水灰比与水胶比

商品混凝土水灰比与水胶比裂缝补偿收缩结构实体

[摘要] 本文对商品混凝土发展中的水灰比与水胶比,裂缝与补偿收缩,结构实体检验等几个焦点问题进行理论及实践的探讨,希能引起各方人士的关注,达到促进其发展之目的。

[关键词] 商品混凝土水灰比与水胶比裂缝补偿收缩结构实体

1 前言

据有关文献[ 1 ] 报道,我国商品混凝土已进入发展期(1991 年到2010 年) 。我国商品混凝土的迅猛发展既是借助于基建投资的拉动,又是借助于材料科学的进步,是混凝土外加剂和掺合料的技术进步。

商品混凝土的发展有力地促进了混凝土科学技术的进步,产生了显著的社会效益及经济效益。但在其发展与前进的道路上,由于混凝土新技术宣传与普及未能到位,有关规范、标准修订未能及时跟上,而工程界部分人士又视规范为法律,因而使其技术进步在某种程度上受到一定的约束,在处理某些质量问题时,各方认识往往不能统一,甚至争论不休,从而产生一些负面效应。为此,笔者对以下几个焦点问题提出个人浅见,希能引起各位专家、学者关注,共同为我国商品混凝土的发展作出贡献。

2 商品混凝土中的焦点问题

2．1 水灰比与水胶比

在混凝土配合比设计中,水灰比是主要设计参数之一,水灰比与配制强度的关系是配合比设计中首先要确立的基本关系。早在1918 年,美国波特兰水泥协会的D ·A阿伯拉姆斯以“混凝土混合物的设计”为题,发表了著名的水灰比定律:“在一定的工作条件下,集料的品质和配合比不变时,可塑性混凝土的强度与其它性质都是由水灰比所决定”。19 世纪20 年代以后,瑞士混凝土专家保罗米根据法国菲莱公式,把28 天混凝土抗压强度的曲线公式改为近似直线的公式([2 ] ) ,即我国至今仍然沿用的保罗米公式。

按照《普通混凝土配合比设计规程》J GJ 55 -2000 ,该公式为:

式中αa 、αb ———回归系数

fcu ·o ———配制强度(MPa)

fce ———水泥28d 抗压强度实测值(MPa)

由于材料科学的进步及我国商品混凝土的发展,普通混凝土的组成材料已经由四组份发

展到六组份,而胶凝材料也不仅仅是水泥一个品种,已经发展到粉煤灰、矿粉等多个品种。因此,在六组份配合比设计中,需要考虑如下几点:

(1) 依据水泥熟料矿物具有胶凝能力的本质与条件,粉煤灰、矿粉等矿物掺合料,同样具备结构的不稳定性,同样具有活性效应。其中粉煤灰的活性决定于活性Al2O3 及SiO2 的含量。而矿粉的活性不仅与化学成分有关,而且在很大程度上决定于成粒条件、结构等多种因素。

粉煤灰的矿相组成主要是铝硅玻璃体,玻璃体含量越多,活性越高。而矿粉的活性是潜在的,这种潜在活性的发挥,则以石灰等物料的存在为必要条件。即在Ca (OH) 2 的溶液中,会发生显著的水化作用,而且在饱和的Ca (OH) 2 溶液中反应更快。[3 ]

(2) 由于粉煤灰、矿粉在组成成份和形成过程与水泥存在一些差异,其活性低于水泥熟料矿物。因此,有学者提出粉煤灰混凝土强度的改进公式[4 ]

R28=0.49 Rc (/W-B)

式中φ———根据水泥品种、粉煤灰掺量所确定的折减系数

B ———常数

从上式可知,保罗米公式仍然可以应用,但应根据粉煤灰、矿粉等胶凝材料的活性对现行配合比设计中的公式予以修正。对于高强混凝土配合比设计,保罗米公式是否适用,尚需进一步探讨。

(3) 在掺有粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的混凝土中,由于其活性成分所产生的化学效应低于水泥,因此,如需取得相等的混凝土强度,矿物掺合料不能等量取代水泥,其水胶比不等于水灰比,且水胶比小于水灰比。其表达式为:

W/(Mc+Mf)

式中mc ———每立方米掺矿物掺合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。

mf ———每立方米混凝土中的矿物掺合料用量kg/ m3 。

C ———未掺矿物掺合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。

在用水量W 不变的条件下,mc + mf > C。

(4) 在工程实践中,水胶比的大小,不应受设计强度左右。在确保设计强度的前提下,应根据工程结构对象、耐久性要求,结合环境条件及原材料特性,有针对性地调整用水量及矿物掺合料用量,并积极降低水泥用量。

(5) 建议修改现行《普通混凝土配合比设计规程》(J GJ 55 - 2000) 中的W/ C 公式,其中

水灰比应改为水胶比,而公式中的fce 可根据矿物掺合料的活性引入一个折减系数,至于矿物掺合料的需水性可用减水剂的减水率给予调整。

2．2 裂缝与抗裂

裂缝与抗裂,在工程界已成为街谈巷议之课题,有关专著及专业刊物发表论文也不计其数。

我国著名工程结构裂缝控制专家王铁梦教授在其专著《工程结构裂缝控制》一书中指出:“工程裂缝问题是具有相当普遍性的技术难题⋯⋯如何因地制宜地把裂缝控制在无害范围之内是结构工程师的艺术。”“近代科学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明,结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特征,如对建筑物抗裂要求过严,必将付出巨大的经济代价;科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内”。[ 5 ]

王铁梦教授上述观点,应该为广大工程界、学术界所认同。但在工程实践中却出现各式各样的门派,特别在如何防裂、抗裂等问题上各出高招。笔者曾接触到一些工程,少数设计单位不论楼面、屋面、地面,将膨胀剂作为灵丹妙药,通通要求掺加。这些做法,即使UEA膨胀剂发明者之一的游宝坤教授都不得不表明态度。游教授近期在刊物上发表文章指出:膨胀剂并非“万能之药”,用于暴露在空气中的混凝土结构,如桥梁、路面、屋面等都不适用。[6 ] 而对于纤维、减缩剂等抗裂材料,游教授说:“我支持纤维混凝土的开发应用,但仅用它解决混凝土表面塑性裂缝,似乎大材小用。”对减缩剂材料,认为“价格较高,每立方混凝土成本约增加50～60 元,另外,它的实际效果尚需作出全面评估。”

混凝土由于收缩及温差等因素产生的变形裂缝,如果在设计、施工及混凝土配合比的组成材料等环节给予协调,并采取措施,笔者认为可以达到一定的效果。诸如商品混凝土,开裂频率较高的结构主要为现浇混凝土楼板、大体积混凝土及地下室墙板。为控制现浇混凝土楼板裂缝,上海市建设和管理委员会组织了设计、勘察、施工、材料、检测、监理和监督系统进行了专项调查与研究,出版了《现浇楼板的裂缝控制》一书。此书第二章、第三章、第四章分别叙述了“楼板裂缝的设计原因与控制措施”;“楼板裂缝的材料原因与控制措施”,“楼板裂缝的施工原因与控制措施”。在此书楼板裂缝研究的指导思想中指出:“以混凝土收缩引起的裂缝为例:据测试混凝土收缩值一般在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土的抗拉强度一般在2 ～3MPa , 弹性模量一般在( 2 ～4 ) ×104MPa 。由公式ε=σ/ E(式中ε:为应变值,σ:为混凝土应力,E :为混凝土弹性模量) 。可知混凝土允许变形范围在万分之一左右,而混凝土的实际收缩在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土实际收缩大于混凝土允许变形范围。因此,混凝土的裂缝是不可避免的,关键在于控制裂缝的宽度和深度。[7 ]

裂缝虽难以避免,但仍然可以防治,如果设计、施工、材料等部门互相协调,共同采取行之有效的防治措施,裂缝问题也是可以控制甚至可以避免的。例如,珠海市韵怡湾大厦地下室墙板工程,原设计墙板水平构造筋位于竖向筋内侧,经与设计单位协商,在竖向钢筋外侧增加一道钢丝网,施工中加强了保温保湿措施,在模板外侧张挂两层麻袋保温,并将拆模时间延长至七天,在模板未拆前,采取松动模板上端进行注水保湿工作。该工程墙板混凝土为C40泵送,经拆模后未发现墙板裂缝。