熊家清，萬(wàn)建新

（1.公安縣建筑工程服務(wù)中心，湖北 荊州 434300；2.公安縣恒興建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北 荊州 434300）

0 引言

普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中，膠凝材料用量的計(jì)算是在計(jì)算水膠比值后，要在與之相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)性用水量表中選取用水量，并以此用水量為計(jì)算基礎(chǔ)，再以計(jì)算的水膠比值來(lái)反推計(jì)算膠凝材料用量的間接方式求解。本文對(duì)以此間接方式反推計(jì)算膠凝材料用量的方式方法，進(jìn)行了分析和考量，總覺(jué)得此方式方法存在有待改進(jìn)的提升空間。10 年前筆者就已構(gòu)思立意：應(yīng)建樹(shù)卓識(shí)的創(chuàng)新理論，從直解方式的路徑著手，采用簡(jiǎn)捷的表達(dá)算式，來(lái)創(chuàng)新現(xiàn)有計(jì)算膠凝材料用量的方式方法。在認(rèn)真學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，查閱相關(guān)教科書，歸納理論和經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)基礎(chǔ)上，來(lái)演繹構(gòu)建普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的新方法。

1 水膠比公式應(yīng)用計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)程》［1］（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”）中計(jì)算膠凝材料用量的主要公式為水膠比公式，是在經(jīng)驗(yàn)用水量表中選取用水量后，以水膠比公式計(jì)算的水膠比值來(lái)反推計(jì)算膠凝材料用量。用水量的選取是根據(jù)混凝土拌合物稠度的干硬性、塑性、流動(dòng)性要求，選用粗骨料的品種、粒級(jí)范圍后，在與之相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)用水量表中選取。選取的經(jīng)驗(yàn)用水量其自身只是一個(gè)粗略的經(jīng)驗(yàn)值，膠凝材料用量的計(jì)算還要以此經(jīng)驗(yàn)用水量為水膠比值的比例基數(shù)，來(lái)間接反推計(jì)算膠凝材料用量，水膠比公式應(yīng)用計(jì)算難以準(zhǔn)確計(jì)算膠凝材料的用量。

1.2 恒定用水量法則編制規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)用水量表的適用性

在以往建筑材料的教材中有：“當(dāng)所用粗、細(xì)骨料的種類及比例一定時(shí)，即使水泥用量有所變動(dòng)（在 200～400 kg 范圍內(nèi)），為獲得要求的流動(dòng)性，所需拌合用水量基本是一定的。這一關(guān)系為恒定用水量法則，它給混凝土配合比設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便，根據(jù)已知的骨料條件及要求的坍落度，利用經(jīng)驗(yàn)圖表即可大致確定出拌合用水量?！笨梢?jiàn)此說(shuō)法是編制經(jīng)驗(yàn)用水量表的理論基礎(chǔ)，此“大致確定出拌合用水量”的方式方法，已不適用現(xiàn)代科技水平準(zhǔn)確計(jì)算普通混凝土配合比用料比例參數(shù)的要求。對(duì)此恒定用水量法則之說(shuō)，本文提出不同理由的質(zhì)疑：一是在水泥產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)中，水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度的名詞釋義，即是用水量與水泥用量之比例關(guān)系的比值，水泥用量的變化會(huì)帶來(lái)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(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量與水泥的品種有關(guān)，不同水泥品種的拌合物稠度要達(dá)到適宜的流動(dòng)性，其用水量是不同的。以上兩點(diǎn)質(zhì)疑在規(guī)程中選用經(jīng)驗(yàn)用水量這一實(shí)配計(jì)算參數(shù)不太適用。

2 膠凝材料用量的新公式方法

2.1 水泥強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)分劃不同強(qiáng)度區(qū)間

20 世紀(jì) 60 年代美國(guó)著名水泥化學(xué)家鮑維斯，建立了普通混凝土強(qiáng)度的膠空比X概念：即凝膠體積對(duì)凝膠體積加毛細(xì)孔體積的比值，用以表示毛細(xì)孔被凝膠體填充的密實(shí)程度。以膠空比討論水泥漿體或混凝土的強(qiáng)度，可以更直接地說(shuō)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成狀態(tài)。鮑維斯通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出硬化水泥漿體抗壓強(qiáng)度R和膠空比X的經(jīng)驗(yàn)公式如式（1）所示。

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

K的物理意義是硬化水泥漿體的潛在最大強(qiáng)度。引申混凝土配合比的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)等于或小于硬化水泥漿體潛在最大強(qiáng)度之R≤1 推論?，F(xiàn)行國(guó)家水泥產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格制定分劃有高、低強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間，鮑維斯經(jīng)驗(yàn)公式引申，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)在一定區(qū)間范圍應(yīng)不高于水泥強(qiáng)度等級(jí)，即普通混凝土配合比強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)，應(yīng)在水泥強(qiáng)度等級(jí)分劃不同強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行。

2.2 混凝土在相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間范圍存有設(shè)計(jì)可控膠強(qiáng)區(qū)間的分劃理論

在材料學(xué)中，組成相同的材料其強(qiáng)度決定于孔隙率?；诮M成相同的材料其強(qiáng)度決定于孔隙率理論；鮑維斯的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)高于水泥強(qiáng)度等級(jí)；設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)在相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間范圍，可小于水泥強(qiáng)度等級(jí)相應(yīng)區(qū)間范圍，存有設(shè)計(jì)可控對(duì)應(yīng)區(qū)間的分劃區(qū)間。在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，用可控方法使膠凝材料在凝聚固結(jié)粗細(xì)集料，形成具有設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度的同時(shí)，還存有可利用孔隙率來(lái)調(diào)控混凝土強(qiáng)度等級(jí)的區(qū)間范圍。文中稱設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)分劃的區(qū)間為膠強(qiáng)區(qū)間。膠強(qiáng)區(qū)間理論構(gòu)建是水泥強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間分劃理論的引申。

2.3 三編普通混凝土配合比規(guī)程統(tǒng)計(jì)表中擬定不同水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的 T 值、 mbe 值

在以相同原材料及相同生產(chǎn)工藝條件下，以 1996 、2000、2011 年連續(xù)三次修編規(guī)程，對(duì)普通混凝土配合比中的水泥用量進(jìn)行了專項(xiàng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)歸納有三編混凝土配合比規(guī)程、四強(qiáng)度等級(jí)水泥、C10～C60 強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土計(jì)算膠凝材料用量統(tǒng)計(jì)表［2］，此表統(tǒng)計(jì)歸納膠凝材料用量的計(jì)算中詮釋有以下特點(diǎn)。

1）不同強(qiáng)度等級(jí)水泥質(zhì)量的內(nèi)在品質(zhì)各自具有相應(yīng)的膠凝特征值。以同一水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)逐級(jí)計(jì)算普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)之橫向區(qū)間的水泥用量，有水泥強(qiáng)度等級(jí)低的膠凝材料用量之橫向區(qū)間的量值級(jí)差大，水泥強(qiáng)度等級(jí)高的膠凝材料用量之橫向區(qū)間的量值級(jí)差??；在同一水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)逐級(jí)計(jì)算普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)之膠凝材料用量，有膠凝材料用量的區(qū)間級(jí)差呈線性規(guī)律變化的特征。本文將此膠凝材料用量的區(qū)間級(jí)差呈線性規(guī)律變化的特征，擬為同一強(qiáng)度等級(jí)水泥質(zhì)量的內(nèi)在品質(zhì)所具有的膠凝特征值，不同強(qiáng)度等級(jí)水泥質(zhì)量的內(nèi)在品質(zhì)各自具有相應(yīng)的的膠凝特征值，其膠凝特征值以字母T表示。

2）水泥強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間存有適配膠強(qiáng)區(qū)間的分劃。在某一水泥強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間范圍存有設(shè)計(jì)相應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的區(qū)間，即水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)存有適配膠強(qiáng)區(qū)間，膠強(qiáng)區(qū)間的區(qū)間分劃有上、下區(qū)間值范圍，上區(qū)間值為水泥強(qiáng)度等級(jí) 10 位數(shù)的整數(shù)級(jí)，下區(qū)間值為水泥強(qiáng)度等級(jí) 10 位數(shù)的整數(shù)級(jí)減去 20 的整數(shù)級(jí)。本文對(duì)膠強(qiáng)區(qū)間各自的下區(qū)間值，從三編普通混凝土配合比規(guī)程統(tǒng)計(jì)表中擬定有各自對(duì)應(yīng)的最小膠凝材料用量限值mbe。以上 2.3 節(jié) 1）、2）中論述水泥強(qiáng)度等級(jí)的膠強(qiáng)區(qū)間、T值、mbe值綜合列入水泥強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間T值、mbe值表，如表 1 所示。

表1 水泥強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間 T 值、mbe 值表

3 膠強(qiáng)區(qū)間構(gòu)建與膠凝特征值的擬定助創(chuàng)膠強(qiáng)公式的創(chuàng)建

從鮑維斯的經(jīng)驗(yàn)公式引申，設(shè)計(jì)混凝土的強(qiáng)度應(yīng)等于或小于硬化水泥漿體的潛在最大強(qiáng)度之R≤1 推論；從材料學(xué)中有組成相同的材料其強(qiáng)度決定于孔隙率的理論，到普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)在相應(yīng)強(qiáng)度范圍存有設(shè)計(jì)可控膠強(qiáng)區(qū)間的構(gòu)建；從三次修編混凝土配合比規(guī)程統(tǒng)計(jì)擬定分劃 4 個(gè)不同強(qiáng)度等級(jí)水泥質(zhì)量的內(nèi)在品質(zhì)，各自具有相對(duì)應(yīng)的膠凝特征值T；從水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)存有適配膠強(qiáng)區(qū)間，到對(duì)應(yīng)膠強(qiáng)區(qū)間確定有相應(yīng)的上、下區(qū)間值范圍，及其下區(qū)間值中擬定有各自對(duì)應(yīng)的最小膠凝材料用量限值mbe。至此演繹：在已知混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，與其相應(yīng)膠強(qiáng)區(qū)間，確定選用相應(yīng)膠凝材料強(qiáng)度等級(jí)范圍，創(chuàng)新列解普通混凝土配合比計(jì)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(jì)算膠凝材料用量，kg/m3；T為水泥強(qiáng)度等級(jí)各自具有內(nèi)在對(duì)應(yīng)的膠凝特征值；fcu.o為普通混凝土配合比計(jì)算的配制強(qiáng)度值，MPa；H為水泥強(qiáng)度等級(jí)各自對(duì)應(yīng)混凝土膠強(qiáng)區(qū)間的下區(qū)間值，MPa；mbe為膠強(qiáng)區(qū)間其下區(qū)間值對(duì)應(yīng)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(qiáng)公式在六組分混凝土配合比和透水混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 客觀反映混凝土強(qiáng)度與膠凝材料強(qiáng)度的量化關(guān)系

在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中膠強(qiáng)公式的創(chuàng)建與應(yīng)用，客觀地反映了膠凝材料強(qiáng)度等級(jí)與混凝土強(qiáng)度等級(jí)間的量化關(guān)系。普通混凝土配合比強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)：在于膠凝材料強(qiáng)度等級(jí)確定后膠凝材料用量的計(jì)算，是其首選的基本參數(shù)。膠強(qiáng)公式的應(yīng)用，革故鼎新普通混凝土配合比規(guī)程中水膠比公式以經(jīng)驗(yàn)用水量為普通混凝土配合比設(shè)計(jì)首選基本參數(shù)的公式方法。此公式方法引入首選基本參數(shù)其自身的誤差量大，還要以此經(jīng)驗(yàn)用水量值來(lái)間接反推計(jì)算膠凝材料用量，可見(jiàn)以此水膠比公式計(jì)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(shè)計(jì)中具有延展性

以上膠強(qiáng)公式是在四組分普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中創(chuàng)建的，現(xiàn)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(shù)計(jì)算普通混凝土配合比，所以膠強(qiáng)公式能在六組分普通混凝土配合比中延展應(yīng)用。在普通混凝土配合比規(guī)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(qiáng)度中，再以水膠比公式通過(guò)經(jīng)驗(yàn)用水量返算膠凝材料總量，是不易準(zhǔn)確計(jì)算混凝土配合比中膠凝材料用量的。創(chuàng)建六組分普通混凝土配合比的膠強(qiáng)公式中，活性礦物摻合料的影響系數(shù)直接列入膠強(qiáng)公式中，影響計(jì)算膠凝材料總量［3］。六組分普通混凝土配合比的膠強(qiáng)公式列式的新論方法簡(jiǎn)明，計(jì)算簡(jiǎn)捷。創(chuàng)新完善六組分普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中的膠強(qiáng)公式如式（3）所示。

式中：yf為礦物摻合料摻量影響系數(shù)。

4.3 在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)中具有通用性

在 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中，透水水泥混凝土單位體積水泥用量的計(jì)算仍是以水膠比公式間接求解，其基本設(shè)計(jì)原則是以體積填充法來(lái)進(jìn)行試配，使其膠凝材料用量的計(jì)算更為繁雜。此技術(shù)規(guī)程中同樣沒(méi)有著重于膠凝材料強(qiáng)度等級(jí)的選用與膠凝材料合理用量的計(jì)算，是透水水泥混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)首選基本參數(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，來(lái)創(chuàng)建透水水泥混凝土計(jì)算膠凝材料用量的公式方法。此技術(shù)規(guī)程中求解透水水泥混凝土配比值可用作圖法或計(jì)算法，最后定義是在多次實(shí)配的比較法中來(lái)確定透水水泥混凝土配比值，可見(jiàn)此技術(shù)規(guī)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(qiáng)公式的應(yīng)用同樣適用透水混凝土配合比值的計(jì)算，只是在透水混凝土配合比的調(diào)控計(jì)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(yù)設(shè)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(qiáng)公式也能在透水混凝土配合比中適用，膠強(qiáng)公式在透水混凝土配合比的調(diào)控設(shè)計(jì)中具有通用性［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

以上普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中膠強(qiáng)公式的創(chuàng)建與應(yīng)用，已在 2011 普通混凝土配合比規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)之外，是不同于水膠比公式而擁有創(chuàng)新理論的算式方法。膠強(qiáng)公式的創(chuàng)建與應(yīng)用，在于促進(jìn)建工行業(yè)普通混凝土配合比科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，有利于普通混凝土配合比設(shè)計(jì)人員實(shí)用操作，有益于工程建設(shè)質(zhì)量的保證作用。Q