混凝土配合比设计:配合比设计小结

2019年12月17日10:07:34混凝土配合比设计:配合比设计小结已关闭评论 3,336

这是混凝土配合比系列的第四篇文章,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

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 (本文)。




前三篇文章我们分别讲述了混凝土配合比设计的根本目的、配合比设计的原则、配合比设计的思路及方法,针对目前配合比设计中存在的问题,提出了我们的见解。我们知道,配合比设计的目的、原则、思路和方法本质作用都是服务于混凝土工程,本篇文章主要针对前面三篇文章的观点做出简要总结,希望能有助于本行业的人解决在配合比设计中存在的疑惑,更好地服务混凝土工程。

1、如何把握配合比设计的目的

1.1、配合比设计目的解释

配合比设计向上承接原材料选择,向下则与拌合站混凝土配制以及施工现场之间有紧密的联系,配合比的设计方案影响到混凝土施工的各个环节,可以说它是混凝土工程的龙头。我们对配合比设计目的的定义是: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性能,从而达到混凝土工程的根本目标。

常用的混凝土技术包括引气剂、减水剂等等外加剂应用技术、矿物掺合料的应用技术等等。由于种种原因,人们对这些技术的应用范围或应用方法施加了许多限制。事实上,这些技术的应用领域和应用范围是非常宽广的。这里我们可以列举一些合理利用混凝土技术的例子来说明:

在无砟轨道自密实混凝土,可以将混凝土含气量控制在7%-10%,使混凝土的浆体更加饱满,粘度变低,阻力减少更容易填充饱满,喷射混凝土施工中也可以将含气量控制到10%左右,使施工阻力减小,施工更为顺畅,但我们这样做并没有过多伤害混凝土的强度,这里就是合理利用了引气技术。引气技术应用可详见本网站文章《含气量对混凝土的影响》。这些应用都远远地超过了我们日常使用的领域和范围。

在钢管拱自密实混凝土中,我们使用外加剂的缓凝和缓释技术使混凝土的可工作性时间能够维持5小时左右,这里我们是合理应用的外加剂技术解决了施工中的实际问题,外加剂的应用可以参考本网站文章《混凝土减水剂:使用减水剂的原则》。

我们也有使用化学增稠剂来解决混凝土浮浆和泌水的经历,这里我们使用了增稠剂技术,可参考本网站文章《一种解决矿渣水泥混凝土泌水的方法》。一般情况下,人们都认为增稠剂在混凝土的掺量仅为胶凝材料的1/10万~1/万,但在特定情况下,比如用于解决矿渣水泥泌水问题时,其掺量可能会高达4/万。

所有这些现代混凝土技术都已经过理论的论证和工程实践的检验。人们在内心中给它的施加的限制主要来自于两个方面,一方面认为超出自我认识的范围会损害混凝土的强度,另一方面认为超出技术的约定俗成的使用领域和范围会带来不确定的风险。而广泛宣传这些技术的应用实例及方法也是本系列文章的目的,更是本网站的根本目的。我们积极且充分地应用这些技术的根本目的还是为了保证混凝土硬化前和硬化后的性能,确保工程施工顺利,质量达到设计要求的根本目标。

1.2、配合比设计目的的重要性

配合比设计目的的重要性是不言而喻的,它赋予了我们对配合比设计工作最基本的认知,指导我们在混凝土配合比设计中的行为不偏离混凝土工程的目标。如果不清楚或者违背了配合比设计的目的,会给混凝土工程带来很多危害,例如:配合比的设计者如果不清楚工艺性能对混凝土质量的影响,仅以试验室坍落度和抗压强度结果为指导设计配合比,可能拌制出的混凝土无法施工或者施工很艰难。例如,曾有人使用0.29的水胶比、单方用水量140kg/m³的参数设计C50配合比,拌出的混凝土虽坍落度虽然可以达到220mm,但是混凝土非常粘,施工阻力极大,一般功率的泵车根本泵不动,现场极难操作,最终给混凝土施工质量带来了严重问题。同时过低的用水量、过高的混凝土内部比表面积以及过高的坍落度要求,导致过多地使用减水剂,混凝土中实际的减水剂成分奇高,导致混凝土浆体过轻,粗骨料,甚至砂子都不能浮在浆体中,在工程结构浇筑完成后形成1米以上的浮浆,给混凝土结构带来了极大的塑性沉降收缩风险(见铁路混凝土塑性开裂的原因及预防措施)。该实例中的配合比设计者对施工工艺没有基本的了解,不清楚配合设计的目的,一味地追求高的配制强度和极大的坍落度,机械地设计配合比,认为刻板地完成了规范上所规定的指标就等于完成的配合比设计工作。

这种类似情况在前几年铁路项目施工中很常见,尤其是铁路混凝土开始使用粉煤灰、磨细矿渣粉和高效减水剂之后,使用过低水胶比设计配合比的情况很多,给施工组织和混凝土的结构性能造成了严重的问题,常常在施工中产生堵管、堵泵、混凝土离析,混凝土实体开裂、不密实等缺陷也时有发生,近年来铁路混凝土缺陷整治数量增加,除了施工中存在不规范的情况,也有配合比设计不合理的原因。

仔细思考会发现出现这种情况的原因基本上都是配合比的设计者不能够把握好配合比设计的根本目的,只在试验室机械地设计出符合规定的配合比,不考虑实际的结构以及施工工艺。所以,试验室的配合比能够顺利地应用于混凝土实体,做出满足设计要求和预期使用寿命的结构,才应该是配合比设计人员的工作目标,理解这一点对配合比设计至关重要。

1.3、把握好目的对施工的影响

把握好配合比设计的目的,需要做好两方面的工作:一是使混凝土具有良好的工作性,二是混凝土能够满足设计的结构性能。混凝土良好的工作性能是结构性能能够达到设计要求的前提,只有混凝土工作性良好才可能形成密实均匀的结构,结构才可能具有设计要求的性能。也只有同时把握好了这两点,才能真正做好混凝土工程。

在西南地区某高铁项目中,由于当地位于河流下游,河砂非常细,不适合拌制和易性很好的混凝土,试验室人员采取的办法是使用机制砂和细河砂混合使用,机制砂弥补了河砂太细的缺点,细河砂弥补了机制砂细颗粒偏少、级配不良的缺点。粗骨料使用鹅卵石破碎的5~16mm、16~31.5mm两种规格碎石,掺配比例为2:8,C40、C35、C30分别使用0.41、0.44、0.48的水胶比,用水量在175kg/m³~180kg/m³之间,减水剂掺量在0.8%~1.0%之间,减少了小粒径碎石用量降低了骨料的比表面积,使混凝土具有良好的包裹性,充足的用水量使混凝土粘度低、阻力小容易施工,减水剂用量使混凝土具有适合的流动性且不离析、不泌水。在该项目中,我们的配合比设计思路使混凝土具有很好的工作性,现场施工十分顺畅,不规范操作大大减少,结构物的缺陷也大大减少,结构均能达到设计要求的强度和耐久性指标要求。

在该案例中,我们对配合比设计的目的把握是十分明确的:第一,混凝土必须容易操作,即具有良好的工作性;第二,混凝土必须要达到设计要求的强度和耐久性,技术人员通过水胶比来控制混凝土这方面的性能。这个过程中,试验室没有按照追求骨料的最小孔隙率、使用固定掺量的减水剂、不得使用机制砂等奇怪的要求设计配合比,反而取得了很好的效果,因为配合比设计者很清楚这些要求都不是配合比设计的目的,之所以取得很好的效果,是因为对配合比设计的目的把握很到位,排除不良干扰,做到了配合比设计真正为混凝土工程服务。

1.4、偏离目的有什么危害

偏离配合比设计目的的案例也很多,这些案例中的配合比设计人员大多数都是过分追求高的配制强度、使用过低的水胶比和用水量,刻板地满足规范要求,追求所谓的最佳骨料级配、滥用减水剂等。出现这些情况,究其原因,是配合比设计者不理解配合比设计的根本目的,一味地担心强度不足、追求高强度,希望通过找出骨料最佳级配、使用低水胶比和低用水量来降低胶凝材料用量来节约成本。事实上,没有任何一个试验室设计的配合比会达不到设计要求的强度和耐久性,但许多配合比在此基础上还有不能满足施工要求。

这些问题均对混凝土施工造成了很大危害,现场混凝土不好施工,工人向混凝土中加水是一个很普遍的现象,而现场加水根本无法计量,质量控制无从谈起,最终的结果是质量根本不可控,进而达不到混凝土工程的要求,不能满足配合比设计的根本目的。

2014年贵州的某铁路项目,项目中心试验室使用0.29的水胶比设计C50连续梁的配合比,用水量仅为140kg/m³,5~10mm与10~20mm的碎石比例为4:6,现场施工时220mm坍落度的混凝土,泵车根本泵不动,造成混凝土堵管,工人在70多米的高墩上拆卸泵管,费工费时,还有极高的安全风险,对正常的施工造成了严重影响。经此教训,分析原因后,将水胶比调整为0.34,用水量改成163kg/m³,碎石比例调整为2:8,调整后的混凝土施工顺畅,结构均匀密实,5天龄期满足张拉的弹性模量和强度要求。

在此实例中,配合比设计者根本没有考虑不合理的配合比设计给施工带来的危害,试想,连正常施工都不能保证的混凝土,如何能够形成均匀密实、能够达到设计要求的结构呢?是配合比设计者不知道或不尊重配合比设计的目的。

2、怎么坚持配合比设计的原则

2.1、配合比设计的原则是什么

我们在此系列文章的第二篇《混凝土配合比的设计原则》中做出了论述:充分利用混凝土知识和技术,尊重客观数据,做出客观判断,使混凝土的结构性能和工艺性能都能够达到预期目标,有利于实现混凝土配合比设计根本目的实现。

基于这一原则,我们必须认识到混凝土工程是知识、技术和管理集成的过程,做好此项工作,知识和技术是基础,管理是核心,需要一个管理者统一组织各个层次的管理人员和技术人员,将他们的优势充分发挥。

2.2、坚持原则需要熟悉那些知识

坚持配合比设计的原则,除了知道配合比设计的原则是什么,还需要掌握混凝土基础知识。

混凝土的基础知识的范围很广,本文无法罗列混凝土的所有知识点。但总的来说,关键在于知道各种材料在混凝土体系中的作用,影响混凝土性能的主要因素,以及一些试验、分析、判断的方法。在这方面,《混凝土的性能》一书是混凝土的行业的权威著作,建议读者去认真读这一本书,会有很大帮助的。

配合比设计者需要明白并深入理解配合比参数的作用,在第三篇博文《配合比设计的思路及方法》中,我们论述了在材料确定的前提下:水胶比决定混凝土强度及耐久性,与其他因素无关;在固定水胶比的前提下,其它混凝土参数都是可以调整的,调整的目的是满足混凝土硬化前的性能,即混凝土的施工工艺性能。这样的结论是在充分尊重混凝土知识的前提下,经过试验总结得出,没有对知识的充分理解是得不出这样结论的。

除此之外,配合比的设计者还应熟悉混凝土的施工工艺和混凝土结构特点,这要求配合比设计者具有丰富的现场经验,对混凝土施工中遇到的问题充分地总结分析。

2.3、违背配合比设计的原则会造成什么样的后果

违背配合比的设计原则会给实际工程带来损失,追求骨料最佳级配、使用固定掺量减水剂、使用低用水量、刻意追求过高的配制强度等现象都不是配合比设计的原则,而很多配合比设计者着迷般地把这些不合理的现象奉为配合比设计的基本规则,已经或者正在给混凝土工程带来不良后果。

在本文第1.4条的实例中配合比的设计者严重违背了配合比的设计原则,使用过低的水胶比和过低的用水量造成混凝土非常粘稠,这时坍落度这一单独的试验是不能体现混凝土工作性的,造成的问题导致混凝土根本没有办法施工,如何能够得到预期的结构呢?

2014年在青海某公路项目,水下桩基混凝土标号设计为C25,试验室主任在设计配合比的时候只是按照强度等级来计算,胶凝材料用量仅为350kg/m³,虽然能够满足设计的强度要求,但是应为单方胶凝材料用量太低,混凝土在大流动性的情况下不具备很好的包裹性,配制的混凝土严重离析和泌水,无法满足水下混凝土施工用混凝土的工作性要求,造成断桩。在这个实例中,试验室主任不了解水下灌注桩对混凝土工作性的要求,也没考虑到混凝土的工作性应该与施工工艺相匹配,违背了配合比的设计原则。

3、配合比设计的思路如何服务好混凝土工程

3.1、思路与方法选择的重要性

在《配合比设计的思路及方法》一文中,我们论述了水胶比与强度公式代表的涵义,指出了公式存在的局限性,针对公式存在的局限性提出了解决思路和方法。也正是由于水胶比与强度公式的局限性,才需要选择正确的配合比设计思路和方法。如果一味地按照公式来设计配合比,不考虑公式本身存在的局限性,就可能出现设计出的配合比与实际需要的配合比不相符的情况,并可能对现场施工造成负面影响,使混凝土结构质量偏离预期。所以,选择正确的思路和方法可以有助于实现混凝土工程目标。

选择正确的思路及方法基于对混凝土基本知识的充分理解,材料选定的情况下,水胶比决定强度,与其他因素无关,就是对水胶比和强度公式深入理解情况下得出的结论。

正确的思路和方法,能够得出准确的试验结果,或者说能够通过比较简单的手段获取适合设计要求的配合比,这能够帮助现场准确而快速解决问题。

总的来说,选择正确的思路和方法可使最终选择的配合比不偏离配合比设计的原则和目的,最终实现混凝土工程目标。

3.2、正确的思路和方法对施工带来的好处

到今天为止,混凝土技术仍然在飞速发展中,过去的认识仍然有不足,所以现行规范存在局限性和不足也在所难免。由于规范局限性的存在,生搬硬套地执行必然会带来不确定的后果,所以混凝土技术应该在现有技术的基础上以试验为主,需要充分应用新技术。我们所讲的配合比设计的思路和方法,正是讲解如何利用好现有的知识,通过合理的试验,做出优质的混凝土结构。

基于我们理解,正确配合比设计的思路和方法始终是以混凝土结构为最终目的,合理地平衡混凝土工作性和结构性能之间的关系,最终使混凝土能够顺利浇筑成型,成型的结构能够达到预期。

我们在《配合比设计的思路及方法》一文中指出了明确的思路:第一,搜索硬化性能对应的水胶比;第二,调整配合比的参数使其具备良好的工作性。在这一方法中,我们始终围绕着混凝土的工作性和硬化性能这两个方面,因为我们很清楚这两方面工作做好了,混凝土配合比就不会有太大问题了。 

由此可知,选择正确的设计思路和方法,能够快速地设计出性能良好的配合比,这种配合比带来的好处是:一是良好的工作性能够使施工过程顺畅,浇筑成型容易,施工效率高,成型的结构缺陷少;二是结构的强度和耐久性指标容易达到设计要求,且比较均匀。

4、混凝土技术人员该如何做

4.1、掌握混凝土的基础知识

混凝土技术人员必须掌握必要的混凝土基础知识,这是能够正确把握配合比设计原则的基础。这些知识包括各类材料的特性及在混凝土中所起的作用,基础的试验思路和方法,影响混凝土性能的主要因素等。

但是这些知识并不是要求技术人员简单地了解、熟悉,作为一个成熟的混凝土技术人员,必须能够灵活地运用这些知识,将知识用于解决实际的问题。要做到这些,混凝土技术人员不仅需要沉下心来认真学习,将知识理解透彻,还需要日复一日的试验和实践,过程中不断地总结思考,才能将这些知识融汇贯通。

4.2、熟悉混凝土的施工工艺

混凝土的施工工艺是配合比设计者必须熟悉的内容,如果不身临其境认真观察混凝土的施工过程,配合比设计者很难把握试验室拌制出的配合比是否适合施工。浇筑方式的选择,振实方式选择,甚至模板尺寸、结构形状、钢筋布局等,这些内容与混凝土的工作性息息相关,而混凝土要满足这些相关的工艺,并不是坍落度的数值可以表达的。事实上混凝土的工作性有着一些可意会不可言传的内容。

所以,一个优秀的试验室主任,必须熟悉混凝土的施工工艺。

4.3、熟悉施工现场的管理

施工现场的管理对混凝土施工质量影响很大,优秀的试验室主任应该了解现场管理的关键环节,能够预判到影响混凝土施工的因素及现场存在的具体困难,在配合比设计中可以将这些影响因素考虑进去,比如混凝土工作性的保持时间。这一点也有助于混凝土技术人员与现场施工人员的沟通,有时需要站在现场施工班组或工人的立场去思考问题。

5、结束语

混凝土配合比设计为混凝土工程服务是不可动摇的目标,要做到这一点,在配合比设计中需要坚持配合比设计的原则,熟练掌握混凝土的基础知识,用合理的思路和方法来设计配合比,当然优秀的试验室主任做到这些还不够,还需要熟悉混凝土的施工工艺、熟悉施工现场的管理,这样才能站在更宽、更高的角度去看待混凝土,能够更合理利用现有技术做好混凝土。

混凝土配合比设计:配合比设计小结

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朱永清
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