混凝土配合比设计:配合比设计的根本目的

2018年12月30日14:06:14 3 5,778

这是混凝土配合比系列的第一篇文章,这个系列有如下几篇文章组成:

混凝土配合比设计:配合比设计的根本目的(本文);

混凝土配合比设计 :配合比设计的原则

混凝土配合比设计:配合比设计的思路及方法;

混凝土配合比设计:配合比设计小结 。



混凝土工程的根本目标应该是工程所得混凝土结构达到设计要求规定的强度和耐久性要求,结构在预期的寿命内满足使用功能以及安全规范。关于目标问题,这是无容置疑的。而要达到这一目标,必须在原材料选择、配合比设计、搅拌站配制以及运输、输送、浇筑成型和养护等各个环节按混凝土材料的性能和工艺要求施作。配合比设计承接材料选择和搅拌站配制,其设计方案直接影响施工各个环节,说它是混凝土工程的龙头一点也不为过。但是,因为在配合比设计过程中,人们由于对混凝土用原材料、混凝土性能以及施工工艺的理解不一致,或理解深度与广度不相同,或者从个人所处的工作职位不同带来的不同见解,都会或多或少地干预、影响混凝土配合比设计中的决策,并导致对混凝土工程及其结构性能的重大影响,这些影响有正也有负,关键在于我们从什么立场出发来影响这些决策。如果只一味强调高强度或最优的原材料,比如强调只能用连续级配的碎石,或人为地认为碎石存在最佳级配等等,那么很难保证混凝土性能,特别是工艺性能达到正常施工的要求。正是基于这一原因,我们才要讨论配合比设计的根本目的。

一、配合比设计的根本目的

混凝土工程要求把混凝土原材料按一定的配合比配制成混凝土,并经过搅拌站配制、专用设备运输、输送,通过浇筑、密实成型以及养护,使得混凝土能顺利水化硬化之后,形成要求的结构,并且这一结构还要满足设计要求并且能安全运营。在这个过程,如何配制混凝土则需要设计恰当的配合比来指导。这是一个方面,如何设计配合比则是另一个方面。从混凝土工程的工艺过程来看,从配制、运输、输送、浇筑、密实成型以及养护过程来看,对于硬化前的混凝土性能有一定的要求,因此,在配合比设计之前要充分考虑混凝土硬化前的性能,比如坍落度、坍落扩展度、坍落度经时保持性能、不泌水、不离析等众多性能,这些性能我们称之为工艺性能。从满足设计要求来看看,混凝土必须达到设计要求的强度和相应环境条件下的耐久性要求,这样的结构才是可以安全运营的结构。这些硬化后的性能我们称之为结构性能

工艺性能决定了混凝土工艺过程中的可操作性,这些性能不良,或因为这样那样的原因导致它们在施工过程中劣化,都会影响混凝土工艺过程的操作,而这些操作又直接影响混凝土硬化后的结构性能,比如不能正常密实会导致强度下降,并且外部侵蚀介质快速进入内部腐蚀混凝土,导致耐久性下降,致使混凝土结构既不安全也不耐久,不能达到设计要求。同时,我们还知道混凝土的结构性能与工艺性能之间具有相互制约的关系,所以混凝土配合比的决策必定要仔细考虑这些问题,在这两大类性能之间充分妥协,合理运用已有的混凝土技术,保证混凝土这两大类性能都满足要求,才能达到混凝土工程的目标。因此,可以说,混凝土配合比设计就是要合理利用一切混凝土技术,排除干扰,保证混凝土工艺和结构两方面的性能,从而达到混凝土工程的根本目标,这才是配合比设计的根本目的。

二、配合比设计应该做什么

在明确了配合比设计的根本目的之后,在设计过程中,无论是材料选择的决策,还是配合比各项指标的决策,包括采用什么样的设计方法,都应该紧密围绕这一根本目标,以实现这一目标为准则,为此应该做到:

首先,认真学习混凝土技术,掌握混凝土原材料对混凝土的影响关系,掌握混凝土各项参数对混凝土性能的影响;建议阅读《混凝土的性能》这本特别棒的书。它是混凝土领域的专著,并且浅显易懂,说理透彻,值得认真阅读。

其次,要在混凝土的工艺性能和结构性能之间做好妥当的平衡,不可以偏废任何一类性能。只要我们认真学习,特别是深刻集会《混凝土的性能》这本书的精髓,就能明白,如果一味地追求高的强度或高的早期强度,一味地去追求什么最佳碎石级配,都可能导致混凝土的工艺性能劣化,使得在混凝土配制、搅拌、运输、输送、浇筑、密实成型和养护各个环节操作困难,有可能还会导致整个工艺失控,结果结构性能也不能保证。这种实例比比皆是,比如, 一味担心混凝土强度达不到设计要求,在配合比设计时不顾一切地提高配制强度,C30强度等级的配合比竟然用到0.36的水胶比,C50配合比用到0.29的水胶比,结构混凝土的坍落度经时损失太大,混凝土粘性太强,导致施工困难,工人只好加水,最终导致强度失控。根本原因还是在于我们希望用提高配制强度来代替混凝土施工的管理。

第三,要坚持原则,不能为了取悦他人而放弃配合比设计这一根本目标。

三、混凝土配合比设计的其它问题

在前面两节中,我们已阐述了混凝土工程的目标决定了混凝土配合比设计的根本目标,即配合比设计要妥善的处理好混凝土两个方面的性能,即混凝土的工艺性能和混凝土的结构性能。但是,在实践中,我们常常会遇到一些问题,产生一些疑问。我们必须认真分析这些问题,才能在配合比设计过程,特别是在配合比设计的关键决策中,妥善处理这些问题,才可能获得混凝土性能优良的配合比设计。下面针对这些常见的问题谈谈笔者个人的看法:

1.过分提高混凝土的配制强度

我们所指的过分提高混凝土的配制强度是指用0.36左右的水胶比配制强度等级为以C30的混凝土,用0.29左右的水胶比配制C50强度等级的混凝土。按混凝土规律,这样的配合比的配制强度往往会比需要的配制强度高20~35MPa。

这一问题十分常见,特别是在现场管理比较薄弱的少数工点,这个问题特别突出,其出发点在于既然现场管理薄弱,我试验室主任就代替项目经理决策,用高强度等级的配合比代替低强度等级的配合比施工。但是,这种过分提高配制强度,必定会降低混凝土的水胶比,特别是当今混凝土减水剂性能特别好,减水率特别高,所以大量减少混凝土用水量也不会导致试验室内测试的坍落度低;别一个方面,错误地认为多加减水剂可以提高混凝土强度,所以,就按这个思路完成配合比设计。

但是,混凝土坍落度只能由水提供,用水量越少,则水份的损失造成的坍落度经时损失越大,其原因可见减水剂的本质作用。减水剂只是放大水的作用,所以减水剂用量越大,水提供给混凝土的坍落度作用能力也越大,水的损失所带来的坍落度损失也会越大。要提高强度只能是减少用水量或增加胶凝材料的用量,这些都会导致混凝土的粘性增大,无论是输送、浇筑、振动密实操作都很难,一旦失控,只能向混凝土中加入大量的水,而现场根本无法计量,所以有可能会导致混凝土的强度、耐久性达不到设计要求,从而完全失去了混凝土配合比设计的根本,偏离了目标。因此,配合比设计中过分提高配制强度不是配合比设计所追求的目的。

2.片面地追求碎石的最佳级配

关于碎石的级配问题,特别是用于混凝土中的碎石级配,人们往往从填充密实出发来思考。所以希望碎石级配尽量保证充分填充。这一问题发展到今天,已成为一种大众观点,即混凝土工程的必须使用三种规格的碎石保证连续级配,通过试验寻找最佳级配点,而这个最佳级配点就是标准规定的连续级配界限值的中点。另外,普遍认为小石子配制的混凝土在泵送输送时不容易堵管。这给我们带来了什么问题呢?

铁路路堤填料的级配碎石填筑后,需要级配碎石之间要能填充密实,颗粒之间相互咬合,从而利用颗粒之间的摩擦力和机械咬合力保证颗粒之间不产生相互位移,从而保证路堤的稳定。但在混凝土中,与之相反,从搅拌站配制出来的混凝土在浇筑密实成型之前,要经历搅拌机缷料、运输、输送、浇筑、振动密实等等多个环节的操作,这些操作都要求混凝土要有一定的流动性,要求颗粒之间能产生相互位移,这是当今混凝土工艺的普遍工艺,这些性能都要求混凝土内部之间的颗粒的摩擦力尽可能小。而为了追求所谓的最佳级配,普遍是大量使用颗粒粒径在5~10mm之间的碎石,严重的会使用到碎石总量的30~40%。但是,普通混凝土的特性决定了单方混凝土中碎石的总量只能在1000~1150kg/m3之间变动,如果小石子过多,则碎石颗粒之间的面积过大,需要用更多的胶凝材料净浆来包裹和润滑,但胶凝材料的用量总是有限的,如果不能提供所需要的包裹和润滑,混凝土流动性就会变差,特别是在追求大坍落度时,还会导致离析泌水。在施工时,混凝土的净浆或砂浆在浇筑振动过程中会流动到远处而碎石会堆积在浇筑点附近,导致混凝土结构中的混凝土不均匀,达不到设计的要求。这种混凝土在做坍落度试验时,可以看到像豆腐渣一样,在中部大量堆积碎石,而浆体可以扩展到600~700mm的直径以外去,是一种工艺性能很差的混凝土。

因此,我们应该深刻认识到混凝土中的碎石级配与路堤填料的碎石级配的要求是截然不同完全相反的。混凝土的碎石级配要求在尽可能填充的情况下还要求尽量减少颗粒之间的表面积,以保证能得到充分包裹和润滑。在《混凝土性能》一书中就讨论过这个问题,该书的观点是,满足标准要求的碎石级配能配制出品质优良的混凝土,但不满足要求的,也可能配制出品质优良的配合比,并且从这个意义出发,混凝土用碎石没有最佳级配。所以,我们追求混凝土碎石的最佳级配并导致混凝土性能劣化,完全偏离了混凝土配合设计的目标,不是配合比设计的目的。

3.使用固定的减水剂掺量

我们知道,减水剂在混凝土中的本质作用是放大水的作用(见减水剂的本质作用),在不增加用水量的情况下提高混凝土的流动性。而不同的混凝土所需要的流动性、用水量、胶凝材料用量都是不同的,减水剂的需要量也是不同的。减水剂的掺量不变,通过调整其他材料的比例来迁就固定用量的减水剂,导致其它性能指标劣化。就好像在炒菜时没有人会先固定盐的用量,然后根据盐的用量来确定加多少菜。用其他材料来迁就减水剂会出现以下情况:第一,如果固定的用量高于混凝土实际需要的用量,就需要降低用水量,这有可能会使混凝土的工作性偏离预期,较轻的情况是混凝土较粘稠、不易施工,较严重的情况会使混凝土离析、泌水;第二,如果固定的用量低于混凝土实际需要的用量,则需要增加用水量,有可能导致混凝土强度与耐久性不能满足设计要求。因此,固定减水剂用量,或过多地使用减水剂,会导致混凝土工艺性能和结构性能劣化,更不是混凝土配全比设计所应该追求的目的。

四、结束语

通过以上讨论,我们明确了混凝土工程的根本目标是施作满足设计要求、结构安全的混凝土结构,为了达到这一目标,配合比设计应该在混凝土的工艺性能和结构性能之间平衡,不能一味追求某一项指标而导致混凝土性能的劣化。我们特别讨论了过分追求高的配制强度、碎石最佳级配、固定减水剂用量这些存在于当前混凝土工程中的现象和问题,这些问题有极大的风险导致混凝土两方面性能的劣化,从而导致混凝土结构不能满足设计要求和结构安全的根本目标,这些都不应该是在混凝土配合比设计中去追求。在配合比设计中,要保证混凝土的工艺性能和结构性能得到恰当的平衡和协调,这是配合比设计应该追求的目的。

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朱永清
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    • chenmich chenmich

      这篇文章从混凝土工程的目标出发,确认了混凝土配合比设计的根本目的是妥善平衡混凝土的工艺性能和结构性能,并指明过分提高配制强度、片面追求碎石的最佳级配以及固定减水剂掺量等等都会偏离这一目标,用实例向我们证实了不恰当的配合比决策,会导致风险。论点突出,论据充分且切中时幣,是一篇非常好的博客文章。让我们共同期待作者的这个系列的精彩文章!感谢作者的分享!

      • 1628229728 1628229728

        首先感谢作者用心的写出这么精彩的文章,把众多混凝土工作者从事配合比设计这一方面论述的很清楚。配合比设计的最终目的,一是硬化前的施工性能;二是硬化后的结构质量和满足安全运营要求;目的有了,也就要朝引导的方向去努力,所以文章论据里写到要达到科学合理的设计出一个满足工程要求的配合比,一是需要设计者要具有专业的混凝土知识和相关理论,二是保持硬化前与硬化后的性能协调,三是在整个过程,有要自己的原则与底线,不能受管理或其它原因的干扰。后面相继阐述了配合比设计的常见问题,诸如过分追求高强度采取胶材的高用量和低水胶比、碎石最佳级配、减水剂掺量固定等等,回过头来看配合比设计的初衷,就能理解上述的常见问题是偏离了配合比设计的导向。从整篇文章来看,配合比设计的目的,好比病人去医院看病,医院的医生给病人开药方,药方的目的是消除病人患者的现有症状(硬化的施工性能保证)和症状消除后无其它副作用,保证人体生命的安全(硬化后结构安全性能)。比如,医生给感冒患者开药方时,不会一味的为了强调消除患者出现感冒症状带来的不停流鼻涕,而单独把药方的某种成份用量过份提高来消除流鼻涕。我们设计配合比就像医生开药方一样,不能为了取悦任何人,而放弃自己的原则,不然会闹出“生命危险”。混凝土就像人的生命一样,配合比的设计相当于生命孕育的初期,其重要性不言而喻!期待作者后面同系列展开的更多精彩分享!感谢!

          • chenmich chenmich

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