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混凝土配合比的技术与技艺

更新时间:2020-10-10 10:50:46点击次数:113次

(一) 转变思想观念,更全面地做好试验工作

    我国水泥基混凝土的大量应用由80年代至今已有近40年的历程了,从初始简单四组分的组成,即水泥以建筑施工使用的普通硅酸盐水泥和预制构件使用的矿渣硅酸盐水泥为主的水硬性材料,细骨料均为天然砂,粗骨料包括有卵石(含碎卵)和不同岩矿山碎石,拌和使用的水以洁净水为主。

    随着材料技术的发展到现在较为复杂的多组分,即胶凝材料中的水泥功能更全的水硬性材料,其他胶凝材料中具有水硬性或火山灰性质或非活性但具有明显结构性质的细粒粉体料的掺合料;细骨料的范围也拓展了,包括有天然砂和人工砂,粗骨料变化不大,基本还是以粒径大于5mm的固体颗粒,只是从环境保护和资源整合要求出发增加了不同岩矿的尾矿,而拌合水包括了洁净水、中水和回收水等等。

    多组分中变化比较大的就是使用了具有改变拌合物性能或硬化后结构性能或结构寿命期内环境因素的使用要求且具有化学性质的外加剂材料,使得组成水泥基混凝土的材料的组分超过了六种,表面看使用的材料变的多种类了,但从结构受力和建筑寿命期内质量保证的要求来看,应该是由简单的抗压强度设计要求变为更加关注结构耐久性技术方面的实际现状。这些材料的使用变化,对于硬化后的混凝土结构会变得更加复杂和不确定性了,因此配合比设计工作也就不是简单地将材料按照一定的比例进行搭配的技术,而需要与时俱进将配合比设计从初始的使用材料复试后基本性质的已知,转变成通过试验试配结果可以满足混凝土结构需要的、可知的一个整体技术与技艺管理的过程。

(二)技术创新应避免“从众思维”

    混凝土是一种应用性结构性材料的统称,严谨的专业理论支持是首要的,同时也不可能离开经验的支持,而实际的结果更会推动理论水平的升华,就如同规范或标准,随着社会的发展会有滞后性,但是基本原理或原则规定一定是正确的。

    水泥基混凝土至今已经有100多年的历史了,不能说由于材料的某些品种增加了,就完全否定了水灰比的科学概念(小窍门代替不了范式转换)。行业中的科研技术人员一定会尊重基础理论知识的贡献,不会站在社会发展现状去完全否定以前的技术,科学技术的进步是时代发展的必然,不存在万能的一蹴而就方法。混凝土的生产是一个与实际经验有密切关系的技术管理过程,一定要在充分了解和掌握所组成的基础性材料的基本特性后(复试结果),通过合理的比例与试拌,各项指标都应满足预计要求的综合技术的体现,绝非仅是评价单一的拌合物状态就能确定的配合比技术,尤其是混凝土结构耐久性的基本的保证。

(三)混凝土配合比设计是一门艺术

(1)配合比设计基本原则

    配合比设计工作基本原则是根据选用的材料经过复试定出既能满足使用的工作性要求和强度以及耐久性等其他技术要求且经济合理的混凝土各组成部分的比例。在以塑性混凝土为主的配合比设计时,首先作为固定生产工艺所使用的材料基本都是长期质量相对稳定的(也按批次抽检)的水泥,骨料也是基本固定品种和规格。而建筑施工(主要为砖混结构的圈梁或组合柱等)一般使用袋装水泥。总体使用水泥质量相对比都是稳定的,如北京地区为首都牌水泥,南口地区碎石和龙凤山地区河砂。由于稳定(一次批号)生产所用的配合比一旦经过复演式的试配全部满足设计要求后,就可以正式应用于实际生产中。同时每月都会对抗压强度进行规范的数理统计,找出相关的参数变化(平均值、标准差、变异系数),再结合生产过程中的问题如工艺变化、环境因素、起吊强度、脱模强度和标养强度等,都要对实时的配合比进行必要的调整或修正。任何一个实际生产使用的配合比都要求定期进行全部参数的试配试验,以保证产品质量满足要求的稳定性。

    配合比应以材料差异和不同的特性,需要综合分析全面考虑数理统计中的数据和结果。一般以平均值的大与小考虑调整配合比;标准差要分析整个过程质量控制的波动主要在哪些环节(如计量?搅拌?成型?振捣或养护等);最小值考虑原材料供应质量波动或计量的偏差。由于以上的数据结果都会与实时使用的各种材料的基本性质有关系,所以使用数理统计数据分析要以所用材料的复试结果统计的数据进行对应综合考虑,这样才具有可靠性。由于混凝土的生产过程受到很多因素的影响,出现波动应该是正常的,所以调整配合比时必须慎重,轻易不要仅以一次统计数据就盲目的调整材料比例,尤其是胶凝材料(水泥)。

    在结构验收合格标准上的保证率有不同的统计方法,如统计法的保证率允许95%,而用非数理统计法对混凝土强度进行统计的要求的保证率就是115%,所以任何一个配合比的使用绝非仅是以生产试验室的配合比达到设计值就可以的。水泥是主要的胶凝材料,一般都是要求提前进行对水泥检测,至少要求有安定性和早期强度的实测数据。强度试验又根据水泥品种的不同有不同龄期的胶砂强度要求,判断合格与否需要28天的龄期出结果(骨料2~3天),所以凡是申请配合比数据的都要求至少提前一个月以上的时间,先行将拟用的材料进行主要参数的试验检测。在做配合比设计时,试验单位可以先按照水泥合格证提供的数据为原则,考虑实际计算试配强度时,可以用一般地区或相对熟悉的水泥的质量状况,采用水泥标准值的1.08~1.13的系数进行计算水灰比(系数主要依据以前有的数据统计,也可以用对应的水泥品种已有的快速养护与标准养护对比的回归数据进行推算使用),一般一个混凝土强度等级的试配至少要有3个相邻水灰比的数据比对(包括砂率),对于2个强度等级以上的配合比试配。为减少一定的工作量也可以采用系列水灰比进行试配,道理非常简单,因为混凝土所用的材料并不是稳定且唯一的数据,存在很多不确定的因素,而仅以理想状态“设计”的混凝土配合比例值,其预期结果是否能准确达到,都必须有实际的数据才能予以确定。这样依据3个临近水灰比的数据值,统计出对应的坐标值(水灰比与强度),并以此为确定依据。每个配合比的强度变化(早期的、后期的或加速养护的)都有相关性,对于相同品种的水泥或骨料也都有一定的数据回归统计,所以任何一个配合比一定是经过严格的过程数据结果均合格或是满足才正式在生产中使用。

(2) 配合比设计基本原理

    配合比设计工作的基本原理是建立4个未知数,如水泥、砂、石和水间相互关系的方程式(jgj55),这些数据体现混凝土性能的变化规律,包括有强度、水灰比和砂率。现在的配合比设计方法有多种,主要找到对应的数据,在中国的现阶段,尤其是自然资源的严重匮乏和生产的利益驱动,材料的不确定性和不稳定性始终存在,所以不存在通过精准的计算或量化就能保证目标满足的配合比例(与先进国家的材料稳定和诚信有明显的差距)。试验室配合比设计只是一种估算,耐维尔曾在《混凝土性能》中说清楚了该问题。

    在设计(计算或初算也可以称估算)试验室配合比的工作中,除基本原理和基本原则要掌握之外,关键是配合比设计人员一定要具备两个基本条件。作为一般配合比的设计人员,首先应具备专业学习的经历,同时还应该熟知基础材料试验参数数据的分析和判断,如水泥各参数的指标值对选取搭配与其他材料的初始比例关系,如何针对骨料的参数数据找到较为合理的配伍比例;而且还应该清楚所选用的每种材料,在所设计的配合比例中的功能是什么;甚至还应清楚施工工艺过程管理的实际。其次由于水泥基混凝土是一种结构性材料,主要应用于工程施工,配合比设计人员还应掌握必要的混凝土施工技能,如对不同的环境条件、不同的浇筑方式、不同的振捣设备,甚至是模板对混凝土拌合物的要求等。配合比设计除了掌握混凝土中各组分的特性以及材料性质对混凝土的和易性、强度、耐久性影响分析判断外,还应对用于结构位置的受力要求,如构件是受弯还是受压、不同构件的钢筋保护层、是否有节点位置的浇筑等都需要有所了解。所以配合比设计是一项综合性很强的管理工作,是一项技术与技艺综合知识掌握的过程管理。

(四)混凝土配合比设计需要动态管理

    混凝土配合比不仅仅是一个计量数据比例的称量过程,尤其是原材料始终存在着不确定性。对于如胶凝材料中的矿物组分和加入的某些化学成分的材料与用于混凝土中的比例、与其他材料的配伍和相容性,以及如何设计比例值的工作显得更为重要。

混凝土配合比设计与使用是一个较为严格的过程,不能走捷径,更不要将数据的拼凑作为配合比设计的参数,如水泥强度用熟料的氧化物数量加减拼凑来计算水泥强度。其实水泥iso法规定的强度检测方法只是一种规定的前提要求而已(0.5的水灰比;1:3的灰砂比),而球磨加工水泥中会添加一些混合材(多重因素考虑),会形成不同品种和强度的数据,也就是熟料与水泥不是一回事。水泥胶砂的抗压强度也并非只是由水泥的量所决定的,更不可以此“推论”出一个立方米水泥的“强度贡献”。混凝土的强度是由所有组成材料共同配合的密实性所决定的,况且水泥浆体强度,是水和水泥粉体料共同构成的,将其分开单独考虑既不科学,也很“愚昧”,所以浆体强度与胶砂强度不能等同。配合比设计应科学合理,使用工程中所要求或是提供的原材料,合理地按一定比例确定各原材料质量,并满足施工工艺要求(工序、设备、环境),以达到建筑结构的安全与耐久性。现在有的试验管理岗位工作的人员,可能想尽快承担工作“重任”,总想找到一些配合比的配方,或是找到一条捷径,这是不负责任的,也是不可取的(缺乏对基础性材料的掌握,试验环节是入门的基础)。混凝土的生产是一种订单式并满足客户或结构要求的生产过程,有效知道所用原材料的性能和特点必须做材料复试试验,做到因材而用(即使是材料的名称品种一样),这是不能缺少的过程,同时因基础性材料具有不稳定特点,混凝土配合比的管理应该是一种动态的管理技术充分复演性试验更为重要,力求所有试验的数据基本稳定,包括拌合物和硬化后的各项指标满足要求。