普通混凝土配合比設計中膠強公式的創建與應用

熊家清，萬建新

（1.公安縣建筑工程服務中心，湖北 荊州 434300；2.公安縣恒興建設工程質量檢測有限公司，湖北 荊州 434300）

0 引言

普通混凝土配合比設計規程中，膠凝材料用量的計算是在計算水膠比值后，要在與之相關的經驗性用水量表中選取用水量，并以此用水量為計算基礎，再以計算的水膠比值來反推計算膠凝材料用量的間接方式求解。本文對以此間接方式反推計算膠凝材料用量的方式方法，進行了分析和考量，總覺得此方式方法存在有待改進的提升空間。10 年前筆者就已構思立意：應建樹卓識的創新理論，從直解方式的路徑著手，采用簡捷的表達算式，來創新現有計算膠凝材料用量的方式方法。在認真學習標準規范，查閱相關教科書，歸納理論和經驗的專業知識點基礎上，來演繹構建普通混凝土配合比設計的新方法。

1 水膠比公式應用計算的考量

1.1 膠凝材料用量的探析

JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》［1］（以下簡稱“規程”）中計算膠凝材料用量的主要公式為水膠比公式，是在經驗用水量表中選取用水量后，以水膠比公式計算的水膠比值來反推計算膠凝材料用量。用水量的選取是根據混凝土拌合物稠度的干硬性、塑性、流動性要求，選用粗骨料的品種、粒級范圍后，在與之相關的經驗用水量表中選取。選取的經驗用水量其自身只是一個粗略的經驗值，膠凝材料用量的計算還要以此經驗用水量為水膠比值的比例基數，來間接反推計算膠凝材料用量，水膠比公式應用計算難以準確計算膠凝材料的用量。

1.2 恒定用水量法則編制規程中經驗用水量表的適用性

在以往建筑材料的教材中有：“當所用粗、細骨料的種類及比例一定時，即使水泥用量有所變動（在 200～400 kg 范圍內），為獲得要求的流動性，所需拌合用水量基本是一定的。這一關系為恒定用水量法則，它給混凝土配合比設計帶來很大方便，根據已知的骨料條件及要求的坍落度，利用經驗圖表即可大致確定出拌合用水量。”可見此說法是編制經驗用水量表的理論基礎，此“大致確定出拌合用水量”的方式方法，已不適用現代科技水平準確計算普通混凝土配合比用料比例參數的要求。對此恒定用水量法則之說，本文提出不同理由的質疑：一是在水泥產品的質量檢驗中，水泥凈漿標準稠度的名詞釋義，即是用水量與水泥用量之比例關系的比值，水泥用量的變化會帶來用水量的變化，在普通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，不同水泥品種的拌合物稠度要達到適宜的流動性，其用水量是不同的。以上兩點質疑在規程中選用經驗用水量這一實配計算參數不太適用。

2 膠凝材料用量的新公式方法

2.1 水泥強度等級應分劃不同強度區間

20 世紀 60 年代美國著名水泥化學家鮑維斯，建立了普通混凝土強度的膠空比X概念：即凝膠體積對凝膠體積加毛細孔體積的比值，用以表示毛細孔被凝膠體填充的密實程度。以膠空比討論水泥漿體或混凝土的強度，可以更直接地說明內部結構的形成狀態。鮑維斯通過實驗得出硬化水泥漿體抗壓強度R和膠空比X的經驗公式如式（1）所示。

式中：n=2.6～3.0；K值基本為常數；解析膠空比始終有X≤1，當X=1，R=K。

K的物理意義是硬化水泥漿體的潛在最大強度。引申混凝土配合比的強度設計，應等于或小于硬化水泥漿體潛在最大強度之R≤1 推論。現行國家水泥產品質量等級標準嚴格制定分劃有高、低強度等級區間，鮑維斯經驗公式引申，設計混凝土強度等級在一定區間范圍應不高于水泥強度等級，即普通混凝土配合比強度等級設計，應在水泥強度等級分劃不同強度區間進行。

2.2 混凝土在相應強度等級區間范圍存有設計可控膠強區間的分劃理論

在材料學中，組成相同的材料其強度決定于孔隙率。基于組成相同的材料其強度決定于孔隙率理論；鮑維斯的經驗公式設計混凝土強度等級不應高于水泥強度等級；設計混凝土強度等級在相應強度等級區間范圍，可小于水泥強度等級相應區間范圍，存有設計可控對應區間的分劃區間。在設計混凝土配合比時，用可控方法使膠凝材料在凝聚固結粗細集料，形成具有設計要求強度的同時，還存有可利用孔隙率來調控混凝土強度等級的區間范圍。文中稱設計混凝土強度等級分劃的區間為膠強區間。膠強區間理論構建是水泥強度等級區間分劃理論的引申。

2.3 三編普通混凝土配合比規程統計表中擬定不同水泥強度等級對應的 T 值、 mbe 值

在以相同原材料及相同生產工藝條件下，以 1996 、2000、2011 年連續三次修編規程，對普通混凝土配合比中的水泥用量進行了專項統計計算，統計歸納有三編混凝土配合比規程、四強度等級水泥、C10～C60 強度等級普通混凝土計算膠凝材料用量統計表［2］，此表統計歸納膠凝材料用量的計算中詮釋有以下特點。

1）不同強度等級水泥質量的內在品質各自具有相應的膠凝特征值。以同一水泥強度等級對應逐級計算普通混凝土強度等級之橫向區間的水泥用量，有水泥強度等級低的膠凝材料用量之橫向區間的量值級差大，水泥強度等級高的膠凝材料用量之橫向區間的量值級差小；在同一水泥強度等級對應逐級計算普通混凝土強度等級之膠凝材料用量，有膠凝材料用量的區間級差呈線性規律變化的特征。本文將此膠凝材料用量的區間級差呈線性規律變化的特征，擬為同一強度等級水泥質量的內在品質所具有的膠凝特征值，不同強度等級水泥質量的內在品質各自具有相應的的膠凝特征值，其膠凝特征值以字母T表示。

2）水泥強度等級區間對應混凝土強度等級區間存有適配膠強區間的分劃。在某一水泥強度等級區間范圍存有設計相應混凝土強度等級的區間，即水泥強度等級對應設計混凝土強度等級存有適配膠強區間，膠強區間的區間分劃有上、下區間值范圍，上區間值為水泥強度等級 10 位數的整數級，下區間值為水泥強度等級 10 位數的整數級減去 20 的整數級。本文對膠強區間各自的下區間值，從三編普通混凝土配合比規程統計表中擬定有各自對應的最小膠凝材料用量限值mbe。以上 2.3 節 1）、2）中論述水泥強度等級的膠強區間、T值、mbe值綜合列入水泥強度等級區間T值、mbe值表，如表 1 所示。

表1 水泥強度等級區間 T 值、mbe 值表

3 膠強區間構建與膠凝特征值的擬定助創膠強公式的創建

從鮑維斯的經驗公式引申，設計混凝土的強度應等于或小于硬化水泥漿體的潛在最大強度之R≤1 推論；從材料學中有組成相同的材料其強度決定于孔隙率的理論，到普通混凝土強度等級在相應強度范圍存有設計可控膠強區間的構建；從三次修編混凝土配合比規程統計擬定分劃 4 個不同強度等級水泥質量的內在品質，各自具有相對應的膠凝特征值T；從水泥強度等級對應設計混凝土強度等級存有適配膠強區間，到對應膠強區間確定有相應的上、下區間值范圍，及其下區間值中擬定有各自對應的最小膠凝材料用量限值mbe。至此演繹：在已知混凝土設計強度等級，與其相應膠強區間，確定選用相應膠凝材料強度等級范圍，創新列解普通混凝土配合比計算膠凝材料用量的算式，如式（2）所示。

式中：mbo為普通混凝土配合比計算膠凝材料用量，kg/m3；T為水泥強度等級各自具有內在對應的膠凝特征值；fcu.o為普通混凝土配合比計算的配制強度值，MPa；H為水泥強度等級各自對應混凝土膠強區間的下區間值，MPa；mbe為膠強區間其下區間值對應的最小膠凝材料用量，kg/m3；膠凝材料為混凝土中水泥和活性礦物摻合料的總稱。

4 膠強公式在六組分混凝土配合比和透水混凝土配合比設計中的應用

4.1 客觀反映混凝土強度與膠凝材料強度的量化關系

在普通混凝土配合比設計中膠強公式的創建與應用，客觀地反映了膠凝材料強度等級與混凝土強度等級間的量化關系。普通混凝土配合比強度等級的設計：在于膠凝材料強度等級確定后膠凝材料用量的計算，是其首選的基本參數。膠強公式的應用，革故鼎新普通混凝土配合比規程中水膠比公式以經驗用水量為普通混凝土配合比設計首選基本參數的公式方法。此公式方法引入首選基本參數其自身的誤差量大，還要以此經驗用水量值來間接反推計算膠凝材料用量，可見以此水膠比公式計算膠凝材料用量的算式方法有待探究。

4.2 在六組分普通混凝土配合比設計中具有延展性

以上膠強公式是在四組分普通混凝土配合比設計中創建的，現今普通混凝土配合比少不了活性礦物摻合料、外加劑，組成常用六組分普通混凝土配合比。六組分普通混凝土配合比與四組分普通混凝土配合比組成的主要材料相同，都是以膠凝材料用量為首選基本參數計算普通混凝土配合比，所以膠強公式能在六組分普通混凝土配合比中延展應用。在普通混凝土配合比規程中，活性礦物摻合料的影響歸入膠凝材料 28 d 膠砂抗壓強度中，再以水膠比公式通過經驗用水量返算膠凝材料總量，是不易準確計算混凝土配合比中膠凝材料用量的。創建六組分普通混凝土配合比的膠強公式中，活性礦物摻合料的影響系數直接列入膠強公式中，影響計算膠凝材料總量［3］。六組分普通混凝土配合比的膠強公式列式的新論方法簡明，計算簡捷。創新完善六組分普通混凝土配合比設計中的膠強公式如式（3）所示。

式中：yf為礦物摻合料摻量影響系數。

4.3 在透水混凝土配合比設計中具有通用性

在 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術規程》中，透水水泥混凝土單位體積水泥用量的計算仍是以水膠比公式間接求解，其基本設計原則是以體積填充法來進行試配，使其膠凝材料用量的計算更為繁雜。此技術規程中同樣沒有著重于膠凝材料強度等級的選用與膠凝材料合理用量的計算，是透水水泥混凝土強度等級設計首選基本參數的關鍵點，來創建透水水泥混凝土計算膠凝材料用量的公式方法。此技術規程中求解透水水泥混凝土配比值可用作圖法或計算法，最后定義是在多次實配的比較法中來確定透水水泥混凝土配比值，可見此技術規程中配合比值的求解公式方法并不完善。透水混凝土配合比同屬普通混凝土配合比，膠強公式的應用同樣適用透水混凝土配合比值的計算，只是在透水混凝土配合比的調控計算與成型工藝的要求上，使透水混凝土配合比的成型硬化后預設留有一定的孔隙率。透水混凝土配合比與普通混凝土配合比的主要材料相同，所以膠強公式也能在透水混凝土配合比中適用，膠強公式在透水混凝土配合比的調控設計中具有通用性［4］。

5 結語

以上普通混凝土配合比設計中膠強公式的創建與應用，已在 2011 普通混凝土配合比規程標準之外，是不同于水膠比公式而擁有創新理論的算式方法。膠強公式的創建與應用，在于促進建工行業普通混凝土配合比科學技術水平的進步，有利于普通混凝土配合比設計人員實用操作，有益于工程建設質量的保證作用。Q