混凝土的灵魂配合比.docx
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混凝土的灵魂配合比
第1章
混凝土的灵魂——配合比
配合比是混凝土的灵魂。
混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配合比有直接或间接的关系。
工程的设计强度明确以后，现场工程师首先要考虑的是如何做好配合比。
怎样才能做好配合比？
做配合比时我们的理论依据是什么？
应坚持什么样的原则？
对现代混凝土来说，无论是理论基础，还是在理论基础之上建立起来的规范，都出现了许多新问题。
这些问题是怎么产生的？
如何解决？
这些是当前困扰混凝土科技界最严重的技术难题。
二十年前，配合比的理论基础就是比表面积法，以及在此基础上制定的规范，可以说混凝土科学技术理论就是在此基础上发展起来的。
那时，依据理论和规范做具体的配合比工作，基本上满足工程需要，也基本符合工程实际。
但现在，用二十年前的比表面积理论和规范来指导现代混凝土，特别是高性能混凝土的配合比工作，已经是错误很大，相差千里了。
比如说，二十年前，以比表面积法为理论基础制定的配合比规范认为，提高砂率，强度就必然会相应降低，可对现代高性能混凝土来说，却不是这样；加大水灰比，强度也必然会相应降低。
对现代低水胶比混凝土来说，这个说法也不一定对。
以上种种原因，使现代混凝土的配合比工作，从理论到规范，都出现了混乱和问题，以致现在工地上的配合比工作，主要靠工程师们的经验进行，靠老一代传帮带。
所以我们必须重新建立配合比问题的理论基础，使它能和现代混凝土的技术进步相匹配、相适应，并在此基础上建立新的符合工程实际的规范来。
但现代混凝土的配合比工作，受太多的因素影响。
建立新理论，制定新规范，绝不是一件容易之事，也绝非个人之力所能为。
本章是本人根据个人经验，来讲解现代混凝土的配合比理论问题和在做配合比时应注意的原则及事项。
以抛砖引玉，向各位专家学者请教。
1.1过去配合比所依据的理论基础
从世界上第一次发现天然水泥以后，1824年，英国利兹的一个施工人员约瑟夫·阿斯普丁（JosephAspdin）提出“波特兰”水泥的一个专利，大家认为这是混凝土技术的开始。
有了水泥，还要将石头、砂子和水与其混合在一起才能形成混凝土，才能进行工作。
这四个组分如何搭配，它们各自合理的比例是多少？
这就是混凝土配合比问题的实质。
近二百年来，关于配合比在理论上有三种方法，分述如下。
1.比表面积法
此法是最早、也是使用时间最长的一种方法。
这种方法的实质是，粗细骨料都是一种零散体，只有用水泥，如同粘接剂一样把它们粘接起来，才能形成人造石头——混凝土。
那么粘接剂（水泥）的需要量，就与粗细骨料提供表面积总量有关。
粗细骨料提供的总的表面积越多，在达到一定的强度要求的前提下，水泥的需要量就越大。
相反，就会越少。
在这种思路指导下，粗骨料相对细骨料，在同等体积下，粗骨料提供的比表面积比细骨料要小得多，所以，在做一个具体的配合比时，在满足施工要求的前提下，尽可能地提高粗骨料用量，降低砂率，是比表面积法最重要的原则。
最通俗的理解是，比表面积法把水泥看成能粘结砂石的一种“浆糊”。
那么砂石提供的表面积越少，达到同样强度所需的水泥“浆糊”就越少。
图1-1所示为混凝土内部粗细骨料示意图，可见粗骨料越多，在达到一定强度时水泥需要量就越少。
图1-1混凝土内部粗细骨料示意图
如果我们把图1-2中的粗骨料放大，取掉一个粗骨料用细骨料代替，表面积就会成倍增加。
在达到同等强度的前提下，水泥的需要量就会加大。
比表面积法认为，在一定的条件下，尽可能地降低水泥用量，以达到降低工程成本的目的。
特点是尽可能多地使用粗骨料，减少细骨料用量。
总之，比表面积法是使用时间最长的一种方法。
在理论上有简单易懂的特点，但到目前为止，还有些问题没有搞清楚，还需要经验来补充。
比如说，我们在配合比中，根据工程需要，减少了1kg粗骨料，那么需要增加多少千克细骨料，由此而引起增加多少千克水泥呢？
这个问题上百年来一直靠经验。
图1-2混凝土中由细骨料代替粗骨料引起的表面积变化示意图
2005年，北京市建筑工程研究院退休的工程师傅沛兴，提出了骨料的表面积和直径的关系：
认为当骨料的直径减少一半时，其表面积就会增加一倍。
例如，当我们用直径为2cm的骨料代替直径为4cm的骨料时，水泥用量就会增加一倍。
以下是傅沛兴工程师对正方体的计算。
以边长为2m的正方体为例：
体积V1=2×2×2=8（m3）
表面积S1=6×2×2=24（m2）
将其切为8个小正方体时：
总体积V2=8×1×1×1=8（m3）
总表面积S2=8×6×1×1=48（m2）
计算结果V2=V1
S2=2S1
所以，正方体边长小一半，则体积相同，总表面积增加一倍。
同时他对其他多边形和球形也进行了同样的计算，结果是一样的。
这是对比表面积理论很好的补充，如果用于工程实际，还需要有人做进一步的研究。
2.最大密度法
此法的核心是，组成混凝土的石、砂以及水泥首先应有合理的级配，以求得混凝土有最大的密度和最低的空隙率。
如果组成粗细骨料和水泥颗粒的级配不合理，就会在混凝土内部造成很多空隙，这时候套用比表面积理论必然误差很大。
所以，组成混凝土的各种颗粒，必须求得最佳级配和最大密度，才能保证混凝土内部有最小的空隙率，如何保证有最大的密度和最小的空隙率呢？
主要根据富勒的连续级配理论，其方程式如公式
（1）。
P=100
（1）
式中：
P——通过某筛孔的百分数，%；
D——粗骨料最大直径，mm；
d——筛孔的孔径，mm。
富勒级配曲线可用公式
（1）表示，虽然瑞士学者鲍罗米和法国学者费瑞特根据混凝土实际配置情况有所调整，但级配曲线没有根本性变化。
为满足富混凝土的需要，意大利学者泰勃勒将富勒连续级配公式修改为公式
（2）形式。
P=100
（2）
公式
（2）较适用于高性能混凝土与自密实混凝土的砂石最优级配。
只有符合富勒曲线，由大小颗粒组成的材料才会有最大的单位容重和最小的空隙率。
我国许多行业的施工规范中，对混凝土砂石料级配的要求都是以富勒曲线为基础，并根据我国的具体情况做了适当修改后形成的。
目前我国《公路路面混凝土配合比设计规程》中，就是以最大密度法为理论依据的。
3.魏矛斯断档级配法
魏矛斯认为，在连续级配中，直径相邻的小颗粒会对大颗粒形成的骨架带来不利影响。
同样，我国清华大学廉惠珍教授等人的研究也认为：
只有当小颗粒的直径约为大颗粒的六分之一时，小颗粒才能完全只起到填充大颗粒骨架形成的孔隙的作用，而不会对骨料的孔隙率起到负面的增加作用。
为了不会对孔隙率和混凝土的强度带来不利影响，所以必须人为地对混凝土中的大小颗粒进行断档级配。
在这个思路的支配下，混凝土中的粗骨料一般都是单级配而不是二级配。
也就是说，粗骨料只用2～4cm石子，人为去掉0.5～2cm的小石子，提高砂率，在不增加水泥用量的前提下也能达到理想的空隙率最低而强度较高的效果。
以上三种有关配合比的理论是到目前为止我们做任何配合比的依据。
比表面积法以如何减少骨料的总表面积为核心，最大密度法和断档级配法以如何增大骨料的单位容重和最小空隙率为核心。
二者表面上看起来似乎有矛盾之处，但仔细分析后就不难发现，最大密度法和断档级配法都是对比表面积法的补充。
比表面积法是使用时间最长、影响最大的一种方法。
我国的普通混凝土配合比设计规程到目前为止都是以它为理论依据的。
国外的情况也基本一样。
最大密度法近二十多年来在我国公路、民航使用较普遍一些。
在一个单位，老一代工程师用比表面积法多一些，而中青年一代使用最大密度法多一些。
在同一个工地，使用同样的原材料做同一强度的配比，两种方法在粗细骨料的用量上大不相同。
表1-1是2003年在广州白云新机场、2005年在内蒙古呼和浩特机场、2008年在天津机场对机场跑道设计抗折强度为5MPa的干硬性混凝土，老一代工程师和中青年工程师所做的配比。
表1-1广州、天津、呼和浩特机场干硬性混凝土不同配合比对比表
编
号
水泥
/kg
水
/kg
大石（2～4cm）/kg
小石（0.5～2cm）/kg
大小石比例
砂/kg
砂率/%
强度/MPa
备注
1
320
133
705
705
5∶5
635
32
6.08
广州机场
2
320
133
1080
360
7∶3
617
28
6.12
广州机场
3
315
132
846
564
6∶4
672
32
5.97
呼和浩特机场
4
315
132
987
423
7∶3
588
28
5.86
呼和浩特机场
5
320
132
862
568
6∶4
675
32
5.81
天津机场
6
320
132
994
426
7∶3
548
26
5.76
天津机场
注：
强度值为28天3组平均抗折强度。
从上面几个不同的配比可以看出，每个机场的第一个配比是按最大密度法做出来的，大小石比例是5∶5或6∶4，砂率是32%；第二个是按比表面积法原理做出来的，大小石的比例是7∶3，砂率是28%甚至26%。
二者的28天强度基本一致，没有高低之分，要作者对这两种方法进行对比点评，根据自己的经验，比表面积法在低标号（C30以下）和大水灰比混凝土中适应性较好，而最大密度法在高标号（C40以上）和较低水灰比（水灰比为0.45以下）适应性较好。
1.2旧的配合比理论和现代混凝土的不适应性
配合比是混凝土的灵魂。
混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配合比有直接或间接的关系。
工程的设计强度明确以后，现场工程师首先要考虑的是如何做好配合比。
怎样才能做好配合比？
做配合比时我们的理论依据是什么？
应坚持什么样的原则？
对现代混凝土来说，无论是理论基础，还是在理论基础之上建立起来的规范，都出现了许多新问题。
这些问题是怎么产生的？
如何解决？
这些是当前困扰混凝土科技界最严重的理论难题。
为什么说旧的配合比理论指导不了现代混凝土的配合比设计？
主要原因就是旧的配合比理论是以比表面积法为依据的。
而随着现代混凝土技术的不断发展,在具体的配合比工作中，用旧的比表面积法指导配合比工作,已经出现了很大的误差，主要表现在以下几个方面。
1.旧的配合比理论认为，砂率对强度有直接影响，砂率越高，强度越低
在现代混凝土中，砂率的大小对强度已经没有明显影响。
如表1-1中，作者在不同的机场做的对比试验，砂率从26%、28%到32%，对飞机跑道的干硬性混凝土强度都没有明显影响。
在这一问题上，许多专家学者也得出过和作者相同的结论，吴中伟院士和廉惠珍教授合著的《高性能混凝土》一书就认为水灰比为0.53～0.55时，砂率在34%～46%之间变化对强度无明显影响；何锦云教授认为砂率对普通混凝土的抗压强度影响并不大，尤其是在较大水灰比时（何锦云等.砂率对混凝土和易性及强度影响的试验研究.河北建筑科技学院报，2002，4）。
2.旧的混凝土理论中，水灰比和强度是最重要的关系式
旧的混凝土理论中，水灰比和强度是最重要的关系式，即水灰比越大，强度就越低。
1930年，瑞士学者鲍罗米就根据以上的观点总结出了经典的混凝土强度公式
（式中，f28为混凝土的28天强度，
为水灰比，A和B为与骨料强度有关的经验常数）。
在现代混凝土中，特别是对C40以上混凝土，这些理论和实际的实验数据找不到相关性。
表1-2是作者近些年在几个机场做的部分干硬性混凝土配合比。
水灰比从0.38到0.45，试验的结果使作者认为：
当水灰比在这个区间时，强度的大小和水灰比的大小没有相关性。
表1-2三个机场不同水灰比抗折强度对比表
编号
水泥/kg
水/kg
水灰比
大石（2～4cm）/kg
小石（0.5～2cm）/kg
砂
/kg
砂率
/%
强度
/MPa
备注
1
320
133
0.41
705
705
635
32
6.03
广州机场
2
320
143
0.45
705
705
635
32
6.11
广州机场
3
320
123
0.38
705
705
672
32
6.17
广州机场
4
320
137
0.43
862
568
675
32
5.86
呼和浩特机场
5
320
127
0.40
862
568
675
32
6.01
呼和浩特机场
6
320
123
0.38
862
568
675
32
6.05
呼和浩特机场
7
320
141
0.44
832
555
652
32
7.40
乌鲁木齐机场
8
320
132
0.41
832
555
652
32
6.95
乌鲁木齐机场
9
320
125
0.39
832
555
652
32
6.99
乌鲁木齐机场
注：
强度值为28天3组平均抗折强度。
3.强度和水泥用量的对比关系
过去，我们做配合比时，如果发现强度不理想，一般第一个要采取的措施就是增加水泥用量。
近几年在每一个工地我们都要做强度和水泥用量的对比关系，发现相关性也很差，几乎找不到规律，如表1-3所示。
表1-3三个机场不同水泥用量抗折强度对比表
编
号
水泥/kg
水/kg
水灰比
大石（2～4cm）/kg
小石（0.5～2cm）/kg
砂/kg
砂率/%
强度/MPa
备注
1
320
136
0.44
832
555
652
32
6.09
和田机场
2
325
143
0.44
832
555
652
32
6.04
和田机场
3
330
123
0.43
832
555
652
32
6.35
和田机场
4
350
137
0.41
832
555
652
32
6.99
和田机场
5
320
137
0.43
862
568
675
32
6.01
呼和浩特机场
6
330
142
0.43
862
568
675
32
6.05
呼和浩特机场
7
320
141
0.45
832
555
652
32
7.4
乌鲁木齐机场
8
325
132
0.45
832
555
652
32
6.88
乌鲁木齐机场
9
330
125
0.45
832
555
652
32
7.29
乌鲁木齐机场
10
335
0.45
832
555
652
32
6.98
乌鲁木齐机场
注：
强度值为28天3组平均抗折强度。
工地上的配合比工作是在半理论半经验的状态下进行的，半理论主要是以比表面积法为基础，最大密度法和断档级配法为辅助，半经验是指仅仅靠理论还是做不了一个实际工程的配合比的。
比如，我国《普通混凝土配合比设计规程》（2000年版）中，要做配合比有两个重要的经验系数——回归系数αa和αb，就主要靠工程师的经验选取，否则，配合比是做不出来的。
现在，根据比表面积理论作出的水灰比原则、砂率选取原则、水泥用量选取原则，根据作者在表1-1～表1-3中的分析，都出现了错误，这就说明过去的配合比理论已经不适应现代混凝土了，也就是说，用老的配合比理论来指导现代混凝土，已经是错误的了。
这一点，从我国目前正在使用的《普通混凝土配合比设计规程》（2000年版）中，也能得出同样的结论。
在这本规程中，做配合比的第一步就是水灰比的确定，第二步是水泥用量的确定，第三步是砂率的确定。
而这三步如何确定，主要是以比表面积的理论为基础的。
而这个理论根据作者在施工现场的经验发现，对指导现代混凝土已经是错误的了。
1.3原因和困惑
为什么会出现以上情况？
这主要是由于近二十年来，混凝土科学技术出现了以下的重要变化。
1.粗骨料
在21世纪以前，加工粗骨料的机械采用的是挤压式的工作原理（即锷破式）。
这种方式生产出的碎石，针片状含量远大于规范要求，对混凝土的强度影响较大。
而现在我们采用的破碎机械，其工作原理是锤击式（即锤破或反击破）。
采用这种方式破碎的粗骨料，针片状含量完全满足规范要求；过去粗骨料粒径一般用2～4cm，大于当前高性能混凝土中大多数采用的1～2cm粒径。
粒径的减小使原来粗骨料颗粒内部的软弱面和节理面对混凝土强度的负面影响降低，也使水泥石与骨料粘结面，这个薄弱环节对强度的负面影响降低；过去的混凝土粗骨料用量较大，一般在1200kg/m3左右，而现在的高性能混凝土其粗骨料用量一般在1000kg/m3左右。
粗骨料用量的降低这一因素也使其对混凝土强度的影响程度大大降低。
2.水灰比
在21世纪以前，由于施工工艺的落后，高效减水剂未投入使用等原因，我们在工程中实际使用的混凝土，其水灰比极少有小于0.4的。
而现在，随着高效减水剂投入使用、各种新的矿物掺和料被大量使用，水灰（胶）比小于0.4的混凝土被广泛用于工程中。
3.强度
21世纪以前，工程中使用的基本上是C30以下的混凝土。
那时候C30被人们认为就是高标号混凝土。
现在，C40以上的混凝土在工程中的用量已远大于C30以下的混凝土。
在建筑物中的重要结构，如板、梁、柱等，已基本上不使用C30以下的混凝土了。
4.水泥细度
21世纪以前，由于受水泥生产技术落后的局限，水泥的细度很难达到300m2/kg以上。
而现在，随着机械工业技术的不断发展，我国现在42.5#水泥的细度一般在330～350m2/kg左右，52.5#水泥的细度一般在380m2/kg以上，有的甚至超过了400m2/kg。
水泥细度的增加使比表面积的大小对强度的影响力大大减弱了。
5.其他
高性能混凝土的大量应用，泵送的大量应用，大掺量粉煤灰的应用，高效减水剂的应用；水泥工业方面：
闭路磨的使用，细度的大幅度提高，高效选粉机和助磨剂的使用等，都使混凝土技术有了彻底的改变。
假如我们把近二百年来的混凝土的理论科学比作一座高楼，那么配合比中的比表面积理论、水灰比理论、骨料和水泥使用等方面的技术，就是这座高楼的基础。
现在，我们的基础出现了问题，对混凝土学科来说，还有什么问题比这更严重呢？
近二十年来，我国的混凝土科技界出现了一个怪现象：
一个有几十年经验的科技工作者、教授甚至院士，指导不好工程现场遇到的、可能是很普通的技术问题；任何权威的著作，或大家公认的结论，都能在施工现场找到反证。
综上所述，二十年前，配合比的理论基础就是比表面积法。
可以说混凝土科学技术理论就是在此基础上发展起来的。
那时，依据理论和规范做具体的配合比工作，基本上满足工程需要，也基本符合工程实际。
但现在，用二十年前的比表面积理论和规范来指导现代混凝土，特别是高性能混凝土的配合比工作，误差很大。
配合比工作已经由原来的半经验、半理论的模式走向完全靠经验的模式。
以致现在工地上的配合比工作，主要靠工程师们的经验进行。
所以，必须重新建立新的配合比理论，使它能和现代混凝土的技术进步相匹配、相适应，并在此基础上建立新的符合工程实际的规范。
建立新理论，制定新规范，绝不是一件容易之事，也绝非个人之力所能为。
本章是作者在这个问题上所做的一些探索性的工作。
1.4对建立现代混凝土配合比理论的思考
作者对做现代混凝土配合比时要坚持的几个重要原则先做必要的说明。
1.坍落度
首先要考虑的是坍落度，这是最重要的。
坍落度的大小当然与混凝土结构的尺寸，是钢筋混凝土还是素混凝土及钢筋的密集程度，地上还是地下及是否是高层建筑，是泵送还是现场搅拌，是冬天还是夏天，水泥情况及强度等许多因素有关。
一个有经验的工程师要根据以上情况确定工程所需的坍落度。
我们要确定一个最重要的原则，就是坍落度越小，混凝土的抗冻、抗渗、抗裂缝、抗碳化能力及耐久性越好。
具体地说，这个问题很复杂，绝不能说所有情况下混凝土都绝对符合这一原则（比如高温大风等其他特殊情况就不一定符合这一原则），但作者认为，在目前混凝土技术发展水平的情况下，这个原则基本上是正确的。
我们要明确的是，坍落度是我们施工工艺的需要，而不是混凝土或工程的需要。
在钢筋密集、体积较小、楼层较高，特别是现在大都采用的是混凝土和泵送时，我们的施工工艺水平，不能把坍落度小的混凝土注入这些构件，并保证它们的密实性。
所以，必须确立的原则是，增加坍落度，是当前施工工艺水平的需要。
我国在20世纪70年代以前，提倡使用干硬性混凝土，特别是在机场、码头和混凝土预制构件这些领域里，通过强震成型等方法，大大减少了这些领域里的混凝土裂缝，提高了工程质量。
那时候我国的施工工艺原则和配合比原则，也是尽可能地降低坍落度，使用干硬性混凝土。
但从20世纪70年代末，由于高效减水剂的出现，水灰比得到了大幅度的降低。
那时候人们认为，强度、裂缝等许多问题，都是水灰比过大造成的。
而高效减水剂解决了水灰比问题，并且干硬性混凝土施工难度大，劳动强度高，所以，施工中尽可能避免使用干硬性混凝土这一原则，除了在机场、少数预制构件等行业还在使用外，在其他行业，特别是房屋建筑行业，逐渐被放弃了。
工地上逐渐大量使用塑性混凝土、流动性混凝土和高性能混凝土，其特点就是坍落度越来越大。
现在，我们反思这一原则的变化，对混凝土和工程的质量，特别是耐久性，是有利还是无利？
首先要分析研究，高效减水剂都带来了哪些变化？
主要是水灰比的大幅度降低。
现在工地上很少用到水灰比大于0.5的混凝土，特别是水胶比，就更低了。
混凝土的单方用水量也基本上被控制在160kg以下，这些都是高效减水剂带来的变化。
这些变化使混凝土的28天强度更高了，施工时工人的劳动强度降低了。
但同时我们要看到，放弃优先使用干硬性混凝土这一原则，出现了一个大的变化，就是单方混凝土的容重降低了。
粗骨料用量同时也降低了。
这使混凝土的体积稳定性变差了，产生收缩裂缝的可能性增加了。
还有一个比较严重的问题，也是目前科技界争议较大的一个问题，就是使用高效减水剂对混凝土的质量和耐久性带来的负面影响。
许多人通过试验认为，高效减水剂增加了混凝土的收缩，增加了产生裂缝的可能性，特别是加速了干缩，这些都给耐久性带来了极为不利的影响。
作者根据自己的工程实践，也赞同这一看法（参见本书第14章）。
综上所述，作者认为，尽可能降低坍落度，重新提倡优先使用干硬性、半干硬性或塑性混凝土，尽可能少用大流动性混凝土，仍然是目前情况下做好配合比的第一指导原则。
过去之所以放弃了这一原则，主要是被高效减水剂对强度的提高，对水灰比的大幅度降低等正面影响迷惑了，而对它的负面影响很少研究，这一点值得进行反思。
2.粗骨料
在满足强度和施工工艺要求的前提下，尽可能增加粗骨料用量应该是配合比的重要原则。
粗骨料的减少就会提高砂浆浆体的体积，而浆体体积的增加就会使裂缝发生的可能性增大，如果是暴露在空气中的构件，干缩变得相对严重，耐久性变差。
同时也使水泥用量增加，工程成本也随之会增加。
由于作者在工程实践中没有使用过断档级配法，所以，一直提倡使用连续级配。
目前，当碎石采用锤破或反击破，而非锷破时，我国2～4cm规格碎石的针片状含量已基本满足规范要求。
在此情况下，当构件的钢筋间距在8cm以上时，作者认为，粗骨料的最大粒径应为4cm，而不是2cm。
3.水泥用量
在满足强度和施工工艺要求的前提下，尽可能降低水泥用量是配合比的重要原则。
水泥用量过大可能带来的不利影响是水化热过高，裂缝增多，抗冻抗渗性能下降，发生假凝的可能性增大，耐久性变差，工程成本随之增大，也对环境保护不利。
特别是细度大于380m2/kg、终凝时间低于3小时的水泥，负面影响可能就更明显、更严重。
所以，我们应考虑尽可能降低水泥用量。
以上是作者认为做好现代混凝土配合比的三个指导原则。
和过去尽可能降低砂率和水灰比的指导原则相比，变化较大。
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