QC成果报告-一种新型混凝土拌合物水胶比-强度预控制技术的研制

一种新型混凝土拌合物水胶比-强度预控制技术的研制济南四建（集团）有限责任公司混凝土技术创新QC小组2016年3月6日一、小组概况： 济南四建（集团）有限责任公司混凝土技术创新QC小组表1 小 组 概 况 表小组名称混凝土技术创新QC小组成立日期2009年3月2日课题名称一种新型混凝土拌合物水胶比-强度预控制技术的研制课题类型创新型TQC教育学习情况人均72小时注册时间2009.3.4组长李海波成员人数9注册号JSJQ-03活动时间2015年3月52016年3月5日活动次数15出勤率100%序号姓名性别年龄文化程度职称组内分工1李海波男36大学本科工程师制定和组织实施方案，总结改进2陈朋强男33大学本科工程师实施方案、总结改进3于宪波男36大学本科工程师 实施方案、效果检查4陈平男35专科助理工程师实施方案、效果检查5祁靖斌男43专科助理工程师实施方案、效果检查6王君女32大学本科助理工程师资料整理、总结改进7张延杰男26大学本科助理工程师实施方案8李宗德男24大学本科技术员实施方案9张博阳男24大学本科技术员实施方案 制表：王君 2015年3月5日二、选择课题：（一）问题的提出 随着改革开放不断深化，全国掀起了一轮又一轮的建设热潮，但随之出现的一些建筑结构安全问题越来越突显，“豆腐渣”等混凝土强度质量问题也在逐年攀升,对社会造成的恶劣影响是深远的，由于国家标准规定的混凝土强度检测需要28天龄期，因而，在出厂、交付和浇筑混凝土时，混凝土强度是未知的，能够控制的还仅仅是混凝土施工工作性（坍落度、和易性），待到28d强度检测结果出来一旦不合格，加固也好，拆除也好，经济损失和结构安全问题已无法避免了。其中很重要的一个原因是混凝土强度检验的滞后性、缺乏对混凝土强度的预控制、特别是缺乏对表征混凝土强度的水胶比指标及时有效的检测方法和评价标准，对混凝土工程质量造成了很大的隐患。随着国家对混凝土结构安全问题的关注和管理力度不断提升，这就需要改进和研发新的检测方法和控制手段去有效地、及早地评估、预控制和规避出厂、浇筑时的混凝土风险，如何改进发展新的检测方法和预控制手段，成为摆在我们面前急需解决的问题。（二）2015年3月5日至19日，关于济南市混凝土强度质量情况、混凝土拌合物水胶比测定方法及强度预控制技术的调查1、据山东省混凝土协会的统计结果和提供的信息显示：山东省2014年混凝土总产量约为8033.3万立方，济南市2014年混凝土总产量约为1200万立方，济南市预拌混凝土强度质量情况经调查交货检验强度不合格率约为0.2%，相关检测、鉴定及加固等经济损失费用约120500万元。济南四集团建混凝土搅拌中心2014年混凝土产量为73.8万立方，合计3542个出厂批次，出厂混凝土28d强度统计情况见下图1。图1 分析：由图1可知28d出厂强度不合率为0.03%；28d出厂强度达到配制强度的95%105%的批次数量占总批次数量的百分比越大说明控制水平越高，统计值为78.06%，说明现有的控制水平较低；28d出厂强度平均标准差为6.3MPa，质量波动较大。 2、经调查，未发现山东省预拌混凝土企业、检测公司采取关于混凝土拌合物水胶比的检测方法及及强度预控制技术；经科技查新可知：国际上其他国家存在关于混凝土拌合物水胶比测定方法，例如“气流计量器方法”是通过测定水泥混凝土拌合物的含气量与含水率的相关性来推断水胶比，“单位称量法”是测定水泥混凝土拌合物的质量与含水率的相关性来推断水胶比，“试剂浓度法”是通过测定试剂在水泥混凝土拌合物含水中浓度与含水率的相关性来推断水胶比，“中子方法”是通过测定水泥混凝土拌合物含中含氢元素量与含水率的相关性来推断水胶比，“电容方法”是通过测定混凝土拌合物的电容量与含水率的相关性来推断水胶比，这些方法都是通过测定与混凝土拌合物含水率有相关性的技术指标并借助相关的规律来间接的测定混凝土拌合物水胶比，因而随着混凝土拌合物配合比、成份以及环境的变化，该技术指标与混凝土拌合物含水率有相关性规律会出现相应的变动，因而存在较大的检测误差、研发投入资金较大，此外，这些相关的水胶比检测设备价格高昂，有的甚至高达几十万元，不利于推广使用。（三）确定课题2015年3月20日，本着准确、快速、高效、经济的原则，为加强对出厂、浇筑混凝土水胶比和混凝土强度的检测、评价和预控制，为保障建筑工程结构安全、避免重大质量事故的发生和减少经济损失，我们开展了这一课题：“一种新型混凝土拌合物水胶比-强度预控制技术”。三、设定目标及可行性分析（一）活动目标小组活动目标量化分解为6项，见表2： 表2 小组活动目标项 目现有值目标值混凝土拌合物水胶比检测误差 0.01混凝土拌合物水胶比测定耗时 30min出厂混凝土拌合物水胶比值在控制区间范围内出厂强度不合格率0.03%028d出厂强度达到配制强度95%105%的批次数量占总批次数量的百分比78.06% 90%混凝土强度标准差6.3MPa 4MPa 制表：王君 2015年3月20日（二）可行性分析1 曾有水平：小组先期科研项目废弃新拌混凝土回收利用技术通过了省级科技成果鉴定，并申请发明专利一项。2 良好基础:我小组在人员素质、业务能力、试验条件、生产条件、实践经验上具备良好的基础，经过努力完全可以实现。3 不利因素：影响混凝土拌合物水胶比的因素较多、情况多变复杂。结论：我小组制定的活动目标确定为是可行的。四、提出方案并确定最佳方案 （一）提出方案2015年3月21日至4月10日，通过多次召开头脑风暴会议，查询了相关技术资料，并咨询多名专家，最终确定了三个方案。 方案一：通过检测砂、石含水率确定和控制混凝土拌合物水胶比。方案二：通过普通干燥方法测定混凝土拌合物的含水率，从而测定混凝土拌合物水胶比。方案三：结合均化处理、抑制水化处理、混砂处理和烘干处理测定混凝土拌合物水胶比，确定出合理的水胶比控制区间作为评价标准，从而对混凝土拌合物水胶比进行评价和作出相应强度的预控制措施。 （二） 方案分析、评价及选择方案分析、评价及选择，见表3： 表3 各方案的可行性分析及评价表方案方案分析、评价是否采用方案一1、 影响混凝土拌合物水胶比的因素不仅仅是砂、石含水率，混凝土生产设备的计量误差及配料阀门故障也会对生产的混凝土拌合物的水胶比较大影响；2、 实际生产时，砂、石含水率的波动随着时间和不同进场批次会出现较大的随机性波动，就算加大检测含水率的频次，检测和生产也无法做到完全同步，检测的指导作用也会出现很多纰漏。不采用方案二1、 普通的干燥测定方法只是通过简单的烘干来测量烘干前后的重量差值计算混凝土拌合物含水率；2、 普通干燥方法由于不考虑干燥过程中水化反应消耗一定质量水的问题，易造成测定的含水率偏低问题，因而存在较大的测定误差。3、 普通干燥方法只是将混凝土拌合物试样进行简单的烘干，烘干过程中会迅速凝固成一整个团状，这样就会锁住一部份水份无法散失，因而存在较大的测定误差，而且需要烘干时间较长、效率低下、检测离差也较大。不采用方案三1、 均化处理是通过掺入微量的增稠剂提高混凝土拌合物的匀质性，从而大大改善了取样的代表性；2、 抑制水化处理是通过掺入一定量抑制水泥水化的外加剂，可将参与水化的水的质量降到最低，可大大提高后续烘干处理过程中水散失的效率，从而大大降低了检测误差。3、 混砂处理是通过掺加一定比例和颗粒级配的干燥状态的砂子与混凝土拌合物试样充分混合，可极大地增加水泥浆与空气的接触面积，消除了混凝土的结团现象，从而极大地提高后续烘干处理过程中水散失的效率，有助于缩短烘干时间，同时降低了检测误差。4、 制定有效的水胶比控制区间作为评价标准，测定的水胶比超出了一定控制区间，强度相应地也会超出允许的范围，为此生产配合比要作出相应的调整，对问题混凝土采取返工、降级等处理措施，从而实现强度的预控制，避免用于浇筑的混凝土出现强度不合格问题。采用 制表：王君 2015年4月10日（三）确定最佳方案1、2015年4月11日至4月15日，本QC小组经研究确定的新型混凝土拌合物水胶比测定方法原理为：通过抑制水化处理、混砂处理和干燥处理测定出混凝土拌合物干燥脱水量，干燥脱水量与干燥过程中参与水化反应的水量之和即为混凝土拌合物用水量，混凝土拌合物用水量与胶凝材用量的比值即为混凝土拌合物水胶比，具体方法流程，见图2图13，具体步骤如下：（1）取样：取样符合GB/T 50080（普通混凝土拌合物性能试验方法）中第2条规定。（2）均化处理抽取混凝土拌合物试样：取样后立即将均化剂掺入混凝土拌合物试样中，搅拌25分钟，混合均匀。（3）抑制水化处理和混砂处理：称取一定量的干燥的砂子和一定量的抑制水化剂，然后与混凝土拌合物试样进行充分混合搅拌。（4）干燥处理：混砂搅拌完毕后立即将混合试样置于温度为1005、鼓风风量为90150m3/h的电热式鼓风干燥箱中干燥至恒重，或者将混合试样置于微波炉中火干燥至恒重（微波加热每次时间不宜超过10min，含有金属物质的试样不得使用微波加热）；（5）混凝土拌合物用水量计算和水胶比修正计算：混凝土拌合物干燥脱水率为干燥前后混合试样的质量差值与混凝土拌合物试样质量的比率，参与水化反应水胶比为干燥脱水量除以胶材量的比值与理论水胶比的差值，用水量校正值为参与水化反应水胶比与胶材量的乘积，用水量为干燥所脱去水的质量与用水量校正值之和。用水量与胶材量的比值即为混凝土拌合物水胶比。 图2 图3 济南四建搅拌中心混凝土生产 图4砼出厂接料 图5砼试样状态离析 图6试样均化处理 图7 均化后按对角线取样 图8 加入抑制水化剂和干砂 图9一致水化处理和混砂搅拌 图10 消除水泥结团、搅拌均匀 图11 微波炉烘干 图12 烘干箱烘干 图13 烘干后的试样 2、2015年4月16日至4月20日，本QC小组经研究确定的以水胶比为控制指标的强度预控制技术流程为：测定生产的混凝土拌合物水胶比，对水胶比进行分析评定，当水胶比测定值与设计水胶比出现较大偏差且超出控制区间时预示出强度有不合格的风险，对该批次水胶比不合格的混凝土进行处理，调查分析造成此次水胶比波动的原因，提出并实施改进方案措施，并对方案实施后混凝土拌合物水胶比进行测定，验证实施效果。混凝土拌合物水胶比测定及强度预控制技术流程，见图14。 图14五、制定对策 2015年4月21日至4月25日，我小组针对确定的最佳方案，制定了具体的对策措施，见下表4： 表4 对 策 表 序号对策目标措施责任人实施时间1水胶比测定中的均化处理和取样方法匀质性和取样代表性良好：两次取样的混凝土拌合物试样中石子含量极差不大于2%，所测定的干燥脱水率极差不大于0.2%1、均化剂掺入砼试样中搅拌混合均匀。2、按照均化剂不同掺量进行试验,石子含量极差和干燥脱水率极差为最低值时且满足目标要求的所对应的均化剂掺量即为最佳掺量；3、从受检砼试样不同的对角方位铲取混合作为试样；4、混凝土拌合物试样质量按照不同的粗骨料最大粒径选取不同的取样量进行试验，石子含量极差和干燥脱水率极差满足目标要求且烘干时间最短时的所对应的取样量即为最佳取样量；李海波张延杰2015年4月26日5月26日2水胶比测定中的混砂处理烘干时间不大于20min1、混合试样搅拌混合25min，直至完全消除水泥浆结团；2、按照不同砂砼质量比例进行试验，烘干至恒重所用时间的最小值即为最佳比例。陈朋强张延杰2015年4月26日5.26日3水胶比测定中的抑制水化处理参与水化反应的水胶比不大于0.021、经试验绘制不同抑制水化剂掺量与所测定出的混凝土拌合物试样脱水率相关曲线图，曲线峰值处即为抑制水化剂最佳掺量，所对应的参与水化反应的水胶比为最低值；2、按照确定的抑制水化剂最佳掺量进行25次试验得到配制的理论水胶比与测定的水胶比之差的算术平均值即为混凝土拌合物干燥过程中参与水化反应的水胶比，即作为水胶比校正值，混凝土拌合物用水量校正值为水胶比校正值与胶材量的乘积。陈朋强张博阳2015年4月26日5月26日4以水胶比为控制指标的的强度预控制1、在设计胶水比为中心上下浮动的水胶比控制区间所表征的强度波动浮动幅度应在配制强度的10%范围；2、出厂强度达到设计强度等级。1、通过对不同材料和不同水胶比进行试验得出混凝土强度随胶水比的变化规律得出相应该设计强度等级的混凝土水胶比控制范围；2、水胶比不合格的混凝土的处理措施分为降级使用、返工和做废。3、改进方案措施：当测定的水胶比大于水胶比控制区间上限时，重新调整生产配合比，根据水胶比超出上限的幅度计算出用水量降低值，当因某种材料中杂质含量过多造成外加剂相容性变差导致用水量增加时还应适当提高外加剂用量或停止使用该材料并更换更适合的材料，当因设备计量或阀门故障造成配料出现大的误差时，应停止使用该设备并及时修理和校正计量误差。李海波陈朋强李宗德2015年4月266月26日 制表：王君 2015年4月25日六、对策实施对策实施一：混凝土拌合物水胶比测定中的均化处理和取样方法2015年4月26日至5月26日，本QC小组对对策一进行了实施，具体如下：1、 称取一定量的均化剂（纤维素醚类增稠剂）掺入砼试样中搅拌25分钟混合均匀。2、其他因素和方法不变，分别按照（混凝土拌合物试样质量的百分数）0，0.01%，0.02%，0.04%，0.08%均化剂掺量分成5组，每组取2个砼试样测定含石量和干燥脱水率并计算其极差，试验结果统计见图15，由图可知：当均化剂掺量为0.04%时所测定砼试样测定含石量极差为1.3%（2%）和干燥脱水率极差为0.18%（0.2%），都达到最低值且满足所设定的目标。图153、从受检砼试样不同的对角方位均匀地铲取然后混合作为试样，有助于提高取样的代表性；4、其他因素和方法不变，分别对骨料最大粒径为25mm和31.5mm的受检砼试样按照取样量为250g、500g、1000g、2000g、4000g均化剂掺量分成10组，每组取2个砼试样测定含石量和干燥脱水率并计算其极差并计算烘干至恒重所需的时间，试验结果统计见图16和图17，由图可知：当骨料最大粒径为25mm时取样量为500g时所测定砼试样含石量极差为1.8%（2%）和干燥脱水率极差为0.17%（0.2%），烘干时间为15min为满足所设定的目标的最小耗时。当骨料最大粒径为31.5mm时取样量为1000g时所测定砼试样含石量极差为1.9%（2%）和干燥脱水率极差为0.19%（0.2%）满足所设定的目标，烘干时间为26min为满足所设定的目标的最小耗时。 图16 图17 对策实施二：水胶比测定中的混砂处理2015年4月26日至5月26日，本QC小组对对策二进行了实施，具体如下： 1、混合试样搅拌混合25min，注意一定要完全消除水泥浆结团； 2、其他因素和方法不变，按照骨料最大粒径为25mm、砼试样量为500g，按照砂砼质量比例为0、0.5、1、2、3、4分成6组，每组取2个砼试样测定烘干至恒重所用时间，试验结果统计见图7，由图18可知：砂砼质量比例为2时砼试样烘干至恒重所用时间为15min（20min），为最低值，达到设定的目标。图18对策实施三：水胶比测定中的抑制水化处理2015年4月26日至5月26日，本QC小组对对策三进行了实施，具体如下： 1、其他因素和方法不变，按照骨料最大粒径为25mm、砼试样量为500g，理论水胶比为0.45，胶材量为420kg/m3，砂砼质量比例为2，按照抑制水化剂掺量（混凝土拌合物试样质量的百分数）为0、0.5%、1%、1.5%、2%、3%分成6组测定出的混凝土拌合物试样脱水量，试验结果统计见图19和图20，由图8和图9可知：抑制水化剂掺量为2%时，混凝土拌合物试样脱水率为7.58%达到为峰值拐点，即为抑制水化剂最佳掺量，所对应的参与水化反应的水胶比为0.018，为最佳掺量。 图 19 图202、确定的抑制水化剂最佳掺量为2%，按照不同强度等级、原材料和配合比经25次试验得出所对应的参与水化反应的水胶比平均值为0.02，满足所设定的目标，确定水胶比校正值为0.02。对策实施四：以水胶比为控制指标的的强度预控制2015年4月26日至6月26日，本QC小组对对策四进行了实施，具体如下：1、分别按照C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C60，步长为0.05经计算确定3个水平的水胶比，共8组进行配合比试配试验，经回归得到混凝土强度与胶水比的线性关系，确定出了各强度等级混凝土强度波动浮动幅度在配制强度的10%范围所对应的水胶比控制区间，见表5。 表5 水胶比控制区间规定强度等级C15C20C25C40C45C60在设计水胶比为基点的允许的波动范围设计水胶比0.03设计水胶比0.02设计水胶比0.015 2、通过前3次对策实施进行分析和总结确定混凝土拌合物水胶比测定方法，测定生产混凝土水胶比，对水胶比不合格的混凝土的处理措施分为降级使用、返工和做废。返工具体措施为：按照生产水胶比超出设计水胶比的幅度计算出应补充的胶材量，并将补充的胶材与水胶比不合格的混凝土进行混合搅拌均匀。 3、改进方案措施：（1）当测定的水胶比大于水胶比控制区间上限时，重新取样复检砂、石含水率，根据所测定的水胶比超出表5规定的上限的幅度计算出用水量的降低值，重新调整生产配合比；（2）当因某种材料中杂质含量过多造成外加剂相容性变差从而导致在达到规定的坍落度的用水量增大时还应适当提高外加剂用量或停止使用该材料并更换更适合的材料；（3）当因计量或阀门开关等设备故障造成配料出现大的误差时，应停止使用该设备并及时修理和校正计量误差，直至满足标准规定允许的计量误差要求；（4）以上措施实施后应再次取样测定水胶比，验证是否达到预期效果，如达不到应继续采取相应措施直至达到要求。七、效果检查 对策实施完毕后，2015年6月27日2016年2月20日，我小组对制定对策的实施效果进行了检查，检查结果表明各项对策实施效果均达到了目标，见表10。 表10 效果检查表检查时间目标检查方法检查结果效果评定检查人2015年6月26日7月26日混凝土拌合物水胶比检测误差0.01固体材料都为干燥状态下分别按照C20C60混凝土进行9组试配和水胶比测定试验，每组3个批次，合计27次试验，将理论水胶比作为真值，水胶比检测误差为水胶比测定值与理论水胶比的差值经统计，27次试验的水胶比均在理论水胶比0.01范围内，即水胶比检测误差0.01达到目标于宪波祁靖斌2015年6月26日7月26日混凝土拌合物水胶比测定耗时30min分别按照C20C60混凝土进行9组水胶比测定试验，计算试验耗时经统计，9次试验的耗时均小于30min，平均试验耗时为28min达到目标陈平于宪波2015年6月26日2016年2月2日出厂混凝土拌合物水胶比值在控制区间范围内对600个批次的生产混凝土水胶比检测数据统计得出其中总共有45个批次水胶比超出控制区间，对这45次混凝土进行了降级使用、返工和做废等处理，并调整了配合比进行生产，并进行水胶比测定经统计，出厂混凝土拌合物水胶比值均在控制区间范围内达到目标陈平祁靖斌 续表10 效果检查表检查时间目标检查方法检查结果效果评定检查人2015年6月26日2016年2月20日出厂强度不合格率为0对600个批次的生产混凝土强度检测并数据统计和评定。经统计，出厂强