6_水灰比公式的讨论

水胶比公式还能用来确定现代混凝土的水胶比吗？

本文发表于《商品混凝土》2013年第3期

很高兴应《商品混凝土》杂志之邀在贵刊第三期“特别策划”栏目中谈谈混凝土配合比设计中的“水灰比定则”问题，也就是混凝土的抗压强度与所用水灰比之间的关系问题，即混凝土科研界和工程界普遍关心的水胶比公式问题。这个问题一直困扰着混凝土工程界并为此争论不休，因为区别于传统混凝土材料组成，现代混凝土组成材料中普遍使用化学外加剂尤其是高效减水剂或高性能减水剂和矿物掺和料。为了弄清楚在混凝土拌和物中掺入减水剂以后水胶比公式是否还可用来计算混凝土水胶比的问题，或者说现代混凝土配合比设计中是否还可以采用保罗米（Bolomy）水灰比公式确定水灰比的问题，本文谈一谈我个人的观点，供广大混凝土科研人员和工程技术人员参考。

一、水胶比与水灰比

水“胶”比与水“灰”比的一字之差，体现了在原材料组成方面现代混凝土区别于传统混凝土的特点，现代混凝土的胶凝材料组成中既包括了硅酸盐水泥，也包括了根据所要配制混凝土的性能合理选用的矿物掺和料，例如粉煤灰、磨细矿渣粉或者粉煤灰和磨细矿渣粉等。在这种情况下，有一个非常重要的概念就必须要高清楚了。

某技术人员做了一个试验，即在水胶比一定的前提下采用粉煤灰取代等量的水泥并保持胶凝材料用量不变，观察混凝土7天和28天龄期抗压强度随粉煤灰掺量增加的变化，其试验方案见下表。

某技术人员试验方案

这位技术人员发现，随着粉煤灰取代水泥量的增加，混凝土7天和28天的抗压强度依次降低，粉煤灰掺量越大，混凝土抗压强度降得就越多。这样的试验只进行到第4组似乎完全没有必要再接着往下进行就可以得到上述结论了，所以这就造成了目前混凝土工程界的“普遍共识”：只要掺了粉煤灰就降低混凝土的强度，掺得越多，强度越低。因此在很多工程中特别是所谓的“重点工程”中，包括工程建设方、设计方、监理方和施工方在内的参建各方均异口同声地“枪毙”粉煤灰，转而采用“纯水泥”。限于篇幅的问题，这里暂且不去讨论到底要不要掺粉煤灰以及掺多少的问题，我想讲的是出现这种认识上的偏差其原因究竟是什么？

众所周知，影响任何水泥基复合材料强度最主要的因素之一是水灰比，即混凝土中用水量与水泥用量的比值。如果在混凝土中未掺入任何矿物掺和料，那么水灰比和水胶比是一致的，假设都是0.50。为计算和说明上的方便，若以50%的矿物掺和料取代等量的水泥（这里假设是P.I型水泥）而用水量及胶凝材料总量不变，此时混凝土的水胶比看上去仍然是0.50，但影响混凝土强度最主要的因素之一的水灰比却增大了1倍，变成了1.00，事实上这是一个简单的数学问题，即便如此，混凝土强度焉有不降之理。这个事实说明三个问题：

第一，混凝土中的水灰比和水胶比完全是两回事儿，掺矿物掺和料的混凝土其水胶比在较小范围内变动均能造成其水灰比较大范围内的波动。再说得明白一点儿，掺矿物掺和料的混凝土其强度对水胶比的变化比使用纯水泥的混凝土更敏感，而且这种敏感性随着矿物掺和料掺量的增加而增大。

第二，在混凝土中掺矿物掺和料给人的印象往往是降低混凝土的强度，其原因还是认识上的问题，掺矿物掺和料的同时，必须掺入减水剂以降低混凝土的水胶比和单方用水量，即使水胶比降低了，实际上混凝土的水灰比或仍在增大。因此，凡是掺矿物掺和料的混凝土，必须同时掺入减水剂并控制用水量。

第三，现代混凝土中，凡是掺矿物掺和料的混凝土几乎均同时使用减水剂以降低水胶比确保混凝土的性能。为得到混凝土中掺矿物掺和料的胶凝材料28天的胶砂强度以取代原水灰比公式中水泥28天的胶砂强度，《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）（以下简称《规程》）中按照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）采用固定水胶比为0.50获取掺矿物掺和料的胶凝材料的强度，显然这个强度与掺减水剂降低水胶比的胶凝材料强度的实际值要低很

多，造成当将这个值代入公式5.1.1（《规程》第11页）时计算所得到的水胶比与实际水胶比相比要低得多，这种做法缺乏科学依据和大量试验数据的支持。二、关于水灰比定则

水灰比定则是瑞典混凝土专家保罗米（Bolomy）在上世纪20年代将混凝土28天抗压强度与水灰比的曲线关系式改为近似线性的公式，即混凝土28天抗压强度与灰水比的关系式。不能忘记的是得到该关系式即水灰比定则的试验条件，当时使用的是硅酸盐水泥、级配良好而清洁的河砂以及粒形匀称的石子，该式适用于混凝土拌和物坍落度30～90mm的塑性混凝土。

现代混凝土无论其组成方面还是其性能方面都与保罗米当时的试验条件和要求相去甚远，例如现代混凝土的胶凝材料并非采用单一组分的硅酸盐水泥，再如混凝土拌和物的流动性均大于90mm，还有就是减水剂的普遍使用。在这种情况下，仍要抱着保罗米水灰比公式不放，这种做法显然是幼稚的。那么，保罗米水灰比公式中混凝土28天抗压强度与灰水比的关系是不是仍然成立呢？答案是肯定的。接下来的问题是为什么用公式5.1.1计算混凝土的水胶比与实际水胶比差距甚大呢？答案是问题出在了αa和αb这两个所谓的与骨料有关的回归系数上。我们知道无论以重量计算还是以体积计算，占混凝土重量或体积一半以上的是骨料，这就意味着影响混凝土性能的因素除了胶凝材料组成、水胶比和用水量以外，骨料的品质和用量是非常重要的。然而，我国地大物博，岩石的性质与分布复杂而广泛，各地的骨料性能差异非常大，也就是说这两个与骨料有关的回归系数并非是个定值，其差异因各地骨料品质的不同而非常大。

从数学角度讲，保罗米水灰比公式是在平面直角坐标系（纵坐标为混凝土28天抗压强度，横坐标为水胶比的倒数即胶水比）第一象限内的一条直线，当αa 和αb确定后，水灰比公式所对应的直线就确定了，即是唯一的。换言之，如果采用保罗米水灰比公式（或经过改形的）计算水胶比，就意味着在全国范围内无论采用的是什么骨料、无论拟配制的混凝土的性能如何，水灰比公式所确定的直线在全国只有两条（因粗骨料品种不同，仅仅是碎石还是卵石之间的差异），这怎么可能？！保罗米水灰比公式之所以不能用于现代混凝土配合比设计中计算水胶比，除了前述原因以外，还有一个最大的问题就是这个公式赋予了αa和αb太过具体的物理含义。倒是美国硅酸盐学会（CPA）的Lyse教授提出的公式更具