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混凝土拌合物的配合比设计,深圳资讯网,szftx.com
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混凝土拌合物的配合比设计
2021年11月09日    阅读量:7333    新闻来源:深圳资讯网 szftx.com  |  投稿

人们采用了很多不同的方法,发展了若干种理论作为混凝土配合比设计的基础。我只需要提到其中的一小部分来唤醒你的记忆。我们现在的习惯是(我很遗憾地说,几乎所有人都这样做)根据经验来进行混凝土的配合比设计,比如我们使用1:2:4的拌合物,而不考虑原料的特殊类型和搅拌水的用量,也很少甚至完全不考虑所制造的混凝土的强度涂料在线coatingol.com。毫无疑问,这种方法是非常粗糙原始的,善于思考的工程师是不会采用这种方法的。

集料最大堆积密度法在一定程度上受到鼓励和得到使用。该方法的关键是对集料进行级配,使混合的集料具有最大密度,然后根据所生产的混凝土的用途确定所需要的水泥量。另一种混凝土配合比设计方法是以混合集料的空隙为基础。确定了粗集料的空隙后,用足够数量的砂子填充这些空隙,然后再用足够数量的水泥填充混合集料之间的空隙。这种方法比纯粹的经验配比法更为合理一些,但还不是建立在科学的基础上。一般情况下,用这种方法能生产出相当好的混凝土,但我们的研究和其他人的测试结果表明,混合集料的空隙不是混凝土拌合物的决定因素。


混凝土实验研究

为了给混凝土配合比设计找到正确的基础,人们进行了大量的试验工作。法国工程师R. Feret的早期工作大部分都是围绕这个问题展开的。但他的研究几乎完全集中在砂浆方面,因此很难将他的方法直接用于混凝土拌合物。

Allen Hazen在研究砂子在水过滤中的应用时,做了一些非常有趣的工作,他采用了砂子的“有效尺寸”和“均匀系数”这些概念。这对他的研究无疑发挥了作用。但很多工程师在没有明显理由的情况下将这些概念用在了混凝土集料的研究中,显然,这对混凝土集料的研究起不到任何作用,因为这些概念是建立在一种或两种筛分粒度基础上的,对于尺寸分布宽泛的混凝土集料来说,这些概念是非常不合适的。一个简单的比较能充分说明混凝土集料的尺寸区别有多大。集料中既有直径为3英寸的小鹅卵石,也有能通过100目筛的砂粒,前者的直径是后者的500倍以上。

Fuller和Thompson的工作包含了很有价值的信息。然而,我们的实验表明Mr. Fuller在他的“最大密度曲线”中给出的级配对普通混凝土拌合物而言过于粗糙,换言之,根据他所建议的级配,通常用量的水泥只能制成工作性很差的混凝土。Fuller方法的另一个推论是应该将集料分离为若干不同尺寸,然后重新组合,从而更接近所谓的最大密度曲线。我们的研究表明将集料分离为若干不同尺寸然后重新组合,往往是不必要的或者不值得的;尤其对较细的材料来说,这样做难度大,成本又高。我相信这种方法在某种程度上曾经被采用过,但是实际的困难使该方法无法获得广泛应用。

近年来其他试验者也对该问题进行了研究,比如CaptainL.N. Edwards、R.B. Young、Prof. A.N. Talbot、F.L. Roman(曾任职伊利诺斯州公路局)以及R.W. Crum(任职爱荷华州公路局)。这些人都提供了很有价值的信息,从而使我们可以从许多不同的角度来看这个问题。

我们在结构材料研究实验室从事混凝土和混凝土材料的实验研究已长达8年。这些实验是与波特兰水泥协会以及刘易斯(Lewis)研究所合作进行的。在我们开始这项工作的时候,还没有关于混凝土配合比设计的正确理论基础。因此,我们最初的研究涵盖了若干有关配合比设计的主要内容。这些研究至今还在继续。

到目前为止,有关混凝土配合比的研究共进行了大约10万次试验,这些试验工作主要在以下几个方面:

1. 试验方法的标准化;

2. 集料级配的影响;

3. 混凝土稠度的影响;

4. 水泥用量的影响;

5. 不同类型细集料和粗集料各自的优点;

6. 混凝土和砂浆试验的比较;

7. 养护条件的影响;

8. 混凝土龄期的影响;

9. 混凝土中粉末状掺合料的影响;

10. 测量混凝土塑性或工作性的方法研究;

11. 混凝土抗压强度、抗拉强度、弯曲、磨损、屈服及吸收性能的对比。


混凝土拌合物理论

混凝土拌合物配合比设计的真正问题实际上就是如何利用现有材料的特性。目前集料无法长途运输;我们也许很清楚地知道最理想的砂子和粗集料应该具有哪些特点,但我们无法获得这样的集料。换言之,我们只能使用现有的材料。经过研究,我们得出了以下这些基本原则:

1. 只要混凝土满足工作性要求,集料清洁和坚实,则混凝土拌合物的强度取决于配合料中水的用量,可以用水和水泥的体积比率来表示。

2. 不同水泥用量的效果可以通过水灰比的不同来反映。

3. 混凝土配合比设计必须以集料的筛分分析为基础。在确定混凝土工作性条件下,集料的颗粒大小和级配与所需用水量之间有着非常密切的关系。

4. 集料不一定,也不值得按照任何固定级配进行配比;集料的级配可能会在较宽的范围内变化,但不一定会影响水的用量或混凝土质量。

5. 塑性或工作性是结构用混凝土的基本要求。

就混凝土生产相关的性能而言,筛分分析表达了这种材料的生命历史,我们需要做的只是解释这些信息,从而最好地使用这种材料。

混凝土的搅拌用水主要有两个不同作用,我们有时候并没有意识到两者的区别。作用之一是为水泥的水化反应提供所需水分;作用之二是形成塑性拌合物。我不认为有人已经确定了水化反应究竟需要多少水,但我们曾经提到过,与制造混凝土必须使用的数量相比,它只是很小的一部分,很可能不到总用水量的1/4或者1/3。超过水泥水化反应所需的那部分水只是用于制成塑性拌合物,之后被蒸发。

水灰比似乎是最终决定混凝土强度和抗磨损性的因素。如果我们每袋水泥掺1立方英尺水(大约7 加仑),我们得到的水灰比为1;水掺得少一些,则水灰比小于1。通常情况下,水灰比一般为0.8或0.9,或每袋水泥掺6到6 加仑水。计算水灰比时,我们对集料所吸收的水忽略不计,但集料物理性吸附的水需考虑在内。我们在实验室进行的大量试验以及其他人的试验都表明,水灰比是研究混凝土特性的一个可靠因素。为减少混凝土浇注过程中的需水量而做出的任何努力,包括改善集料的级配、掺加更多水泥和采用不同的混凝土抹面或浇注方法—所有这些都是为了一个目的,即生产出更低水灰比的塑性混凝土。

于是得出这样一个观点:增加水泥的使用量可以解决所有劣质混凝土的问题,可是在我们的建筑规范和其他相关文献中,这一点往往被忽略。不过,如果增加水泥的同时没有降低水灰比,也就没有任何积极的意义。水灰比会随着水泥使用量、集料级配或混凝土相对稠度的变化而发生改变;但结论始终不变,即水灰比决定着混凝土的强度和其他特性。

因此,不需要,也不值得根据任何固定的级配对集料进行配比,采用级配差异大的集料也可以不影响拌和水量或者混凝土的质量。


混凝土的塑性

混凝土的塑性或工作性是一个非常重要的问题。各个方面都会受到混凝土塑性要求的制约。如果不是因为混凝土能够在塑性条件下搅拌和浇筑,我们就无法使用混凝土。我们必须掺入足够的水使混凝土具备塑性,它才可以被使用。至于如何测量或控制混凝土的塑性,这是目前最受工程师们关注的问题。他们已经提出了若干种方法,并正在进行大量的试验工作。在这些方法中,可能应用最为广泛的就是塌落度试验,因为这种方法最为简便。标准局提出了一种叫做流动试验的方法,该方法将混凝土样品放置在水平桌面上,然后在大约10秒钟的时间内将桌子抬起、落下15次,混凝土塌落扩展,混凝土扩展后的面积或直径的增加被作为衡量混凝土塑性的一个指标。

研究开发出令人满意而又实用的混凝土塑性测量方法是一件很有必要的事情。任何用于现场测量混凝土塑性的方法都不应该解释得过于严格。比方说,如果我们的规范要求混凝土的塌落度为6英寸,我们不能简单地因为某批混凝土的塌落度达到了7英寸就否定它。测试的目的是确认混凝土没有经常性地超过规范所要求的塌落度。在大多数房屋建筑中,如果你尝试进行塌落度测试,你得到的结果可能高达12英寸。我们必须防止这样的混凝土产生。我相信塌落度测试的意义就在于它使人们认识到房屋建筑中混凝土用水量控制的重要性。我知道很多人对这种控制的可行性持怀疑态度;有的人仍然怀疑过量的水是否会生产出劣质混凝土,但我要强调我非常确定这是事实。

很多时候,现场制造的混凝土的强度可能还达不到应有强度的20%~30%,也可能达不到设计强度的60%或70%。在这种情况下,我们发现劣质混凝土时一点也不需要觉得奇怪,事实上,我们的确经常遇到。


原理的应用

上述原理为我们指出了混凝土生产的一些实际特点。在生产具有所需工作性的混凝土的过程中,拌合水的用量是非常重要的。需非常小心地严格限制用水量,确保掺量最少。掺水量过多的结果和大量减少水泥用量是一样的。

还有一些方法能在筛分分析的基础上对集料进行科学配比,无需将集料筛分成许多不同尺寸的粒级。有的集料或许不符合我们传统观念的要求,但也能制造出好的混凝土。比如根据爱荷华州公路局混凝土道路规范的规定,只要滩砾卵石是清洁的,几乎任何自然的级配都可以使用,不用考虑砂子的含量会不会过高。这种方法要求砂子含量超过某一最小值后,水泥的用量要成比例增加。该规范允许使用由砂子和粗集料1:1组成的混合物或者全部使用砂子,只要水泥的含量相应提高,所生产的混凝土能达到规范要求的强度和抗磨损性即可。无独有偶,伊利诺斯州公路局也允许这种做法。堪萨斯州和内布拉斯加州的很多地方有大量砂子,但几乎没有粗集料,在那里,1:3的砂浆混合物使用效果良好。当然在不久以前,人们对这种方法可能还不以为然,但我相信其价值已得到证明,而且将来会成为一种常用的方法。

对于给定的成本或最小成本,我们的问题是要利用现有的集料得到最可能好的混凝土拌合物。


混凝土质量

关于混凝土抗压强度,已经提到过很多,我们也已接受抗压强度作为度量混凝土其他所期望的质量的指标。

混凝土强度是房屋建筑和其他建筑的一个重要因素,但混凝土的质量比强度更重要。一个建筑物暴露在温湿度变化大的气候条件下,也可能暴露于腐蚀性环境中,因此必须具备相当的抵抗力。虽然混凝土的强度的确在很大程度上反映了混凝土抵抗各种环境破坏作用的能力,但这种抵抗力不仅仅是强度的问题。我们的实验表明,就抗磨损性而言,强度的确是衡量质量的合适指标。我昨天在这里展示的实验则表明混凝土的弯曲强度和抗压强度受影响的方式并不完全相同。水含量的变化对破坏模量的影响不像对抗压强度那么大。尽管如此,我们仍然可以认为抗压强度是衡量混凝土质量的一个完全令人满意的指标。

百分比和数量表

基于我们对混凝土和混凝土集料的试验研究,我们提出了一套表格,这些表格中列出了对于给定强度混凝土的各种材料的数量和比例。联合委员会(Joint Committee)报告中给出了其中一部分表格,后来又补充了其他表格。表中给出了在通常条件下的混凝土配合比和原材料的数量。按照这些配合比和原材料数量,在正常养护条件下,能够生产出给定抗压强度混凝土。

这些表格的主要价值在于为初步试验研究选择配合比以及在基础拌合物确定后,根据材料的变化调整配合比。这些表格所提供的配合比不可能与从对材料和拌合物的初步研究中得到的以及在后续调整试验中所获得的配合比完全一样。

混凝土和混凝土材料测试标准

我想就美国材料实验学会(ASTM)的标准化工作发表一点看法。在过去一两年里,美国材料实验学会在其“标准”和“出版物”中公布了以下混凝土工程师感兴趣的新标准或暂行标准:

1. 现场制造和储存混凝土样品的标准方法;

2. 混凝土抗压试验暂定方法;

3. 路面用混凝土工作性的暂行规定;

4. 混凝土集料筛分分析暂定试验方法;

5. 混凝土用砂有机杂质暂定测试方法;

6. 从建筑物中获取硬化混凝土样品的暂定方法;

7. 混凝土集料单位重量标准测试方法;

8. 混凝土集料暂行规定;

9. 混凝土细集料空隙暂定测试方法。

如果你最近没有查阅这些标准,你会为之付出代价。以前所做的很多混凝土试验几乎没有任何意义,因为这些试验违反了正确的试验原理。由于没有正确的标准试验方法,人们往往无法对混凝土试验的结果进行合理的解释。进行混凝土试验的人应该尽可能参考和遵循混凝土试验暂定标准方法。这些标准规定了试验的细节,从而确保不同实验室和不同地区的试验结果具有一致性,这是我们以前无法做到的。

我们已经探索了近40年,现在第一次有了集料筛分分析的标准方法。在此之前,几乎每个实验室都采用不同的筛网或用不同的方法纪录筛分分析结果,于是得出的结果总有很大区别,以至于任何人都无法从其他人所做的工作中得到任何东西。将筛网和筛分试验方法标准化是非常重要的进步。


结束语

在混凝土试验和实践的改善与标准化方面,我们已在许多方面取得显著进展,所有这些进展将对混凝土工作的质量产生重要影响,并在不久的将来提高混凝土的质量水平。


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