现代混凝土质量现状、质量控制要点以及混凝土配合比设计新思路

现代混凝土质量现状、质量控制要点以及混凝土配合比设计新思路一、 当前混凝土质量状况1. 原材料的变化情况水泥：C3A、C3S含量高，细度小、比表面积大、强度等级高。砂子：级配不良、有的太细有的太粗、含泥量和吸水率波动大。含石率石子：（客专紧空率40）级配差、粒形差、针片状含量高（特别是强度高的岩石）。利益驱使粉煤灰：（粉体效应、山灰效应、动效应、填充效应）质量不稳定、常见烧失量、细度不合格外加剂：（木钙8-FDN15-聚羧酸30的演变）减水率高、对用水量敏感、与水泥适应性差（往往需要反复调配）2. 传统混凝土与当代混凝土的比较表1 配合比的比较项 目传统现代配合比用水量大小水灰比（水胶比）大小砂率小大浆骨比小大坍落度小大保水性好差粘聚性好差表2 混凝土性能比较项 目过去当前混凝土性能坍落度小大强度等级低高总水化热小大早期强度低高总收缩小大早期收缩小大自收缩小大与传统混凝土相比，现代混凝土更容易开裂特别是早期开裂，其原因是多方面的：1） 水泥质量指标的变更、混凝土强度等级的提高和外加剂的应用，砂石资源短缺引起的质量波动，是导致混凝土裂缝增多的直接材料因素；2）泵送施工技术的应用，对材料提出的高可泵性，从而要求高流动性、高砂率、高浆骨比和较小的粗集料粒径，是导致混凝土裂缝增多的间接材料因素；3）传统的混凝土浇筑方式和养护措施、超常规的施工进度要求，特别养护不及时和现场加水问题，是导致混凝土裂缝增多的施工因素；4）非荷载裂缝控制的设计基础、设计理论缺少系统研究，从而缺乏相应有效的设计措施，是导致混凝土裂缝增多的设计因素5）监理单位和质检部门对非荷载裂缝成因及控制措施的事前关注不足，特别是理解上尚存在一定差距，是导致混凝土裂缝增多的管理因素。 水泥混凝土提高比表面积，增加C3A、C3S含量 强度 强度 强度骨料工程结构研究 强度 强度甲方管理监理结构设计水泥和水用量增大混凝土流变性能下降针片状颗粒增多级配变差后期强度增长小抗化学腐蚀性下降水化热增大收缩增加 混凝土结构耐久性下降图1 各专业樊篱带来的后果示意图混凝土技术是进行结构设计的基本知识。材料是工程的基础。不同材料有不同的设计理论和方法，以及不同的施工方法。设计和施工方法必须跟随下材料的变化或更新而变化或更新。表3 新旧观念的对比旧观念新观念以强度高低作为水泥和混凝土“好”、“差”之分，认为“抗压强度高的混凝土，其他性能都好”；“早期强度高的水泥和混凝土是好的水泥和混凝土”水泥强度高限比低限更重要，抗裂性比强度更重要，最重要的是质量均匀。好的混凝土是具有满足工程特定要求的各项性能和具有最大匀质性，体积稳定而不开裂。矿物掺合料对混凝土的贡献能补偿硅酸盐水泥的劣势，如降低混凝土温升、提高抗化学腐蚀的能力、后期强度的持续增长、以及粉煤灰的抗裂性。石子越多混凝土强度越高。石子只是填充材料，只要强度高就行。骨料粒径大的混凝土强度高。砂率大（石子少）时混凝土强度会降低。 骨料强度对混凝土强度的影响随混凝土拌合物浆骨比的增大而减小。 由于界面的影响，混凝土渗透性随石子粒径增大而增大。 同样由于界面的影响，骨料总用量相同而砂率增大时，强度有所提高、渗透性减小、弹性模量下降，收缩增大。 骨料的表面组织（表面粗糙程度）影响混凝土强度的原因也与界面有关。 从骨料性质来说，影响混凝土强度的不是骨料的强度，二是骨料的形状和表面特征，对抗弯强度比对抗压强度影响大些。 鉴于混凝土的体积稳定性是混凝土质量的重要性质，则尽量减小混凝土的浆骨比就成为提高混凝土质量的重要措施。砂石含泥量的影响远不如混凝土拌合物浆骨比的影响大。 生产碎石的母岩强度基本都在80MPa以上，故不必把强度作为对骨料质量的要求（特殊混凝土除外），至少不是唯一。骨料质量重要的是粒形、颗粒剂配、吸水率、线膨胀系数等性质。其中石子的粒形甚至比级配还重要。 砂的细度模数并不说明级配，细度模数大而级配很差时，影响更大。 钢筋过于密集，致常发生钢筋无法被混凝土足够地保护，水平钢筋底部由于混凝土沉降而留下形成水隙甚至水囊,为结构服役期加速钢筋的锈蚀留下严重的隐患。 骨料质量差已成为我国混凝土质量的重要障碍。从整体论的观点分析，凡是组成良好并经适当捣固和养护的混凝土，只要内部空隙和裂缝尚未形成相互连通而直达表面的通道，则基本上是水密性的，在使用中，结构的荷载以及大气环境的影响如冷热交替、干湿循环，可使这些内部裂缝发展并传播，成为环境中侵蚀性介质侵入的通道。早期裂缝控制的意义在于，已有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。混凝土结构耐久性和裂缝的关系、裂缝产生的根本原因可从下图来分析。水灰比（水胶比）降低，水泥强度提高，混合材料活性提高，浆骨比（用水量）增加早期强度大幅度提高的要求早期弹性模量提高，徐变减小自收缩和干缩增加水化温升提高，温度收缩增加拉应力增加拉应变增加拉应力超过抗拉强度 约束早期开裂倾向增加产生可见与不可见裂缝开裂 耐久性下降大气环境作用图2 混凝土早期开裂原因整体论分析由以上分析可见，建设速度和混凝土耐久性之间的矛盾是主要的。一味的强调早强，即使早期由于采取了某种措施而有幸没有开裂，但确掩盖不了不可见的微裂缝的存在。在恶劣气候下（特别是干湿交替）会加速混凝土的劣化。事实上，许多7天达到设计强度100%的混凝土，到28天时强度基本上不再增长，甚至还有所下降（公路工程比较常见）。混凝土内部微观结构的形成和发展要准遵循一定的规律，不能拔苗助长，因此从整体论出发，混凝土结构密实，同时在早期控制混凝土内部非荷载引起的应力同等重要，否则，在密实的混凝土，一旦开裂也就成了不密实。因此，混凝土结构裂缝的控制不仅是养护的问题，而涉及设计如何减小结构中的约束和应力集中、配筋如何配合裂缝的分散和便于混凝土的浇筑等问题，材料制作如何提高混凝土抗裂性能的问题，涉及施工的也不仅是养护问题，还包括模板技术、浇筑顺序、振捣方式、温湿度的控制、拆模时间等待。最重要的是建设主管部门指导思想，主观意志要符合客观规律，才能使混凝土结构性能正常地发展。二、 混凝土质量控制要点1. 混凝土检测项目混凝土拌合物：水胶比、坍落度、坍落度损失、含气量、常压泌水率、压力泌水率、凝结时间等混凝土力学及耐久性能：抗压强度、抗折强度、静压弹性模量、抗渗、抗冻、钢筋握裹力、碳化、收缩、抗裂、电通量等2. 施工基本要求备料足够、计量准确、搅拌均匀、运输不离析、布料合理、捣固密实、养护充分混凝土施工流程：备料计量搅拌运输捣固修饰抹面养护浇注1） 材料场：场地足够大；水泥库先来先用，注意静停时间和水泥温度；砂石质量波动大，分仓，检验合格后方可使用。2） 拌合站：建站计量（砝码校验）、运行中校准3） 搅拌表4 混凝土最短搅拌时间（min）搅拌机容量（L）混凝土坍落度（mm）303070705001.51.01.05002.51.51.54） 计量偏差：砂、碎石为2胶凝材料（水泥、矿物外加剂）、外加剂、水为15） 运输：混凝土凝结时间、坍落度损失、不得随意加水混凝土罐车：24r/min，到施工现场后高速运转2030s6） 泵送布料：泵砂浆（布置在新老混凝土接茬）、最好汽车泵布料、目前主要要解决隧道二衬混凝土的布料以及高墩现浇梁高强混凝土的泵送技术问题、入模温度（炎热气候30，冬期5）表5 混凝土浇筑层厚度振捣方法浇筑层厚度（cm）插入式振动振捣器作用部分长度的1.25倍表面振动无筋或配筋稀疏的结构25配筋较密的结构15附着式振动307） 捣固：梅花型布置、快进慢出、插入式移动间距 作用半径1.5倍、埋入下层混凝土5100mm、捣棒距模板距离100mm、每点振捣时间2030s振捣充分的标志：混凝土拌合物不沉落，不出现气泡，表面呈现浮浆8） 养生：节水养护膜、塑料膜、浇水、喷养护剂、蒸汽养护（静停、升温、恒温、降温）表6 混凝土潮湿养护的最低期限混凝土类型水胶比大气潮湿（RH50），无风，无阳光直射大气干燥（RH50），有风，或阳光直射日平均气温T（）潮湿养护期限（d）日平均气温T（）潮湿养护期限（d）胶凝材料中掺有矿物外加剂0.455T10215T102810T201410T2021201020140.455T10145T102110T201010T20142072010 9）拆模：a 拆模应在混凝土强度达到2.5MPa以上，且其表面及棱角不因拆模而受损，方可拆除；b 底模应在混凝土强度符合下表规定后方可拆除。表7 拆除底模时混凝土所需达到的强度结构类型结构跨度达到混凝土设计强度的百分率（%）板、拱25028758100梁8758100悬臂梁（板）275210010） 测温：桥墩、隧道、洞口、预制梁注意测温11） 混凝土表面处治：起砂、色斑、裂缝12） 对现代高性能混凝土的评价技术要求试验项目100年60年30年抗冻300250200电通量C3020002500C30C3515002000C5010001500三、 配合比设计方法介绍假定容重法对当前混凝土的配制已不再具有普适性。用绝对体积法计算混凝土配合比时原材料密度的取值问题。砂石等散粒状材料是有微孔的材料，孔隙率都很小但却不能忽略，其所含孔隙有能吸入水的开放孔，也有水进不去的封闭孔（包括100nm以下的开放但水进不去的孔）。组成绝对密实的混凝土拌合物中，砂石所占的体积，是能充水的气孔都充水到饱和程度而无表面吸附水状态的砂石颗粒体积的总和。这种状态就是饱和面干状态，这样求得的密度就是表观密度，以区别于真密度。饱和面干状态骨料所含的水既不影响混凝土拌合物的工作性能，也不参与胶凝材料水化后的微结构的组成，但如果骨料不是面干饱和状态，当含水率低于面干的饱和含水率时，就要从拌合水中吸收水；如果含水率大于面干的饱和含水率，则会增加拌合水量，对拌合物性能和硬化混凝土性能都会产生影响。对于以绝干基试配的混凝土，目前我国在混凝土实际生产中，多采用炒干或烘干至恒重的方法求出砂的实际含水率，依此扣除拌合用水量。结果是试拌的混凝土坍落度小于预期值，又要调整配合比，造成质量控制的麻烦。当采用饱和面干基试配时，只要预先测得骨料面干的饱和含水率（其值与吸水率相等），再测出骨料实际的全部含水率，在生产中对拌合水“多退少补”即可，具有较好的质量可控性。掺用矿物掺合料的混凝土配合比的计算问题1. 等水胶比法：掺矿物掺合料后的水胶比与未掺矿物掺合料是的水胶比相同，即简单等量取代。因矿物掺合料密度小，使浆体体积变大，及浆骨比增大。由于骨料的温度变形系数比硬化水泥浆体的温度变形系数小一半多，故骨料对混凝土其稳定体积的作用，浆骨比越小，硬化混凝土收缩值越小，浆骨比增大势必会对混凝土体积稳定性有影响。此外因粉煤灰反应速率低，混凝土早期浆体水灰比增大，也就会造成早期较大的孔隙率，这也是掺粉煤灰混凝土再起碳化加速的主要原因。 而且，掺矿物掺合料混凝土的强度对水胶比和龄期更加敏感，且掺量越大，越需要减小水胶比。在龄期90天，当体积水胶比约1.7（质量水胶比约0.54）时粉煤灰的贡献小于水泥的贡献，随着水胶比的下降，水泥和粉煤灰对强度的贡献差距明显减小，龄期360天后，在任意水胶比下，粉煤灰的贡献都超过水泥（模型）。因此，掺粉煤灰时，不能采用不变的等水胶比，必须降低水胶比才能发挥粉煤灰的作用。2. 超量取代法：超量部分取代砂子，实际上，因为细度量级的差别，在功能上粉煤灰并不是砂，不可能“代砂”，仍然是胶凝材料，却因“超量”变相增加了浆体含量、减小了水胶比。超量取代法不能用的原因，还在于对水胶比界定的混乱，例如有的搅拌站在胶凝材料中不计入超量取代部分，声称掺粉煤前后水胶比不变。建议今后不再采用这种实际增加浆骨比的计算方法。3. 等水灰比法：基于对水泥认识的局限性，把水泥厂生产的混合材水泥叫做水泥，而在搅拌站生产混凝土时掺的矿物掺合料不计算在水泥中，简单地保持水灰比不变，减小水泥用量，降低水胶比，希望以此保证混凝土强度不变，但这种做法的结果往往是水胶比降得过大，实际强度会远超预期值。以粉煤灰为例，如果掺入粉煤灰后保持水灰比不变，则要降低水胶比。粉煤灰掺量越大，水胶比降低越多。表7 不同掺量粉煤灰的混凝土水胶比和水灰比的关系FA（%）w/bw/cw/bw/cw/bw/cw/bw/c00.500.500.400.400.350.350.300.30150.590.470.410.35200.630.500.440.38300.710.570.500.43400.830.670.580.50501.000.800.700.60实际上由于粉煤灰表面吸附水，自由水并不像计算的那么大，则所需的水胶比可以更大些。同时，这种方法的粉煤灰掺量是按等值量取代水泥掺入的，总胶凝材料质量不变，但体积增大，水胶比降得太低时，会影响拌合物的施工性能。这就需要增加用水量（同时按水胶比增加胶凝材料用量）不仅会增加试配工作量，还会因浆骨比增大而影响混凝土的体积稳定性。4. 等浆体体积法：矿物掺合料密度小于水泥的密度，按质量掺入时，混凝土浆体体积会增大，按等浆体设计，可有利于保持混凝土的体积稳定性不变。按等浆体体积法与按等水胶比计算不同掺量粉煤灰的混凝土配合比相比，等强度的混凝土具有更高的抗渗性。综上，鉴于当前混凝土组分的变化，进行混凝土配合比计算的假定容重法不再适用，建议改为绝对体积法；以绝干基的砂子进行设计不利于混凝土质量的过程控制，饱和面干基才符合实际的客观规律；以单粒级石子进行两级配或三级配，生产时分级投料，可得到满足施工要求的最小浆体总量，有利于工程的经济性和耐久性；当水胶比或矿物掺合料改变时，应使用等浆体体积法调整混凝土配合比，以保持混凝土稳定性。等浆体体积法配合比计算1. 确定混凝土配合比的原则1.1按具体工程提供的混凝土技术要求选择原材料和配合比1.2注重骨料级配和粒形，按最大松堆密度法优化级配骨料，但级配后孔隙率应不大于42%1.3按最小浆骨比（即最小用水量或胶凝材料总量）原则，尽量减小浆骨比，根据混凝土强度等级和最小胶凝材料总量的原则确定浆骨（体积）比，按选定的浆骨比得到1m3混凝土拌合物浆体体积和骨料体积；计算骨料体积所使用的密度应当是饱和面干状态下所测定的。1.4按施工性能要求选择砂石比，按混凝土技术要求中的混凝土目标性能确定矿物掺合料掺量和水胶比。1.5分别按绝对体积法用浆体体积计算胶凝材料总量和用水量；用骨料体积计算砂石用量，调整水胶比时，保持浆体体积不变。1.6根据工程特点和技术要求选择合适的外加剂，用高效减水剂掺量调整拌合物的施工性。1.7由于水泥接触水时就开始水化，拌合物的实际密实体积略小于各材料密度之和，则当未掺入引气剂时，可不考虑搅拌时挟入约1%的空气。2.混凝土配合比四要素的选择2.1水胶比 对有耐久性要求的混凝土，按照结构设计和施工给出的混凝土技术要求中的最低强度等级，按保证率95%确定配制强度；以最大水胶比作为初步选水胶比，再依次减小0.050.1百分点取35个水胶比试配，得出水胶比和强度的直线关系，找出上述配制强度所需要的水胶比，进行再次试配。或按无掺合料的普通混凝土强度-水灰比关系选择一个基准水灰比，掺入粉煤灰后再按等浆骨比调整水胶比。一般，有耐久性要求的中等强度等级混凝土，掺用粉煤灰超过30%时（包括水泥中已含的混合材料），水胶比宜不超过0.442.2浆骨（体积）比 在水胶比一定的情况下的用水量或胶凝材料总量，或骨料总体积用量即反映浆骨比。对于泵送混凝土，可按表8选择，或按GB/T507462008混凝土结构耐久性设计规范对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌合物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。水胶比一定时，浆骨比小的，强度会稍低、弹性模量会稍高、体积稳定性好、开裂风险低，反之则相反。表8 不同等级混凝土最大浆骨比强度等级浆体百分率（浆骨体积比）用水量（kg/m3）C35C50(不含C50)0.32（1：2）175C50C60(含C60)0.35（1：1.86）160C60以上(不含C60)0.38（1：1.63）1452.3砂石比 通常在配合比中的砂石比，以一定浆骨比（或骨料总量）下的砂率表示。对级配良好的石子，砂率的选择以石子松堆空隙率与砂的松堆空隙率乘积为0.160.2为宜。一般，泵送混凝土砂率不宜小于36%，并不宜大于45%。为此应充分重视石子的级配，以不同粒径的两级配或三级配后松堆空隙率不大于42%为宜。石子松堆空隙率越小，砂石比可越小。在水胶比和浆骨比一定的条件下，砂石比的变动主要可影响施工性和变形性质，对硬化后的强度也会有所影响（在一定范围内，砂率越小的，强度稍低，弹性模量稍大，开裂敏感性较低，拌合物粘聚性稍差，反之则相反）。2.4矿物掺合料掺量 矿物掺合料的掺量应视工程性质、环境和施工条件而选择。对于完全处于地下和水下的工程，尤其是大体积混凝土如基础底板、海底隧道底板或有表面处理的侧墙以及常年处于干燥环境（相对湿度40%以下）的构件等，当没有立即冻融作用时，矿物掺合料可以用到最大掺量（矿物掺合料占胶凝材料总量的最大掺量粉煤灰为50%，磨细矿渣为75%）；一年中环境相对湿度变化较大（冷天处在相对湿度为50%左右、夏季相对湿度70%以上）无化学腐蚀和冻融循环一般环境中的构件，对断面小、保护层厚度小、强度等级低的构件（如厚度只有1015cm的楼板），当水胶比较大时（如大于0.5），粉煤灰掺量不宜大于20%，矿渣掺量不宜大于30%（均包括水泥中已含的混合材料）。不同环境下矿物掺合料的掺量选择见GB/T50746-2008附录B和条文说明。如果采取延长湿养护时间或其他增强钢筋的混凝土保护层密实度措施，则可以超过以上限制。3 混凝土配合比选择的步骤3.1 确认混凝土结构设计中的混凝土技术要求提出的设计目标、条件及各项指标和参数：混凝土结构类型、保护层最小厚度、所处环境、设计使用年限、耐久性指标（根据所处环境）、最低强度等级、最大水胶比、胶凝材料最小和最大用量、施工季节、混凝土内部最高温度（如有要求）、骨料最大粒径、拌合物坍落度、一小时坍落度损失等。3.2 根据上述条件选择原材料3.3 确认原材料条件a水泥：品种、密度、标准稠度用水量、已含矿物掺合料品种及含量、水化热、氯离子含量、细度、凝结时间b石子：品种、饱和面干状态的表观密度、松堆密度、石子最大粒径、级配的比例和级配后的空隙率；c砂子：筛除5mm以上颗粒后的细度模数、5mm以上颗粒含量、饱和面干状态的表观密度、自然堆积密度、空隙率、来源；d矿物掺合料：品种、密度、需水量比、烧失量、细度；e外加剂：品种、浓度（对液体）、其它相关指标（如减水率、引气量、碱含量、氯离子含量、钾钠含量等）；3.4 混凝土配合比各个参数的确定a各材料符号：水泥C，矿渣F，砂S，石子G，水W，胶凝材料B，浆体P，骨料A，水胶比W/B，胶凝材料组成：水泥占胶凝材料的质量百分比C，矿渣粉占胶凝材料的质量百分比SL，粉煤灰占胶凝材料的质量百分比F密度：水泥C，矿渣SL，粉煤灰F，砂S，石子G，水W，胶凝材料B体积：水泥VC，矿渣VSL，粉煤灰VF，砂VS，石子VG，水VW，胶凝材料VB，骨料体积VA，浆体体积VP，浆骨比（体积）VP/VAb按混凝土技术要求选取最低强度等级，并按保证率大于95%计算配制强度c根据环境类别和作用等级、构件特点（例如构件尺寸、施工季节和水泥品种），确定矿物掺合料掺