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                                          混凝土拌合物的配合比設計

                                          混凝土拌合物的配合比設計

                                          作者:
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                                          2021/11/09
                                          人們采用了很多不同的方法,發展了若干種理論作為混凝土配合比設計的基礎。我只需要提到其中的一小部分來喚醒你的記憶。我們現在的習慣是(我很遺憾地說,幾乎所有人都這樣做)根據經驗來進行混凝土的配合比設計,比如我們使用1:2:4的拌合物,而不考慮原料的特殊類型和攪拌水的用量,也很少甚至完全不考慮所制造的混凝土的強度。毫無疑問,這種方法是非常粗糙原始的,善于思考的工程師是不會采用這種方法的。

                                           

                                          集料最大堆積密度法在一定程度上受到鼓勵和得到使用。該方法的關鍵是對集料進行級配,使混合的集料具有最大密度,然后根據所生產的混凝土的用途確定所需要的水泥量。另一種混凝土配合比設計方法是以混合集料的空隙為基礎。確定了粗集料的空隙后,用足夠數量的砂子填充這些空隙,然后再用足夠數量的水泥填充混合集料之間的空隙。這種方法比純粹的經驗配比法更為合理一些,但還不是建立在科學的基礎上。一般情況下,用這種方法能生產出相當好的混凝土,但我們的研究和其他人的測試結果表明,混合集料的空隙不是混凝土拌合物的決定因素。

                                          混凝土實驗研究

                                          為了給混凝土配合比設計找到正確的基礎,人們進行了大量的試驗工作。法國工程師R. Feret的早期工作大部分都是圍繞這個問題展開的。但他的研究幾乎完全集中在砂漿方面,因此很難將他的方法直接用于混凝土拌合物。
                                          Allen Hazen在研究砂子在水過濾中的應用時,做了一些非常有趣的工作,他采用了砂子的“有效尺寸”和“均勻系數”這些概念。這對他的研究無疑發揮了作用。但很多工程師在沒有明顯理由的情況下將這些概念用在了混凝土集料的研究中,顯然,這對混凝土集料的研究起不到任何作用,因為這些概念是建立在一種或兩種篩分粒度基礎上的,對于尺寸分布寬泛的混凝土集料來說,這些概念是非常不合適的。一個簡單的比較能充分說明混凝土集料的尺寸區別有多大。集料中既有直徑為3英寸的小鵝卵石,也有能通過100目篩的砂粒,前者的直徑是后者的500倍以上。
                                          Fuller和Thompson的工作包含了很有價值的信息。然而,我們的實驗表明Mr. Fuller在他的“最大密度曲線”中給出的級配對普通混凝土拌合物而言過于粗糙,換言之,根據他所建議的級配,通常用量的水泥只能制成工作性很差的混凝土。Fuller方法的另一個推論是應該將集料分離為若干不同尺寸,然后重新組合,從而更接近所謂的最大密度曲線。我們的研究表明將集料分離為若干不同尺寸然后重新組合,往往是不必要的或者不值得的;尤其對較細的材料來說,這樣做難度大,成本又高。我相信這種方法在某種程度上曾經被采用過,但是實際的困難使該方法無法獲得廣泛應用。
                                          近年來其他試驗者也對該問題進行了研究,比如CaptainL.N. Edwards、R.B. Young、Prof. A.N. Talbot、F.L. Roman(曾任職伊利諾斯州公路局)以及R.W. Crum(任職愛荷華州公路局)。這些人都提供了很有價值的信息,從而使我們可以從許多不同的角度來看這個問題。
                                          我們在結構材料研究實驗室從事混凝土和混凝土材料的實驗研究已長達8年。這些實驗是與波特蘭水泥協會以及劉易斯(Lewis)研究所合作進行的。在我們開始這項工作的時候,還沒有關于混凝土配合比設計的正確理論基礎。因此,我們最初的研究涵蓋了若干有關配合比設計的主要內容。這些研究至今還在繼續。
                                          到目前為止,有關混凝土配合比的研究共進行了大約10萬次試驗,這些試驗工作主要在以下幾個方面:
                                          1. 試驗方法的標準化;
                                          2. 集料級配的影響;
                                          3. 混凝土稠度的影響;
                                          4. 水泥用量的影響;
                                          5. 不同類型細集料和粗集料各自的優點;
                                          6. 混凝土和砂漿試驗的比較;
                                          7. 養護條件的影響;
                                          8. 混凝土齡期的影響;
                                          9. 混凝土中粉末狀摻合料的影響;
                                          10. 測量混凝土塑性或工作性的方法研究;
                                          11. 混凝土抗壓強度、抗拉強度、彎曲、磨損、屈服及吸收性能的對比。
                                          混凝土拌合物理論
                                          混凝土拌合物配合比設計的真正問題實際上就是如何利用現有材料的特性。目前集料無法長途運輸;我們也許很清楚地知道最理想的砂子和粗集料應該具有哪些特點,但我們無法獲得這樣的集料。換言之,我們只能使用現有的材料。經過研究,我們得出了以下這些基本原則:
                                          1. 只要混凝土滿足工作性要求,集料清潔和堅實,則混凝土拌合物的強度取決于配合料中水的用量,可以用水和水泥的體積比率來表示。
                                          2. 不同水泥用量的效果可以通過水灰比的不同來反映。
                                          3. 混凝土配合比設計必須以集料的篩分分析為基礎。在確定混凝土工作性條件下,集料的顆粒大小和級配與所需用水量之間有著非常密切的關系。
                                          4. 集料不一定,也不值得按照任何固定級配進行配比;集料的級配可能會在較寬的范圍內變化,但不一定會影響水的用量或混凝土質量。
                                          5. 塑性或工作性是結構用混凝土的基本要求。
                                          就混凝土生產相關的性能而言,篩分分析表達了這種材料的生命歷史,我們需要做的只是解釋這些信息,從而最好地使用這種材料。
                                          混凝土的攪拌用水主要有兩個不同作用,我們有時候并沒有意識到兩者的區別。作用之一是為水泥的水化反應提供所需水分;作用之二是形成塑性拌合物。我不認為有人已經確定了水化反應究竟需要多少水,但我們曾經提到過,與制造混凝土必須使用的數量相比,它只是很小的一部分,很可能不到總用水量的1/4或者1/3。超過水泥水化反應所需的那部分水只是用于制成塑性拌合物,之后被蒸發。
                                          水灰比似乎是最終決定混凝土強度和抗磨損性的因素。如果我們每袋水泥摻1立方英尺水(大約7 加侖),我們得到的水灰比為1;水摻得少一些,則水灰比小于1。通常情況下,水灰比一般為0.8或0.9,或每袋水泥摻6到6 加侖水。計算水灰比時,我們對集料所吸收的水忽略不計,但集料物理性吸附的水需考慮在內。我們在實驗室進行的大量試驗以及其他人的試驗都表明,水灰比是研究混凝土特性的一個可靠因素。為減少混凝土澆注過程中的需水量而做出的任何努力,包括改善集料的級配、摻加更多水泥和采用不同的混凝土抹面或澆注方法—所有這些都是為了一個目的,即生產出更低水灰比的塑性混凝土。
                                          于是得出這樣一個觀點:增加水泥的使用量可以解決所有劣質混凝土的問題,可是在我們的建筑規范和其他相關文獻中,這一點往往被忽略。不過,如果增加水泥的同時沒有降低水灰比,也就沒有任何積極的意義。水灰比會隨著水泥使用量、集料級配或混凝土相對稠度的變化而發生改變;但結論始終不變,即水灰比決定著混凝土的強度和其他特性。
                                          因此,不需要,也不值得根據任何固定的級配對集料進行配比,采用級配差異大的集料也可以不影響拌和水量或者混凝土的質量。
                                          混凝土的塑性
                                          混凝土的塑性或工作性是一個非常重要的問題。各個方面都會受到混凝土塑性要求的制約。如果不是因為混凝土能夠在塑性條件下攪拌和澆筑,我們就無法使用混凝土。我們必須摻入足夠的水使混凝土具備塑性,它才可以被使用。至于如何測量或控制混凝土的塑性,這是目前最受工程師們關注的問題。他們已經提出了若干種方法,并正在進行大量的試驗工作。在這些方法中,可能應用最為廣泛的就是塌落度試驗,因為這種方法最為簡便。標準局提出了一種叫做流動試驗的方法,該方法將混凝土樣品放置在水平桌面上,然后在大約10秒鐘的時間內將桌子抬起、落下15次,混凝土塌落擴展,混凝土擴展后的面積或直徑的增加被作為衡量混凝土塑性的一個指標。
                                          研究開發出令人滿意而又實用的混凝土塑性測量方法是一件很有必要的事情。任何用于現場測量混凝土塑性的方法都不應該解釋得過于嚴格。比方說,如果我們的規范要求混凝土的塌落度為6英寸,我們不能簡單地因為某批混凝土的塌落度達到了7英寸就否定它。測試的目的是確認混凝土沒有經常性地超過規范所要求的塌落度。在大多數房屋建筑中,如果你嘗試進行塌落度測試,你得到的結果可能高達12英寸。我們必須防止這樣的混凝土產生。我相信塌落度測試的意義就在于它使人們認識到房屋建筑中混凝土用水量控制的重要性。我知道很多人對這種控制的可行性持懷疑態度;有的人仍然懷疑過量的水是否會生產出劣質混凝土,但我要強調我非常確定這是事實。
                                          很多時候,現場制造的混凝土的強度可能還達不到應有強度的20%~30%,也可能達不到設計強度的60%或70%。在這種情況下,我們發現劣質混凝土時一點也不需要覺得奇怪,事實上,我們的確經常遇到。
                                          原理的應用
                                          上述原理為我們指出了混凝土生產的一些實際特點。在生產具有所需工作性的混凝土的過程中,拌合水的用量是非常重要的。需非常小心地嚴格限制用水量,確保摻量最少。摻水量過多的結果和大量減少水泥用量是一樣的。
                                          還有一些方法能在篩分分析的基礎上對集料進行科學配比,無需將集料篩分成許多不同尺寸的粒級。有的集料或許不符合我們傳統觀念的要求,但也能制造出好的混凝土。比如根據愛荷華州公路局混凝土道路規范的規定,只要灘礫卵石是清潔的,幾乎任何自然的級配都可以使用,不用考慮砂子的含量會不會過高。這種方法要求砂子含量超過某一最小值后,水泥的用量要成比例增加。該規范允許使用由砂子和粗集料1:1組成的混合物或者全部使用砂子,只要水泥的含量相應提高,所生產的混凝土能達到規范要求的強度和抗磨損性即可。無獨有偶,伊利諾斯州公路局也允許這種做法。堪薩斯州和內布拉斯加州的很多地方有大量砂子,但幾乎沒有粗集料,在那里,1:3的砂漿混合物使用效果良好。當然在不久以前,人們對這種方法可能還不以為然,但我相信其價值已得到證明,而且將來會成為一種常用的方法。
                                          對于給定的成本或最小成本,我們的問題是要利用現有的集料得到最可能好的混凝土拌合物。
                                          混凝土質量
                                          關于混凝土抗壓強度,已經提到過很多,我們也已接受抗壓強度作為度量混凝土其他所期望的質量的指標。
                                          混凝土強度是房屋建筑和其他建筑的一個重要因素,但混凝土的質量比強度更重要。一個建筑物暴露在溫濕度變化大的氣候條件下,也可能暴露于腐蝕性環境中,因此必須具備相當的抵抗力。雖然混凝土的強度的確在很大程度上反映了混凝土抵抗各種環境破壞作用的能力,但這種抵抗力不僅僅是強度的問題。我們的實驗表明,就抗磨損性而言,強度的確是衡量質量的合適指標。我昨天在這里展示的實驗則表明混凝土的彎曲強度和抗壓強度受影響的方式并不完全相同。水含量的變化對破壞模量的影響不像對抗壓強度那么大。盡管如此,我們仍然可以認為抗壓強度是衡量混凝土質量的一個完全令人滿意的指標。
                                          百分比和數量表
                                          基于我們對混凝土和混凝土集料的試驗研究,我們提出了一套表格,這些表格中列出了對于給定強度混凝土的各種材料的數量和比例。聯合委員會(Joint Committee)報告中給出了其中一部分表格,后來又補充了其他表格。表中給出了在通常條件下的混凝土配合比和原材料的數量。按照這些配合比和原材料數量,在正常養護條件下,能夠生產出給定抗壓強度混凝土。
                                          這些表格的主要價值在于為初步試驗研究選擇配合比以及在基礎拌合物確定后,根據材料的變化調整配合比。這些表格所提供的配合比不可能與從對材料和拌合物的初步研究中得到的以及在后續調整試驗中所獲得的配合比完全一樣。
                                          混凝土和混凝土材料測試標準
                                          我想就美國材料實驗學會(ASTM)的標準化工作發表一點看法。在過去一兩年里,美國材料實驗學會在其“標準”和“出版物”中公布了以下混凝土工程師感興趣的新標準或暫行標準:
                                          1. 現場制造和儲存混凝土樣品的標準方法;
                                          2. 混凝土抗壓試驗暫定方法;
                                          3. 路面用混凝土工作性的暫行規定;
                                          4. 混凝土集料篩分分析暫定試驗方法;
                                          5. 混凝土用砂有機雜質暫定測試方法;
                                          6. 從建筑物中獲取硬化混凝土樣品的暫定方法;
                                          7. 混凝土集料單位重量標準測試方法;
                                          8. 混凝土集料暫行規定;
                                          9. 混凝土細集料空隙暫定測試方法。
                                          如果你最近沒有查閱這些標準,你會為之付出代價。以前所做的很多混凝土試驗幾乎沒有任何意義,因為這些試驗違反了正確的試驗原理。由于沒有正確的標準試驗方法,人們往往無法對混凝土試驗的結果進行合理的解釋。進行混凝土試驗的人應該盡可能參考和遵循混凝土試驗暫定標準方法。這些標準規定了試驗的細節,從而確保不同實驗室和不同地區的試驗結果具有一致性,這是我們以前無法做到的。
                                          我們已經探索了近40年,現在第一次有了集料篩分分析的標準方法。在此之前,幾乎每個實驗室都采用不同的篩網或用不同的方法紀錄篩分分析結果,于是得出的結果總有很大區別,以至于任何人都無法從其他人所做的工作中得到任何東西。將篩網和篩分試驗方法標準化是非常重要的進步。
                                          結束語

                                          在混凝土試驗和實踐的改善與標準化方面,我們已在許多方面取得顯著進展,所有這些進展將對混凝土工作的質量產生重要影響,并在不久的將來提高混凝土的質量水平。

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