王烜
(蘭州瑞原混凝土有限公司,甘肅 蘭州 730030)
改革開放后,我國的經(jīng)濟發(fā)生了日新月異的變化,不斷的加強了現(xiàn)代化的發(fā)展步伐,與此同時,建筑業(yè)得到了快速的發(fā)展。由于建筑施工是一項比較復(fù)雜的施工體系,在其施工過程中難免會存在一些質(zhì)量問題,這也成為制約建筑企業(yè)發(fā)展的主要因素。然而,商品混凝土的出現(xiàn)有效的緩解了這一問題,混凝土不僅具有超高的耐久性、工作性以及強度性,而且還是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑施工材料。
假定容重法是現(xiàn)階段全國普遍采用的混凝土配合比設(shè)計方法,本方法是借鑒和利用西方國家最初配合比設(shè)計方法。這種設(shè)計方法憑經(jīng)驗假定不完全科學(xué)、經(jīng)濟。數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計方法,根據(jù)不同材料實事求是地測定出各種原材料的用量、狀態(tài),從而確定各種原材料的重量,既科學(xué)又經(jīng)濟,避免浪費和質(zhì)量波動,從而達(dá)到經(jīng)濟、環(huán)保、高效的準(zhǔn)配合比。
本文以某一具體的混凝土配合比設(shè)計為例,同時使假定容重法與數(shù)字量化法對其進行設(shè)計,將兩種方法進行對比分析。
(1)通過單位或公司試驗室現(xiàn)有資料查詢混凝土的相關(guān)數(shù)據(jù),并詳細(xì)查閱所有相關(guān)資料(包括配合比設(shè)計報告書、原材料情況、外加劑使用情況記錄、相關(guān)工程實例報告、部分工程各種事故分析及解決辦法等),從而掌握相關(guān)信息。
(2)統(tǒng)計各種環(huán)境等級和環(huán)境類型,以便在配合比設(shè)計過程中確定摻合料的摻量和控制水膠比。
(3)統(tǒng)計混凝土的工程用量、強度等級,用于快速設(shè)計配合比時適當(dāng)控制減水劑的摻量。
(4)統(tǒng)計混凝土配合比設(shè)計的數(shù)量、部位、強度等級以及混凝土配合比成型試件組數(shù)、種類和試模,以便安排工作。
(5)確定各強度等級混凝土的坍落度和含氣量要求。
(6)確定單位或公司中所有各種原材料的產(chǎn)地、種類、等級,掌握各種原材料各項指標(biāo)原始記錄和結(jié)果分析報告(參照以前地材使用情況);找到其中質(zhì)量波動較大的一種或幾種原材料。
1.2.1 計算混凝土的配制強度
混凝土的配制強度按公式 (1) 計算:
當(dāng)混凝土施工部位為水下樁時:根據(jù) TB 10424—2010《鐵路混凝土施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》中“水下混凝土配合比設(shè)計,其配制強度應(yīng)較普通混凝土的配制強度提高 10%~20%”的規(guī)定,其混凝土的配制強度按公式
(2) 計算:
根據(jù)強度設(shè)計等級選取 σ 的值。
1.2.2 計算水膠比
水膠比按公式 (3) 計算:
根據(jù)石子的類型選取 αa、αb的取值。
?b為膠凝材料膠砂 28d 的實測抗壓強度,如果沒有數(shù)據(jù),可按公式 (4) 計算:
λc為水泥的富余系數(shù),λf、λk分別為粉煤灰和礦粉的取代系數(shù),?ce為水泥強度等級。
經(jīng)驗所得:λc、λf、λk三者的取值嚴(yán)格控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi),λc、λf、λk三者的取值可以根據(jù)計算需要進行調(diào)整(目的是為了讓水灰比計算結(jié)果接近經(jīng)驗值),并做好詳細(xì)記錄,如說明 λc、λf、λk取值的原因。
判斷水膠比是否符合耐久性的要求。
1.2.3 確定單方用水量
根據(jù)粗骨料的類型、工程結(jié)構(gòu)特點、環(huán)境類型及等級、混凝土坍落度等,選取混凝土單方用水量 mw0。
經(jīng)驗所得:各從事混凝土行業(yè)的相關(guān)人士在確定混凝土單方用水量 mw0時,一定要充分考慮所有相關(guān)影響因素,如當(dāng)水泥或粉煤灰需水量偏大時,或當(dāng)?shù)厣爸泻嗔科邥r,需確定混凝土單方用水量是否需要調(diào)高一些。當(dāng)使用細(xì)骨料為機制砂時,由于機制砂與天然砂混凝土單方用水量有差別,配制機制砂混凝土?xí)r,要充分考慮石粉含量吸附水的影響,確定混凝土單方用水量是否需要調(diào)高一點。并把相關(guān)信息詳細(xì)記錄下來。
1.2.4 計算膠凝材料用量
按公式 (5) 計算膠凝材料總用量 m0:
確定摻合料粉煤灰(或礦粉)的摻量 βf,并按公式
(6)計算粉煤灰用量 mf0:
經(jīng)驗所得:摻合料的摻量取值要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、鐵路或公路或市政相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),且滿足工程設(shè)計(設(shè)計年限、環(huán)境類型和耐久性等)要求;當(dāng)粉煤灰或礦粉質(zhì)量較差或質(zhì)量波動較大時,盡量降低其摻量,并作好記錄。
判斷水泥用量、粉煤灰或礦粉摻量是否符合工程設(shè)計、耐久性、環(huán)境等的要求。
1.2.5 確定吵率
由石子的類型、最大粒徑、水膠比,選取混凝土合適的砂率(βs)。
經(jīng)驗所得:混凝土技術(shù)人員在確定混凝土砂率時,一定要把一切影響因素考慮完全,如砂的細(xì)度模數(shù)、級配(是否斷檔)、含泥量、泥塊含量、表格密度和空隙率等指標(biāo)的情況;當(dāng)細(xì)骨料為機制砂時,由于機制砂石粉含量較高和級配稍差,機制砂與天然砂混凝土砂率取值有差別,配制機制砂混凝土?xí)r,要充分考慮石粉(泥粉)含量、顆粒級配、細(xì)度模數(shù)、壓碎值、表觀密度和空隙率等因素的影響,要詳細(xì)記錄天然砂或機制砂的一切相關(guān)性能指標(biāo)。
1.2.6 計算砂 ms0、石 mg10和石 mg20用量
(1)體積法
按公式 (8) 和 (9) 計算砂石的用量:
其中,ρc,ρf,ρs,ρg1,ρg2,ρw分別為水泥、粉煤灰、砂、石 1、石 2、水的密度(表觀密度),α 為空隙率,根據(jù)混凝土含氣量取值。
經(jīng)驗所得:所有材料的密度必須為真實值(實測值),且需以混凝土技術(shù)人員親自試驗測得的結(jié)果為準(zhǔn),特別是粗、細(xì)骨料的表觀密度(ρs和ρg1、ρg2)數(shù)據(jù)必須真實可靠,嚴(yán)禁使用其他資料或其它單位或公司提供的數(shù)據(jù);兩種或三種石子的分級顆粒級配、混合顆粒級配需經(jīng)試驗測得,需進行多次試驗對比,以便確定分級石子之間的比例;當(dāng)所用石子廠家或產(chǎn)地較多時,所有石子都需要進行試驗,并記好原始試驗記錄。
(2)質(zhì)量法
按公式 (10) 和 (11) 計算砂石的用量:
mcp為每立方米混凝土拌合物的假定質(zhì)量,一般取2350~2450kg/m3。
經(jīng)驗所得:在混凝土配合比計算時,主要以體積法為主,在時間允許條件下,兩種方法可以結(jié)合在一起使用,但要想辦法把兩者的計算結(jié)果保持一致。
1.2.7 外加劑用量
根據(jù)設(shè)計要求及混凝土強度等級、混凝土工程類型、環(huán)境條件等,確定各種強度等級混凝土相對應(yīng)的外加劑摻量 A,按公式 (12) 計算外加劑的用量 mj0:
1.3.1 再次確認(rèn)混凝土配合比所用原材料
(1)確定水泥的品種、標(biāo)號、廠家是否符合要求,以及是否受潮結(jié)塊。
(2)確定摻合料的品種、等級、廠家是否符合要求,以及是否受潮結(jié)塊。
(3)測定砂石含水率,為保證起見,需翻 3 遍或以上,以便均勻,從而正確計算試驗用砂石用量,若為風(fēng)干骨料可以直接使用。
另外,試驗用所有原材料,必須確保在試驗室內(nèi)保持 24h 以上,方可使用。
1.3.2 混凝土配合比試拌
(1)記錄試驗室環(huán)境溫濕度。
(2)通過單方混凝土配合比計算出試驗室試拌混凝土的數(shù)量,一般為 15~25L 為主,但要控制在攪拌機容量的 20%~80% 范圍內(nèi)。
(3)當(dāng)砂石含水時,需要通過詳細(xì)計算而算出實際砂、石、水的實際用量。
(4)試驗前,混凝土攪拌站需先試運行,確保正常,并進行潤濕,潤濕標(biāo)準(zhǔn)方法為用試拌所需同比例的砂漿進行試拌。
(5)原材料計量,嚴(yán)格稱取各種原材料,并控制在計量誤差范圍內(nèi)。
(6)投料順序為粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料,需干拌 30s 以上后,同時加水和外加劑,進行拌合。
(7)攪拌時間控制:夏季以 120s,冬季或含氣量高時最低控制在 150s。
(8)混凝土出機后,需人工翻拌 2 遍以上,確?;炷辆鶆?,方可進行混凝土性能(坍落度、含氣量、坍落度損失、容重、泌水率等)的測定,并對混凝土工作性(流動性、粘聚性、包裹性、是否泌水和扒底等)進行判斷和描述,并試驗結(jié)果詳細(xì)記錄下來。
1.3.3 混凝土配合比調(diào)整
(1)通過混凝土的工作性能測試結(jié)果,找出混凝土工作性能指標(biāo)不合格等問題出現(xiàn)的具體原因。
(2)考慮混凝土配合比是否合理,如配合比中水灰比、單方用水量和砂率的取值是否合適,可以通過改變單個因素或兩個因素的大小,重拌混凝土,觀看混凝土工作性變化如何;在調(diào)整配合比的同時,考慮每個原材料的情況(參考每個原材料的主要性能指標(biāo)),尤其是對混凝土工作性能影響較大的原材料,需經(jīng)進行多次試拌和對比試驗。
(3)通過步驟(2)的調(diào)整過程,確定一個基礎(chǔ)配合比,然后進行外加劑調(diào)整試驗,通過改變外加劑母液比例變化、引氣劑種類或摻量、消泡劑的種類或摻量、增稠劑種類或摻量、緩凝劑種類及摻量等,觀看混凝土工作性的變化和性能指標(biāo)的改變,然后進行綜合分析,最后確定外加劑的配方。
(4)對通過的混凝土配合比、外加劑最終配方進行驗證,對混凝土工作性(坍落度、含氣量、容重、坍落度損失、粘聚性、包裹性等)進行測試,并根據(jù)測試結(jié)果,對混凝土配合比、外加劑最終配方進行一定的微調(diào),使混凝土工作性能滿足要求。
(5)最后,重復(fù)(1)~(4)的過程,對所有強度等級混凝土的配合比進行拌合確定工作,并且外加劑的配方需根據(jù)實際情況作適當(dāng)變化,找出最終混凝土配合比和外加劑最佳配方。
經(jīng)驗所得:需要詳細(xì)記錄的現(xiàn)象或問題,如在混凝土配合比調(diào)整過程中各因素(如水灰比波動、砂率變化、膠凝材料用量、摻合料摻量、石子比例等)變化對混凝土性能的影響,外加劑確定過程中所調(diào)整的原因和調(diào)整后的現(xiàn)象(各種小料用量變化、保坍劑比例等),以及做混凝土配合比過程中用的所有外加劑配方,并作一定的對比分析;此信息的記錄一定要清楚和完整,可為后期混凝土生產(chǎn)及跟蹤服務(wù)做指導(dǎo)。
對配合比設(shè)計過程中的一些數(shù)據(jù)進行分析,主要是配合比調(diào)整過程中因素調(diào)整的原因,外加劑配方調(diào)整的原因,并作一定的詳細(xì)記錄,如:
① 混凝土泌水或滯后出現(xiàn)的原因及解決的辦法。
② 混凝土和易性不好、含氣量偏大或偏低的原因及解決的方式。
③ 混凝土包裹性差存在的原因和現(xiàn)象。
④ 混凝土粘度大或小的原因和解決的辦法。
⑤ 混凝土坍落度損失大的原因,采用的措施。
⑥ 外加劑配方變化過程中調(diào)整的原因和調(diào)整后的結(jié)果。
為了解決混凝土氣泡和外觀質(zhì)量問題,處理近期出現(xiàn)的各種混凝土質(zhì)量事故,我們進行了相關(guān)試驗,主要內(nèi)容是通過水泥和粉煤灰的用量、密度和需水量(比)計算,確定單方混凝土中最佳用水量的計算方法、膠凝材料漿體體積的計算方法、外加劑摻量的調(diào)整方法,及砂石骨料的檢測方法以及設(shè)計用技術(shù)參數(shù)的計算。本次試驗以現(xiàn)場的原材料為準(zhǔn),列出了一種砂子和三種石子的測量數(shù)據(jù)以及砂石骨料計算的公式和步驟,然后到試驗室進行實際操作。首先對三種石子進行測量,主要掌握石子堆積密度、空隙率和吸水率的測量方法,以及表觀密度的計算方法。對一種砂子進行測量,主要是掌握砂子緊密堆積密度測量壓力值 72kN 確定的依據(jù)、采用壓力機測試的過程,用 4.75mm 篩子確定含石率的測量方法。在配制混凝土的時候,掌握了壓力吸水法確定砂子用水量的過程。然后進行實際操作檢測砂石,根據(jù)砂石檢測出來的參數(shù),采用數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計方法進行配合比調(diào)整計算,得到兩組采用不同砂石的 C30和 C50 混凝土配合比。針對兩組不同配合比,先進行外加劑摻量調(diào)整試驗,然后進行配合比試驗。
2.2.1 砂的測量(表 1)
根據(jù)現(xiàn)場情況,為了計算方便,初步確定砂子的緊密堆積密度取值 1844kg/m3,含石率取值 10%,壓力吸水率取值 7%。
表1 砂性能檢測結(jié)果 k g
表2 石性能檢測結(jié)果 k g
2.3.1 調(diào)整目的
原配比中膠凝材料:水泥 331kg,需水量 28.2kg,密度 3140kg/m3;粉煤灰 59kg,密度 2200kg/m3,需水量比 1.02;調(diào)整后外加劑摻量 1.3%。石子采用由 1、2、3 號三種石子按照 2:5:3 混合形成的 4 號石子。
2.3.2 膠凝材料體積的計算
2.3.3 膠凝材料用水量的計算
2.3.4 膠凝材料拌合用水量體積的計算
2.3.5 膠凝材料漿體體積的計算
2.3.6 砂子用量及用水量
2.3.7 石子用量及用水量
2.3.8 骨料用水量
2.3.9 調(diào)整后的配合比(表 3)
表3 調(diào)整后配合比k g/m3
2.4.1 調(diào)整目的
原配比中膠凝材料:水泥 447kg,需水量 28.2kg,密度 3140kg/m3;粉煤灰 50kg,密度 2200kg/m3,需水量比 1.02;調(diào)整后外加劑摻量 1.5%,石子采用 1、3 按照 25:75 混合形成的 5 號石子。
2.4.2 膠凝材料體積的計算
2.4.3 膠凝材料用水量的計算
2.4.4 凝材料拌合用水量體積的計算
2.4.5 膠凝材料漿體體積的計算
2.4.6 砂子用量及用水量
2.4.7 石子用量及用水量
2.4.8 骨料用水量
2.4.9 調(diào)整后的配合比(表 4)
表4 調(diào)整后配合比k g/m3
根據(jù)現(xiàn)場測量和調(diào)整計算配合比,用以上數(shù)據(jù)進行采用預(yù)濕骨料工藝進行試配,兩盤混凝土全部一次試配成功,解決了混凝土離析、抓地和扒底的難題。由于配合比合理,在攪拌機中停止攪拌即可實現(xiàn)自流平,卸料流速平穩(wěn),拌合物表面有光澤,停止流動后頂部沒有石子外露的現(xiàn)象,用鏟子鏟混凝土拌合物很輕,漿體本身的流動性很好。
本文用假定重法和數(shù)字量化法兩種設(shè)計方法對混凝土配合比進行設(shè)計,列出具體的設(shè)計流程與計算過程。通過對比可知,數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計能準(zhǔn)確依據(jù)材料狀態(tài),設(shè)計出經(jīng)濟合理的混凝土配合比,從而能夠生產(chǎn)滿足要求的混凝土,并且能夠減少試拌次數(shù),更加經(jīng)濟、高效。