普通混凝土配比計取固結(jié)水量公式的創(chuàng)建與應用

張敏+萬建新++熊家清　蘇永華

摘 要：普通混凝土配比設(shè)計中的用水量，是依據(jù)施工混凝土拌合物稠度，粗骨料品種、粒徑范圍，在已設(shè)計好的經(jīng)驗性用水量表中選取，用水量的選取值是粗略的。本文是在已知混凝土配比的膠凝材料用量后，用創(chuàng)建的固結(jié)水量公式直接計算配比設(shè)計中的用水量，使混凝土配比設(shè)計的用水量不在靠查表選取。固結(jié)水量公式的算式方法有利于混凝土配比設(shè)計人員實用操作。

關(guān)鍵詞：普通混凝土；三性物態(tài)；結(jié)合水；吸附水；固結(jié)水量

1.混凝土配比用水量要從經(jīng)驗性用水量圖表中選取的思考。

《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011①，以下簡稱2011配比規(guī)程。規(guī)程中的5.2.1、每立方米干硬性或塑性混凝土的用水量應符合下列規(guī)定：1、混凝土水膠比在0.40—0.80范圍時，可按表5.2.1—1和表5.2.1—2選取。規(guī)程中的上述條文是引導混凝土的配比設(shè)計者，采用選取的方法在這些表格中適選混凝土配比的用水量。

當對塑性混凝土用水量進行分析考量，水膠比在0.4～0.8范圍，計算膠凝材料用量可在200～550kg/m3范圍，大小值之比為2.75；選用表5.2.1—2中碎石塑性混凝土的用水量在165～230kg/m3范圍，大小值之比為1.39；分析配比中膠凝材料用量的變化與用水量的變化其關(guān)聯(lián)不大。在《建筑材料》②的教材中有：所用粗、細骨料的種類及比例一定時，即使水泥用量有所變動，為獲得要求的流動性，所需拌合用水量基本是一定的。教材中將這一關(guān)系歸納為恒定用水量法則之說，它是編制經(jīng)驗性用水量表的理論基礎(chǔ)。對此恒定用水量法則之說，本文有不同理由的釋疑：一是在水泥產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗中，水泥凈漿標準稠度的用水量與水泥用量是呈一定正比例關(guān)系的，在混凝土拌合物的水泥漿料中此理同在；二是水泥凈漿標準稠度的用水量，與水泥的品種有關(guān)，其拌合物稠度要達到適宜的流動性，其用水量是不同的。此釋疑關(guān)系配比規(guī)程中經(jīng)驗性用水量選用表的實用性。

2011配比規(guī)程中混凝土配比的用水量，是根據(jù)施工混凝土拌和物的稠度、選用粗骨料的品種及粒級范圍，在配比規(guī)程中按已分段分區(qū)設(shè)計繪制好的，與之相關(guān)的經(jīng)驗性用水量表中選取的，用水量的取值是粗略的。用水量以選取方式選用配比的參數(shù)，好似試驗性配比的參考值，存有選取參數(shù)偏差大的影響因素，以至要確定用水量選取的適宜度，是要通過反復試配比較才能獲得的。

2.混凝土配比拌合物凝聚最佳固結(jié)水量計取的創(chuàng)新思路。

筆者在參與《創(chuàng)建膠強公式優(yōu)化普通混凝土配比計算的新論方法》一文的撰作后，總覺得混凝土配比中的用水量，在查表選取的方法上有創(chuàng)新提升的空間，應從直解方式的路徑著手，采用簡捷的表達算式，來開拓混凝土配比中最佳固結(jié)水量的計取路徑。

2.1 水泥用量與品種同是混凝土配比用水量計取的主要參數(shù)。

在水泥產(chǎn)品的物理檢驗中，水泥凈漿標準稠度，是在標準稠度狀態(tài)下測定用水量與水泥用量的百分比。標準稠度是后續(xù)水泥安定性和凝結(jié)時間檢驗的基準。實測檢驗水泥凈漿標準稠度在26%～29%范圍；在水泥產(chǎn)品的膠砂強度檢驗中其用水量與水泥用量之比為50%。水泥產(chǎn)品的凈漿標準稠度與膠砂強度檢驗中，水泥用量都是計取用水量的第一要素。在2011配比規(guī)程中的水膠比，是混凝土配比中用水量與膠凝材料用量的百分比，與水泥膠砂強度檢驗中的用水量與水泥用量的百分比，是出自同源同理的數(shù)學表達式。在混凝土配比拌合物的水泥漿料中，水泥用量同樣是計取用水量的第一要素，水泥用量是混凝土配比設(shè)計中用水量計算取值的主要參數(shù)。

水泥品種不同，水泥凈漿達到標準稠度的用水量不同。采用不同水泥品種配制混凝土的拌合物，為了達到適宜的流動性，其拌合物稠度的用水量也是不同的。水灰比相同時，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比較，其配制混凝土拌合物的流動性比較差，要達到相同的流動性，用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥配制混凝土的拌合物，一般每立方米混凝土用水量應增加15～20公斤。此水泥品種的物性同樣反映在水泥凈漿標準稠度和水泥膠砂強度的檢驗中。

混凝土配比中的水泥用量與不同水泥品種，都涉及配比設(shè)計中用水量計算取值的不同。在有混凝土配比設(shè)計規(guī)程規(guī)范以來，混凝土配比用水量靠查表選取的方法中是不加區(qū)分的，所以配比設(shè)計規(guī)程中其用水量取值是粗略的。以水泥用量與不同水泥品種，加以區(qū)分混凝土配比設(shè)計中用水量計算取值不同的定性推理，是構(gòu)思混凝土配比設(shè)計中計算用水量的創(chuàng)新思路。

2.2 配比中用水量的功用區(qū)分是構(gòu)建固結(jié)水量算式的組成條件。

混凝土按配比計算的拌合物，能在預控的時間內(nèi)凝聚固結(jié)成為滿足設(shè)計構(gòu)造要求的人造石，是混凝土的配比中應有最佳固結(jié)用水量。依據(jù)相關(guān)教科書上已有的論述綜合歸納，混凝土配比中的用水量有兩大功用：一是分布在水泥漿料中的水泥與部分用水量發(fā)生水化作用的化學結(jié)合水；二是混凝土成型時其控制拌合物流動性要求潤濕砂石的吸附水③。綜合二者本文擬稱混凝土配比拌合物凝聚的固結(jié)水量。

在水泥和水發(fā)生水化作用的化學結(jié)合水中，水泥完全水化的最大水量一般為水泥質(zhì)量的25%～30%，與不同水泥品種之凈漿標準稠度用水量有關(guān)。工程施工中混凝土配比的拌合用水量，一般為水泥質(zhì)量的40%～80%范圍，此是包含了結(jié)合水與吸附水的固結(jié)水量。

在控制拌合物流動性潤濕砂石之吸附水量的功用分析中，配比拌合物中吸附水量過少的不利影響，是施工時混凝土難以成型，或拌合物中的水泥難以水化影響混凝土的結(jié)構(gòu)強度。配比拌合物中吸附水量過多的不利影響，一方面減弱了水泥漿的粘結(jié)能力，另一方面多余的水分被蒸發(fā)后，在混凝土中形成很多孔隙，這些孔隙的存在會降低混凝土的密實度，使其強度降低，且容易遭受凍害，影響混凝土的耐久性。因此分析混凝土配比拌合物中結(jié)合水、吸附水的功用不同，是利其構(gòu)建混凝土配比設(shè)計中最佳固結(jié)水量算式的組成條件。

3.拓展思路創(chuàng)建混凝土配比最佳固結(jié)水量算式的推演擬定。

3.1 混凝土拌合物澆筑時呈三性物態(tài)吸附水量分段取值的推演。

混凝土配比拌合物中水的兩大功用區(qū)分，明確了配比的拌合物呈水泥漿時，水泥水化時所需要的化學結(jié)合水，與不同水泥品種凈漿標準稠度的用水量有關(guān)；而成型控制拌合物流動性要求潤濕砂石的吸附水，與施工澆筑時混凝土拌合物稠度呈現(xiàn)的干硬性、塑性、流動性的三種不同性狀物態(tài)有關(guān)（以下簡稱三性物態(tài)）。現(xiàn)行標準將混凝土拌合物稠度呈現(xiàn)的三種不同性狀物態(tài)劃分為三個區(qū)段④，來設(shè)計拌合物的維勃稠度、坍落度、擴展度的等級劃分及其稠度允許偏差。此標準只是規(guī)定了拌合物稠度檢驗的類型方法與稠度允許偏差，沒有涉及用水量與拌合物稠度的關(guān)聯(lián)。歸納2011配比規(guī)程中經(jīng)驗用水量表的選取值，當混凝土拌合物在三性物態(tài)區(qū)段的拐點上，其用水量有一明顯的分界點。如混凝土拌合物在塑性物態(tài)區(qū)段，對應坍落度在101～120（mm）區(qū)間時，混凝土在塑性區(qū)段的坍落度最大，拌合物在塑性區(qū)段的吸附水量就有一個對應較大的起點值90kg/m3，見（圖表3.2-01）。分析混凝土配比中用水量變化最大的部分實際是吸附水量的變化，在三性物態(tài)各自區(qū)段拐點上，吸附水量都有一對應較大的起點值。

依據(jù)混凝土配比中用水量的功用區(qū)分為結(jié)合水與吸附水，結(jié)合水只在膠凝材料用量的25%～30%，其余用水量既為潤濕砂石的吸附水。以“E”代表混凝土配比拌合物呈三性物態(tài)時，不同區(qū)段拐點較大的吸附水量起點值。歸納2011配比規(guī)程拌合物稠度在三個區(qū)段經(jīng)驗用水量表值的參考，經(jīng)推演則有：干硬性物態(tài)的“E”值為40kg/m3，塑性物態(tài)的“E”值為90kg/m3，流動性物態(tài)的“E”值為140kg/m3，是其對應區(qū)段拐點較大的吸附水量起點值。

3.2 拌合物稠度指標在各區(qū)段內(nèi)吸附水量有區(qū)間分值的擬定。

混凝土配比拌合物中水的功用區(qū)分，吸附水量是決定混凝土拌合物流動性的基本條件。混凝土配比拌合物稠度在三性物態(tài)各自區(qū)段，各自區(qū)段內(nèi)的拌合物稠度指標劃分為五個區(qū)間，五個區(qū)間有控制吸附水量大小的，呈線性規(guī)律變化的區(qū)間分值；在三個區(qū)段內(nèi)的區(qū)間分值各有不同。歸納2011配比規(guī)程中三性物態(tài)各區(qū)段的經(jīng)驗用水量表值的參考，經(jīng)推演則有：干硬性拌合物稠度指標區(qū)段的拐點為維勃稠度的5～3s，其區(qū)段的區(qū)間吸附水量分值為5kg。塑性拌合物稠度指標區(qū)段拐點為坍落度的101～120mm，其區(qū)段的區(qū)間吸附水量分值為10kg。流動性拌合物稠度指標區(qū)段拐點為擴展度的630～690mm，其區(qū)段的區(qū)間吸附水量分值為10kg。綜合歸類混凝土配比拌合物在三性物態(tài)各區(qū)段，吸附水量相應的各項指標值見（圖表3.2-01）：

圖表3.2-01表值，是在歸納《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、《混凝土質(zhì)量控制標準》相關(guān)圖表的參數(shù)，筆者參比后所推演擬定，與原規(guī)程、標準的量值有較大變化，是為創(chuàng)建固結(jié)水量公式設(shè)計編制的。

混凝土配比中的用水量按功用區(qū)分為結(jié)合水、吸附水；吸附水量又有分段分區(qū)的定量描述，為創(chuàng)建混凝土配比計算用水量的列式代數(shù)方程引出了綜合列式的基本條件。

3.3 混凝土拌合物最佳固結(jié)水量列式代數(shù)方程的演繹創(chuàng)建。

混凝土配比拌合物凝聚固結(jié)水量的功用區(qū)分中，化學結(jié)合水量為膠凝材料用量的25%～30%；其余用水量既為潤濕砂石的吸附水量。以此構(gòu)思混凝土配比用水量的列式代數(shù)方程式為兩部分。結(jié)合水量的子列式，因化學結(jié)合水量與水泥凈漿標準稠度用水量有關(guān)，用水量區(qū)域范圍相近，既采用結(jié)合水量是水泥質(zhì)量百分比的計算式；吸附水量的子列式，則由吸附水量在各區(qū)段拐點有較大值、在各區(qū)段的區(qū)間有區(qū)間分值的組合列式。歸納結(jié)合水量、吸附水量的子列式則有：演繹創(chuàng)建直接計取普通混凝土配比拌合物最佳固結(jié)水量的算式，簡稱固結(jié)水量公式如下：

mwo= mbo×P+E-K（H-1） （3.3）

注：mwo —普通混凝土配比拌合物中的固結(jié)水量（kg/m3）；

mbo —普通混凝土配比拌合物中的膠凝材料用量（kg/m3）；

P — 選用水泥品種的標準稠度用水量（%）；

E — 三性物態(tài)各區(qū)段拐點最大吸附水量（kg/m3）；

K — 三性物態(tài)各區(qū)段其區(qū)間吸附水量分值（kg/m3）；

H — 三性物態(tài)各區(qū)段拌合物稠度選用指標對應區(qū)間序號。

4.應用固結(jié)水量公式計算塑性混凝土用水量的算例。

膠強公式以水泥強度等級，對應將混凝土強度等級按不同等級范圍構(gòu)建膠強區(qū)間，來計算普通混凝土配比中的膠凝材料用量。固結(jié)水量公式則依據(jù)已知的膠凝材料用量，直接以列式代數(shù)方程來計算普通混凝土配比中的固結(jié)用水量。

4.1 計算C40強度等級普通混凝土配比的固結(jié)水量。

選用42.5強度等級普硅水泥，設(shè)計配比C40強度等級混凝土，在施工混凝土強度標準差取6時，以膠強公式計算混凝土配比中的膠凝材料用量為433 kg/m3。檢驗普硅水泥的水泥凈漿標準稠度用水量為28%；拌合物在塑性區(qū)段拐點的最大吸附水量“E”為90kg/m3，其區(qū)段的區(qū)間吸附水量分值為10kg。當混凝土拌合物稠度的坍落度選在61～80區(qū)間，區(qū)間序號為3，配比設(shè)計C40強度等級普通混凝土的固結(jié)水量：

mwo= mbo×P+E-K（H-1）

mwo= 433×28%+90-10（3-1）=191.24kg

4.2 計算C20強度等級普通混凝土配比的固結(jié)水量。

選用42.5強度等級普硅水泥，設(shè)計配比C20強度等級混凝土，當施工混凝土強度標準差取3時，以膠強公式計算混凝土配比中的膠凝材料用量為264 kg/m3。檢驗普硅水泥的水泥凈漿標準稠度用水量為28%；拌合物在塑性區(qū)段拐點的最大吸附水量“E”為90kg/m3，其區(qū)段的區(qū)間吸附水量分值為10kg。當混凝土拌合物稠度的坍落度選在101～120區(qū)間，區(qū)間序號為1，配比設(shè)計C20強度等級普通混凝土的固結(jié)水量：

mwo= mbo×P+E-K（H-1）

mwo= 264×28%+90-10（1-1）=163.92kg

5.拌合物中粗細骨料品種與粒徑大小對吸附水量調(diào)整參考。

水泥漿中的吸附水量決定了拌合物的流動性。混凝土配合比中粗骨料的形狀不同，如卵石、碎石在相同粒徑的基礎(chǔ)上因其總表面積不同，對吸附水量的需求不同。例粗骨料以卵石為配比設(shè)計基礎(chǔ)，則碎石在相同配比中，干硬性物態(tài)拌合物的吸附水量加10kg/m3。塑性物態(tài)拌合物的吸附水量加15kg/m3。流動性物態(tài)拌合物的吸附水量加20kg/m3?；炷僚浔戎写止橇狭椒?0、20、31.5、40（mm）四個粒級，例以40mm粒級為計算基礎(chǔ)，每減小一個粒級其拌合物的吸附水量加10kg/m3。

混凝土配比設(shè)計中的細骨料以中砂為基準，采用細砂時配比中拌合物的吸附水量可增加5～10kg/m3，采用粗砂時配比中拌合物的吸附水量可減少5～10kg/m3。

結(jié)束語：

在選用水泥品種、砂石集料、及拌合物稠度、成型、養(yǎng)護等工藝后，用膠強公式、固結(jié)水量公式以列式代數(shù)方程精準計算，混凝土配比設(shè)計中的膠凝材料用量、固結(jié)用水量，并使其量值的增減調(diào)整量在較小范圍變化，有利于工程建設(shè)施工質(zhì)量的保證作用。

在2011配比規(guī)程中，水泥強度與混凝土強度的相關(guān)性是隱含在水膠比公式中的，很難關(guān)聯(lián)其間量化關(guān)系的影響作用。撰文者創(chuàng)建兩文的膠強公式、固結(jié)水量公式是以列式代數(shù)方程計算的方法，直接計算混凝土配比中的膠凝材料與固結(jié)水量的用量，使普通混凝土的配比計算簡捷精準、量值關(guān)系明確、運作務實可行。

參考文獻

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【文章編號】1627-6868（2016）11-0019-03