容重在混凝土配合比设计中的角色

2020年1月22日08:22:56 1 12,502

中铁五局路桥公司

涂凯杨志华李杰左都辉师志超陈登焕李昱强

「摘要」

配合比设计是确定各种材料之间的比例关系，比例关系的好坏应该由混凝土的性能决定。确定比例的方法有很多，比较流行的是假定容重法。此方法是一种求解二元一次方程组的方法，将确定混凝土配合比归结为必须经过确定性计算的方法。但是，从混凝土试验确定配合比的角度来看，配合比设计更应该是依据配合比设计的根本目的和设计原则，通过试验搜索试凑确定的。本文详细讨论假定容重法设计配合比中出现的问题，从而认为假定容重是不必要的计算过程。

1、概述

在混凝土配合比设计系列的《混凝土配合比设计：配合比设计的原则》中，作者定义了配合比设计的根本目的是：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的根本目的。

我们知道，混凝土配合比设计就是要依据上述原则，根据现有材料，确定材料之间适当的比例关系，这是配合比设计中要解决的问题。从原理上来说，使用哪种方法并不重要，因为只要通过试验确定按某一比例关系搅拌的混凝土能满足混凝土的两类性能即可。所以配合比设计是在试验基础上试凑出来的。但在试凑过程中，过去的经验十分重要，比如单位用水量和砂率的确定。依据过去的经验可以让我们少走很多弯路。

按《配合比设计：配合比设计的思路及方法》一文的方法，我们总是需要首先固定配合比的水胶比。在此基础上，用水量常常在160～180kg/m³的范围内，是依据流动性的要求选择单位用水量，在此基础上确定胶凝材料用量。用水量的选择常常是依据配合比设计者的经验选择。

按照假定容重法确定材料之间的比例，最初所有这些材料的选择都是依据经验假定，包括砂率也是依据经验假定。但唯有砂石料的总量是利用假定容重，通过求解二元一次方程组来确定。这不禁要让我们问一个为什么？我们应该怎样来回答这个问题呢？

2、混凝土的层次结构

混凝土配合比中，我们说胶凝材料与砂石骨料之间要有一个恰当的比例关系。如何判断砂石骨料的比例关系是否恰当呢？这要从混凝土的流动性能来观察。但此之前，我们要讨论混凝土中的层次结构。

在混凝土中，胶凝材料与水和外加剂、引气剂所引入的微小空气泡（参见《含气量对混凝土的影响》）组成的净浆浆体包裹砂子形成砂浆，砂浆再包裹石子形成混凝土。包裹好的混凝土，胶凝材料与砂石料之间的比例即是恰当的。那么混凝土处于怎样一种状态则是包裹好了呢？首先，在砂率恰当时，包裹好的混凝土，石子表面都有砂浆包裹，混凝土在流动时，石子之间基本不接触，即使有接触，也因为砂浆的润滑而不会阻碍流动。在200mm左右的坍落度的情况下（这是在广泛使用聚羧酸减水剂的今天，一种常见的坍落度设计要求），因为石子之间的充分润滑无阻碍而轻易地流动，扩展度可以达到550mm以上。如果胶凝材料过少，则净浆或砂浆不能包裹并润滑石子，石子之间的间距很小，摩擦力很大。混凝土的扩展度不大，常常只有400mm左右，测定坍落度时，中间也会有石子堆集。如果胶凝材料相对较多，虽然混凝土的流动性很好，扩展度也很好，但石子与石子之间的间距很大，摊开的混凝土中显得石子稀稀拉拉的。

胶凝材料相对砂石总量太少，则混凝土的包裹性不好，会影响混凝土的流动性，这违背了配合比设计的根本目的（参见《混凝土配合比设计：配合比设计的根本目的》）；如果胶凝材料相对过多，这样的配合比首先是浪费胶凝材料，其次也增加了混凝土开裂的风险，同样违背了混凝土设计的原则。因此，配合比设计时要确定恰当的胶凝材料与砂石料之间的比例。

从这种层次结构和混凝土流动性能来看，胶凝材料与砂石料之间的比例关系与砂子的细度、石子的大小和形状都有关系，涉及的因素很多，并不是简单的二元一次方程组可以表达的。用简单的求解二元一次方程组的方法，在假定了胶凝材料总量的前提下，仅仅依据容重来确定砂石料的总量，并不能真正得到恰当的胶凝材料与砂石料之间的比例关系。

3、假定容重法的问题

用假定胶凝材料总量与砂率，利用假定容重确定砂石料总量。试拌后发现胶凝材料相对较少时（第一种情况），我们常常会增加胶凝材料，并再利用假定容重法计算砂石料的用量。通过试拌后，常常可以确定恰当的比例关系。但如果胶凝材料相对较多（第二种情况），即使发现问题，我们也会因为要对齐混凝土的容重而忽视它。这是我们在工作中常常会误解的一个问题。当有人提出是否砂石料总量少了时，我们的回答理所当然就是我们所假定的容重是在规定的±2％误差范围内，从而并不去尝试减少胶凝材料总量（相对来说也就是增加砂石料的总量）而调整这种比例到一个合适的范围内。

为什么会犯这种错误呢？就在于我们的规范规定了我们要利用假定容重，通过计算来确定砂石的总量，而且在第二种情况下，由于流动性很好，我们即认为达到设计要求，即使有所质疑，但因为要满足容重的要求而忽略这种质疑。

因此，我们必须认真审视容重在配合比中所扮演的角色，并回答我们对假定容重法的疑问。

事实上，配合比设计就是确定混凝土中各种材料之间的相对比例，水胶比由混凝土的强度及耐久性要求确定。在试配过程中，在固定水胶比后，常常要假定单位用水量并由此确定胶凝材料用量，或假定胶凝材料用量而确定单位用水量。由于单位用水量直接决定了混凝土的流动性，所以我们常常是首先假定单位用水量而由水胶比计算得胶凝材料用量。无论如何，这里总是有一个假设，砂率也是假设的，但为什么要通过容重来计算砂石料的用量呢？特别要用容重来计算砂石料总量呢？这里让人感觉到走了弯路。其实我们也可以假定这个数，并在试拌过程中通过调整它的值或调整胶凝材料总量来保证它们之间达到恰当的比例关系。这没有什么错误。因为最终结果应该由混凝土性能确定而不应该由容重确定。

直接假定砂石料总量，对于处于第二种情况下的混凝土也不会忽略它的不恰当。在使用大掺量粉煤灰、且含气量在4～6％之间时，由于容重很小，常常在2350左右，会出现第二种情况。在大掺量粉煤灰技术、引气技术以及聚羧酸减水剂技术出现之前，混凝土的含气量低、容重大，并且流动性小，这种情况不易显现，因此第二种情况并不常常见。但这并不表示假定容重法是合适的。

经过以上讨论，我们知道，假定容重法是不合适的，容重在配合比设计中是不需要的角色。

4、实例

以C35配合比设计为例，我们假定单方水量为175Kg/m³,骨料总量为1810Kg/m³,砂率为40%,大小碎石质量比例为8:2;结合强度－胶水比曲线数据，水胶比定为0.47;依据设计的耐久性要求，参照《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005）规范，选定粉煤灰掺量为30%，配比计算后的相关数据如下（表1可见）：

表1(材料用量单位为Kg/m³)

序号	水泥	粉煤灰	机制砂	小碎石	大碎石	拌合水	减水剂
1	260	112	724	217	869	175	3.72

备注：骨料单方用量按经验一般取值范围为1700～1900Kg/m³；小碎石5～16mm：大碎石16～31.5mm的质量比例为2：8；减水剂推荐掺量为胶材用量的1.0%。

按表1数据试拌后，实测容重2320Kg/m³，表1计算容重为2360Kg/m³，按以往的习惯，我们实测容重与假定容重未超过偏差，我们很自然的认为配合比的参数不用再调整。但我们可以清楚地看到混凝土中浆多骨料少，石子与石子之间在浆体中的间距大，显得稀稀拉拉（第二种情况），混凝土不是那么饱满（见图1和视频 1）。

图1 浆多骨料少，混凝土不是很饱满

我们为了解决上述出现的第二种情况，把混凝土性能调整的更好一些，采取的方法是单方增加40kg骨料，配比调整后用量如下（表2可见）：

表2(材料用量单位为Kg/m³)

序号	水泥	粉煤灰	机制砂	小碎石	大碎石	拌合水	减水剂
1	260	112	740	222	888	175	3.72

按上述表2调整后的配比用量再次试拌，调整后的拌合物和易性良好，无泌水，石子与石子之间间距合适，混凝土更饱满（见图2和视频2），实测含气量为3.5%，实测容重为2370Kg/m³；表2的计算容重为2400Kg/m³，拌合物容重不存在校正，所以按表2确定好了配比的原材之间比例。

图2 增加砂石后，混凝土更饱满

5、总结

配合比设计是确定各种材料之间的比例关系，比例关系的好坏应该由混凝土的性能决定。对齐容重并不是配合比设计的目的，盲目对齐容重有时还可以导致混凝土性能劣化。

本文实例直接假定配比单方水量、骨料总量、砂率、碎石比例，结合强度－水胶比曲线数据来设计配合比单方用量；通过试拌混凝土显得浆体不饱满，直接增加骨料的用量，提高了浆体饱满度，混凝土性能调整到更合适的状态，通过试验、以混凝土性能为依据调整确定胶凝材料与砂石之间的比例。

配合比设计应该是依据配合比设计的根本目的和设计原则，通过试验搜索试凑确定的，所以假定容重法是不恰当的，容重在配合比设计中是不需要的角色。即使一定要使用假定容重法，如果出现上文所述的第二种情况，也应该及时增加砂石料总量或减少胶凝材料总量，通过试验调整以确定满足恰当性能的配合比，而不应该因为对齐了容重而忽略解决第二种情况中的问题。

配合比设计中，采用何种方法计算确定混凝土原材料之间的相对比例关系并不重要，假定容重法和绝对体积法都是可以使用的，但都各有局限。本文更强调的是应该以混凝土性能为配合比设计的根本目的，应用现代混凝土技术，通过试验确定配合比，前提是确保混凝土的硬化前和硬化后的性能。