含摻合料因素的混凝土強度公式及其應(yīng)用

　　高活性礦物摻合料已成為高強高性能混凝土必不可少的第六組分。為便于高性能混凝土的配合比設(shè)計和強度預(yù)測，發(fā)展了一個含摻合料因素的混凝土強度公式，該公式適用于摻合料品種不同、摻量不同的混凝土。摻合料強度函數(shù)不僅可以定性地而且可以定量地衡量摻合料對混凝土強度的貢獻(xiàn)，是摻合料最重要的性能指標(biāo)之一。

　　混凝土灰水比強度公式（鮑羅米公式）是混凝土工程最重要、最常用的公式。一方面，它可用于混凝土的配比設(shè)計，由目標(biāo)強度推算出主要的配比參數(shù)（W/C）；另一方面，它可用于預(yù)測，由混凝土的組成和配比，預(yù)測其28d 強度。

　　傳統(tǒng)的混凝土由水泥、精骨料、細(xì)骨料和水4 個組分所組成。鮑羅米強度公式很好地反映了這4 個組分及其比例對強度的影響，成為混凝土配比計算的一個極為有效的工具。60 年代外加劑發(fā)明并成為混凝土的第五組分后，混凝土進(jìn)入了高強與高流態(tài)的階段。這時，外加劑的因素在W/C 這個參數(shù)里完全得到反映，鮑羅米強度公式仍然適用。

　　90 年代后，隨著高強、高性能混凝土的發(fā)展，高活性摻合料迅速崛起，正逐漸成為高強、高性能混凝土的第六組分。第六組分的引入，不僅出于對經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的考慮，更重要的是，對混凝土的性能（特別是耐久性）有利。

　　混凝土第六組分的概念出現(xiàn)的時間不長。過去礦物質(zhì)摻合料（天然火山灰材料和工業(yè)副產(chǎn)品）主要出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的考慮，作為水泥混合材使用，成為水泥的組成部分。因此，在混凝土配比設(shè)計中，我國采用的強度公式一直只反映強度與水灰比以及水泥實際強度的關(guān)系，而沒有考慮摻合料的影響。事實上，第六組分對混凝土強度影響重大。在固定水灰比時，一些高活性摻合料的摻入?？商岣呋炷翉姸?0~20Mpa以上。

　　由于普通強度公式?jīng)]有體現(xiàn)摻合料的因素，所以對于摻合料品種不同、甚至摻量不同的混凝土，都必須試配出其對應(yīng)的系數(shù)不同的強度方程，因而效率低下。當(dāng)前摻加礦物質(zhì)摻合料已成為混凝土改性的重要措施之一，變換摻合料品種和摻量是商品混凝土攪拌站和預(yù)制件廠常見的工作。在這種情況下，普通強度公式對生產(chǎn)實踐很難起到應(yīng)有的指導(dǎo)作用。因而，迫切需要發(fā)展出適合含摻合料混凝土配比設(shè)計用的強度公式。

一、摻合料的強度效應(yīng)

　　摻合料可對水泥混凝土材料產(chǎn)生較大的強度效應(yīng)。為闡明這種強度效應(yīng)的根源和本質(zhì)，可用另一類外加劑作對比加以討論。眾所周知，外加劑也會對水泥混凝土產(chǎn)生強烈強度效應(yīng)，但仔細(xì)分析，這兩種強度效應(yīng)是有區(qū)別的。

　　1、外加劑是高分子量的陰離子表面活性劑，摻入水泥材料后，其陰離子吸附在水泥顆粒表面，使電位負(fù)值升高，水泥顆粒之間產(chǎn)生斥力而大大增進(jìn)系統(tǒng)的流動性。在系統(tǒng)中，外加劑只是吸附在水泥顆粒的外表或殘留在大孔和毛細(xì)孔內(nèi)，而沒有參與水化物生成

的化學(xué)反應(yīng)。由于陰離子非常大，它們也未能進(jìn)入C-S-H 的層狀孔隙。因而外加劑對水泥材料的固相本征性質(zhì)是沒有影響的。而摻合料具有火山灰性（對礦渣而言具有潛在水硬性，下同），它們會與水泥水化后產(chǎn)生的Ca（OH）2 發(fā)生火山灰化學(xué)反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物C-S-H，改變水泥漿體的組成。

　　2、外加劑對強度的影響是通過降低水灰比而間接作用的。力學(xué)性質(zhì)的提高，一般與水灰比的減小相當(dāng)。水灰比一定時，摻與不摻外加劑的水泥材料，其水化產(chǎn)物在形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)上并無變化，因而28d 的強度無明顯的不同。而摻合料參與了生成水化物的化學(xué)反應(yīng)，使硬化漿體中Ca(OH)2 的數(shù)量、粒度、結(jié)晶度、結(jié)晶取向以及C-S-H 的數(shù)量、Ca/Si、硅酸根聚合度等重要參數(shù)發(fā)生變化，改變了水泥材料固相的本征性質(zhì)。在水灰比一定時，摻合料仍強烈影響著材料的強度。

　　從以上分析可知，外加劑強度效應(yīng)的根源在于水灰比的改變，因而外加劑的因素在混凝土強度公式中不直接體現(xiàn)，強度公式中的水灰比因素即包含了外加劑對強度的影響。而摻合料主要不是通過水灰比變化來影響水泥材料強度的，它的強度效應(yīng)根源在于材料固相本征性質(zhì)的改變。因此，摻合料的因素應(yīng)直接體現(xiàn)在混凝土強度公式中。

二、含摻合料因素的灰水比強度公式

　　從水泥組成的觀點看，混凝土摻合料（M）可視作為水泥的組成部分———水泥混合材。這樣，六組分的混凝土系統(tǒng)可視作五組分的混凝土系統(tǒng)，其中水泥組分由原來的純水泥（C） 轉(zhuǎn)換為另一種水泥B（B=C+M）。在這種情形下。鮑羅米強度公式對此系統(tǒng)適用，即

fc,28=K1RB(B/W-K2) （1）

　　式中B 為B 水泥，即膠結(jié)料（C+M）用量：RB 為B 水泥，即膠結(jié)料的實際強度。

　　與普通鮑羅米強度公式相比，式(1)將結(jié)構(gòu)參數(shù)由C/W 轉(zhuǎn)換為（C+M）/W。同時，將代表漿體本征性質(zhì)的水泥實際強度RC 修正為膠結(jié)料實際強度RB。

　　RB 的確切含義值得研究。有學(xué)者設(shè)想RB 為膠結(jié)料的標(biāo)準(zhǔn)膠砂強度。

　　按國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)膠砂強度是膠砂在流動度大體固定時測得的強度。為達(dá)到同一流動度，不同膠結(jié)料的膠砂水灰比可能不同。當(dāng)摻合料為粉煤灰等對需水量影響較大的材料時，水灰比差異會很大（可達(dá)15%以上）。這時，水灰比的變化成為影響膠砂強度的重要因素?？梢娔z結(jié)料的標(biāo)準(zhǔn)膠砂強度事實上綜合了（或者說混淆了）兩個因素影響：一是摻合料火山灰活性的影響；二是水灰比變化帶來的影響。正如上面討論過的，外加劑通過水灰比變化帶來的強度效應(yīng)不應(yīng)該體現(xiàn)在強度公式一樣，摻合料通過水灰比變化帶來的強度效應(yīng)亦不應(yīng)體現(xiàn)在公式中，否則等于在強度公式中重復(fù)考慮了水灰比的因素，因此，用膠結(jié)料標(biāo)準(zhǔn)膠砂強度作RB 值是不合理的。

　　合理的RB（包括RC）應(yīng)是在某個固定的水灰比下測定的膠結(jié)料膠砂強度值。為與國標(biāo)相銜接，可定義RB（包括RC）為，由摻合料和水泥組成的膠結(jié)料在水灰比固定為0.44 時的28d 膠砂強度（按國標(biāo)測定，并可用非引氣型的外加劑將膠砂流動度調(diào)整至130±5mm）。

　　這樣，含摻合料因素的灰水比強度公式可寫成：

　　fc,28= K1RB(B/W-K2)= K1﹒(RB/Rc)﹒Rc(B/W-K2) （2）

　　式（2）中的RB/RC 具有明確的意義：RC、RB 是水泥C 在加入摻合料前后所測得的強度；RB 與RC 是在同一水灰比下（0.44）測定的結(jié)果，未受水灰比變化的影響。因此RB 與RC 之比實際上純粹地代表了摻合料火山灰活性（或潛在水硬性）引起的強度效應(yīng)。

　　當(dāng)配制混凝土的水泥品種穩(wěn)定，水灰比變化不太大時，RB/RC 主要與摻合料的品種、質(zhì)量和摻量有關(guān)。對于某一特定的摻合料，RB/RC 是摻量（P）的函數(shù)。記（P）=RB/RC，并稱之為摻合料強度效應(yīng)函數(shù)。

　　至此，含摻合料因素的灰水比強度公式為：fc,28=K1·（P）·RC（B/W-K2） （3）

　　K1、K2 為系數(shù)，主要與骨科有關(guān)，而與水泥、摻合料無關(guān)，可通過試驗由回歸分析求得。

　　對于品種質(zhì)量穩(wěn)定的水泥、骨料，K1、K2、RC 為常數(shù)，于是fc,28=（P）（a·B/W-b） (4)

　　a、b 為系數(shù)，與水泥、骨料有關(guān)，而與摻合料無關(guān)，可由試驗回歸分析求得。

　　式（3）適用于水泥品種、質(zhì)量有變換的場合，而式（4）適用于水泥品種、質(zhì)量相對穩(wěn)定的場合。

　　這里需要注意的是，（P）不是通過回歸分析求得的系數(shù)，它是通過預(yù)先實驗取得的已知函數(shù)。（P）主要與摻合料的品種、質(zhì)量、摻量有關(guān)，也與水泥品種有關(guān)。因此，公式的使用者應(yīng)根據(jù)各自摻合料和水泥的來源情況預(yù)先實驗求得（P）。當(dāng)摻合料和水泥的品種、質(zhì)量穩(wěn)定時，積累的（P）數(shù)據(jù)可以長期使用，也可以與使用同類型水泥、摻合料的其他人共享。圖1 是一攪拌站根據(jù)自己的水泥和摻合料情況積累粉煤灰的（P）數(shù)據(jù)。

　?。≒）數(shù)據(jù)最好的取得途徑則是，在摻合料成為規(guī)格化的商品之后，（P）（可按不同水泥類別分別測試）作為摻合料最重要的參數(shù)之一，由摻合料的制造供應(yīng)商提供。

三、含摻合料因素強度公式的應(yīng)用

　　本文擴(kuò)展的含摻合料因素的強度公式具有以下特點。

　　1、公式簡單，建立強度方程容易將式（4）稍作變換。即成fc,28/(P)=a·B/W-b即fc,28/(P)與結(jié)構(gòu)參數(shù)B/W 成線性關(guān)系。這種形式很容易建立強度方程。只要試配出2 組或2 組以上摻或不摻摻合料的混凝土，即可方便地求出a、b。

　　2、公式適用范圍廣、指導(dǎo)性強

　　使用普通的灰水比的強度公式，對于摻合料品種不同、摻量不同的混凝土，都必須試配出其對應(yīng)的系數(shù)不同的強度方程，效率低下，而本文擴(kuò)展的含摻合料因素的強度公式（4），系數(shù)a、b 不隨摻合料品種、摻量而改變，適用性強，可指導(dǎo)摻合料品種、摻量任意變化的混凝土的配比設(shè)計。

　　這里舉一個例子說明其應(yīng)用。

　　一攪拌站的水泥、摻合料（粉煤灰）來源及質(zhì)量穩(wěn)定，其積累的摻合料（P）數(shù)據(jù)如圖1 所示。為建立配比設(shè)計用強度方程，試配了3 組混凝土。試配數(shù)據(jù)和實測強度如表1 所示。

　　從圖1 查得5%PFA、35%PFA 時的（P） 值分別為0.96、0.83，將這些數(shù)據(jù)代入公式（4）。通過線性回歸分析可求得a=23.55、b=2.96.

　　這樣，適合該站使用的含摻合料因素的強度方程為fc,28=(P)(23.55·B/W-2.96) (5)

　　強度方程建立以后，利用（P）數(shù)據(jù)即可方便地由試配強度推算出混凝土的試配參數(shù)B/W。例如，一工程需配制試配強度為40Mpa 的混凝土，并且出于耐久性的考慮，要求粉煤灰摻量為15%，這時，從（P）圖查出粉煤灰的（8%）=0.96%，代此數(shù)據(jù)和試配強度入（5）式中，可算出試配參數(shù)W/B=0。53.

　　有了B/W 這個最重要的試配參數(shù)，再通過混凝土工作度方程以及組成方程，不難推算出混凝土六個組分的具體配合比。

　　如果（P）數(shù)據(jù)是實測數(shù)據(jù)，得到的強度方程相關(guān)系數(shù)會更高。這個例子說明，本文發(fā)展的含摻合料因素的強度公式，精度是令人滿意的。