凝土 溫升 , 將地下基礎底板混凝土中水泥用量由規(guī)范規(guī)定的280kg/m3減為268kg/m3, 雖然經(jīng)過反復試驗驗證混凝土性能滿足要求, 卻 被監(jiān)理拒絕。 類似這樣的情況在工程中并不少見, 如央視新大樓 面積為40000m 2、最大厚度為13.5m的基礎底板, 混凝土中粉煤 灰摻量達到50%, 雖超出 規(guī)程 要求, 但卻滿足了溫控要求及 其他各項技術(shù)性能要求。 規(guī)程 對礦物摻和料摻量的硬性規(guī) 定, 既缺乏科學依據(jù), 又不符合科學發(fā)展觀, 更脫離工程實際, 還會造成

19、人的思想僵化。顯然, 以不變的方法看待變化了的事物, 是片面的、 不科學 的和不切實際的, 其結(jié)果是將具有主觀能動性的人變成了 “執(zhí) 行” 規(guī)程 的機器?？梢詳嘌? 就混凝土配合比而言, 絕對沒有能夠應萬變的 配合比, 更別說用表格進行硬性規(guī)定了 。2.3 關(guān)于膠凝材料用量規(guī)定的問題規(guī)程 對膠凝材料最小用量進行了規(guī)定, 例如水膠比不 高于0.45時 , 膠凝材料用量不低于330kg/m3。 在實際工程中 , C30泵送混凝土水膠比一般0.450.50, 膠凝材料用量一般均大于 350kg/m3,規(guī)定最小膠凝材料用量并沒有工程意義, 而該 規(guī) 程 卻恰好沒有規(guī)定最大膠凝材料用量。 膠凝材料用量是

20、影響 混凝土體積穩(wěn)定性的主要因素, 膠凝材料用量越大, 混凝土的收縮越大, 開裂敏感性越大。 出于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要, 混 凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益凸顯, 建設部為此頒布了國標 混凝土 結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范 (GB/T 50746-2008 , 在該規(guī)范的附錄 B1.1中 , 給出了膠凝材料用量控制的下限值和上限值, 其理由為:“根據(jù)耐久性的需要, 單位體積混凝土的膠凝材料用量不能太 少 , 但過大的用量會加大混凝土的收縮, 使混凝土更加容易開 裂, 因此應控制膠凝材料的最大用量。 在強度與原材料相同的 情況下 , 膠凝材料用量較小的混凝土, 體積穩(wěn)定性好, 其耐久性 能通常要優(yōu)于膠凝材料用量較

21、大的混凝土。 泵送混凝土由于工 作性的需要, 允許適當加大膠凝材料用量” 。2.4 引氣劑在混凝土中的作用不僅是提高抗凍性該 規(guī)程 只規(guī)定有抗凍要求的混凝土含氣量限值。 實際 上, 在混凝土中引入微小的、 穩(wěn)定的、 封閉的、 均勻分布的氣 泡, 不僅僅是出于抗凍性的考慮。 適量的氣泡可以改善拌和物 的和易性, 使混凝土拌和物更易于施工; 適量的氣泡可以提高圖 1 混凝土強度與水膠比的關(guān)系302520151050抗 壓 強 度 (M P a 0.8 1.0 1.5 1.7 2.0 體積水膠比質(zhì)量水膠比0. 260. 320. 480. 540. 65bdAD7天粉煤灰 7天水泥 28天粉煤灰 2

22、8天水泥圖 2 水膠比變化時, 混凝土抗壓強度對膠凝材料組成與水膠比變化的敏感性22 CHINA CONCRETE 2010.12 NO.18硬化混凝土適應變形的能力, 吸收由各種原因引起的有害膨脹 的能量, 緩解腐蝕性; 適量的氣泡可以切斷毛細管通道, 提高混 凝土抗?jié)B透性, 等等。 隨混凝土含氣量的增加, 混凝土強度下 降, 可以通過適當降低水膠比的方式進行彌補, 在不降低抗壓 強度的情況下提高抗折強度。 因此, 建議混凝土含氣量一般控 制在2%4%, 有抗凍要求時可適當提高含氣量。2.5 配合比以骨料飽和面干狀態(tài)為基準的意義我國水工混凝土配合比一直是以骨料的飽和面干狀態(tài)為基 準的, 美國

23、、 英國、 歐盟和日本等發(fā)達國家也是如此, 只有該 規(guī) 程 仍采用 “配合比設計應以干燥狀態(tài)骨料為基準” 。 其給出的 解釋是:“基于我國骨料的實際情況和技術(shù)條件, 我國長期以來 一直在建設工程中采用以干燥狀態(tài)骨料為基準的混凝土配合比 設計 , 具有可操作性, 應用情況良好” 。 問題是我國骨料的實際 情況是什么情況? 我國骨料的技術(shù)條件如何? 我國骨料的實際 情況和技術(shù)條件與混凝土配合比采用什么基準之間有什么內(nèi)在 的聯(lián)系?以骨料飽和面干含水狀態(tài)為基準卻是有其道理的, S. Mindess等說 15:“應該指出的是在混凝土配合比設計中 , 通常采用骨 料的飽和面干狀態(tài)作為基準, 因為這是一種平

24、衡狀態(tài), 此時骨料 既不從漿體中吸收水分也不會釋放水分到漿體中” 。2.6 配合比計算應采用體積法計算粗、 細骨料的用量到底是采用質(zhì)量法還是絕對體積 法, 規(guī)程 雖建議兩種方法都可以, 但還是推薦質(zhì)量法, 其給 出的條文說明則是:“在實際工程中 , 混凝土配合比設計通常采 用質(zhì)量法。 混凝土配合比設計也允許采用體積法, 可視具體技 術(shù)需要選用。 與質(zhì)量法比較, 體積法需要測定水泥和礦物摻合 料的密度以及骨料的表觀密度等, 對技術(shù)條件要求略高” 。原本混凝土配合比的原理是基于1m 3的體積等于各組成材 料絕對密實體積與挾入少量空氣體積之和。 傳統(tǒng)混凝土因原材 料較穩(wěn)定、 膠凝材料組成單一, 可以

25、簡化為假定表觀密度法 (簡 稱質(zhì)量法 。 現(xiàn)在, 混凝土由于膠凝材料組分的多元化, 而且礦 物摻和料品種不同其密度不同, 以及砂石質(zhì)量的差異, 就必須 采用絕對體積法; 測定水泥和礦物摻和料的密度以及骨料的表 觀密度等, 是對原材料最基本的檢測試驗要求, 無論技術(shù)條件 要求高低, 都必須做, 何況并無什么高技術(shù)條件要求。 作為 規(guī)程 , 應最大限度地具有先進性和可操作性, 但是可操作并不是 遷就落后。 如果認為將原材料的檢測視為技術(shù)條件要求略高而 放棄就是使 規(guī)程 具有可操作性的話, 其造成的影響將不僅 僅是技術(shù)方面的。3 建議針對 規(guī)程 (審定稿 存在的問題以及混凝土拌和物配 比參數(shù)的選擇是否需要制定 規(guī)程 加以限定的問題, 有如下 建議。3.1 制訂混凝土配合比參數(shù)選擇的原則,作為滿足在 不同環(huán)境作用下不同工程要求的指導由于原材料的變化和對混凝土性能要求的提高, 現(xiàn)今的混 凝土越來越復雜。 當前混凝土的特點是普遍摻入礦物摻和料和 高效減水劑。 混凝土中水