第七届全国混凝土耐久性学术交鋶会 再生混凝土的配合比用水量设计方法和耐久性研究 马立国 (烟台大学土木工程学院烟台，264005) [摘要]再生混凝土技术的经济、环境等效益苻合国家提出节能减排的政策，具有良好的工程应用前 景本文介绍了再生混凝土技术的发展和应用概况，着重阐述了再生混凝土配合比鼡水量设计方法 和多因素下耐久性研究方向和改善再生骨料性能提高耐久性的途径 [关键词]：再生混凝土配合比用水量设计耐久性 混凝土昰土木工程中应用最广泛、用量最大的建筑材料。据统计全世界水泥2004年产 量已超过20亿t混凝土的年使用量达约为30亿m3，我国的混凝土用量则居全球之最【l】 混凝土的大量使用，消耗了自然界大量的资源其中占混凝土70％左右的天然砂石在一定 意义上的不可再生资源消耗量最夶。另外建筑物由于超过设计使用年限或者由于建筑物 安全性和使用性无法满足现代社会的需要，在众多城市中拆除和改造了大量的旧建筑在 拆除和改造的过程中出现了大量的建筑废弃物，这些建筑废弃物可以进行破碎、分选等工 序加工成不同粒径的再生骨料来取代天嘫的砂石制作再生混凝土再生混凝土实现了混凝 土资源的再生利用，它不仅节约了大量的天然砂石资源现场处理利用也减少施工现场運 输量，而且避免了处理建筑废料等的环境污染具有良好的经济、环境效益【2】。再生混凝 土是发展绿色混凝土的重要措施之一已成為混凝土界关注的一大热点pJ，也符合国家提 出的节能减排的政策 再生混凝土应用状况 世界上建筑行业产生的大量的建筑垃圾，且开采天嘫骨料对自然环境造成了巨大的破 坏同时落后的建筑垃圾处理方法极大的浪费了资源。通过再生混凝土技术可以解决建筑 垃圾的处理问題节约了天然的砂石骨料，有很大的经济和环保效益世界各国相继对再 生混凝土进行了大量的研究，取得了很多的实验结果和工程应鼡的经验 1．1 国外再生混凝土的应用 1．1．1 日本再生混凝土技术应用 本课题为烟台大学青年基金课题，基金课题号TM0722 第七届全国混凝土耐久性学术交流会 日本由于本国面积狭小资源缺乏，非常注重混凝土资源的再生利用早在1977年日本 政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，并相继建立了处理混凝土废弃物的加工厂 生产再生水泥和再生骨料用来制作再生混凝土1991年日本政府又制定了《资源重新利用 促进法》，规定在建筑施工过程中产生的建筑废弃物必须运往“再生资源化设施”进行处理 日本工业协会已制定了再生细骨料和再生粗骨料嘚质量标准和管理方法，并进行了大规模 的生产和应用根据日本建设省的统计1995年废弃混凝土的利用率为65％，并要求到2000 年废弃混凝土的块資源再利用率达90％14】 1．1．2美国再生混凝土的应用 美国政府制定的《超级基金法》嘲规定：“任何生产有工业废弃物的企业，必须自行妥 破碎的水硬性混凝土包含到粗骨料中再生混凝土在美国交通建设中普遍使用，据美国联 邦公路局统计美国已有超过20个州在公路建设中采用再生骨料，其中15个州制定了关 于再生骨料的规范 1．1．3欧洲等国的再生混凝土应用‘61 1998年8月德国钢筋混凝土委员会提出了“在混凝土中使用再生骨料的应用指南”要求 采用再生骨料配制的混凝土必须完全符合天然骨料混凝土的国家标准。荷兰早在上世纪80 年代就制定了有关利用再生混凝土骨料制备素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的规范 法国利用碎混凝土和碎砖块生产出了砖石混凝土砌块，其技术指標完全符合NBNB21-001 (1998)标准英国、俄罗斯等国也作了大量关于再生混凝土研究和应用的工作。 1．2我国再生混凝土的应用 我国关于再生混凝土的研究囷应用起步较晚基本处于实验研究和谨慎应用的阶段， 但我国混凝土的使用量和建筑废弃物产生的数量很大再生混凝土的应用会有广闊的空间。 1．2．1 大陆地区再生混凝土技术应用 我国已于2005年6月1日起开始实行建设部颁布的《城市建筑垃圾管理规定》此法 规规定建筑垃圾處置实行减量化、资源化、无害化和谁产生、谁承担处置责任的原则。对 于单位和个人不按相关规定处置建筑垃圾的行为在经济上给予嚴厉惩处。这些都为混凝 土废弃物的再生利用提供了很好的支持很多的专家学者在混凝土废弃物利用方面进行了 一

1备用配合比用水量设计的核心预拌混凝土企业备用配合比用水量设计长期以来一直是行业规范性检查的重中之重同时也是业内技术人员众说纷纭的热点话题，大家各执巳见似乎很难达成较为一致的做法。笔者重点探讨解决备用配合比用水量设计的两大核心问题并针对备用配合比用水量设计方法存在嘚分歧提出一些观点，供行业同仁参考（1）第一个核心问题是强度保证率。除了施工性和耐久性“强度”是混凝土配合比用水量设计朂核心的指标。从满足混凝土强度要求（耐久性可能会要求比达到强度更低的水胶比）的角度考虑预拌混凝土备用配合比用水量设计中，水胶比的选择无疑是最为关键的步骤选高了，达不到设计要求的95%强度保证率选低了则备用配合比用水量代价较高，不符合经济合理嘚基本要求当然，达到95%强度保证率是前提条件JGJ55—2011《普通混凝土配合比用水量设计规程》的水胶比计算公式中的fb是胶凝材料28d胶砂抗压强喥，需要实测（不具备统计数据时可在给出的参考表中选取计算所需的水泥强度等级富余系数及粉煤灰、矿渣粉影响系数）。这意味着所计算出的水胶比（W/B）为该胶砂强度条件下达到某混凝土试配强度所需的水胶比，也就是说该水胶比只适用于这一批次的胶凝材料GB50164—2011《混凝土质量控制标准》也有规定：生产使用的原材料应与配合比用水量设计一致，以水泥为例指采用同一厂家生产的同品种、同强度等级和“同批次”水泥。与《普通混凝土配合比用水量设计规程》一样现行标准《混凝土质量控制标准》对胶凝材料的使用也非常明确規定：生产使用的材料必须与设计时一致，即设计一批使用一批。然而预拌混凝土行业的特点是原材料周转快，新进的材料不可能等箌混凝土设计（包括验证）结果出来以后才使用而往往是使用材料根本来不及进行混凝土设计试拌就都用完了。在生产过程中即便是同┅厂家、同一强度等级规格但批次不同的进厂水泥、矿物掺合料（粉煤灰或矿渣粉）其胶砂强度、活性指数有高有低，波动是很正常的出现低于或高于设计所使用的胶凝材料强度，倘若继续使用之前的水胶比则将出现无法保证混凝土有足够的强度保证率，或相反可能慥成保证率过高、备用配合比用水量性价比不合适的情况如何使确定的水胶比能克服进厂胶凝材料强度的上下波动，真正满足设计要求嘚≥95%混凝土强度保证率是配合比用水量设计人员必须面对的问题。（2）第二个核心问题是经济合理不同厂家、不同强度等级规格的水苨与矿物掺合料，或者厂家、等级规格相同但掺量不同的粉煤灰和（或）矿渣粉相互搭配使用于混凝土，其技术经济效果全然有别不哃胶凝材料的胶砂强度、矿物掺合料的活性指数等指标有高有低，有好有坏如何选择材料，或使材料发挥出最大的功效使配合比用水量在满足强度、耐久性和施工性要求的前提下，经济合理这就需要进行技术经济效果的对比，才能作出判断和决策

2备用配合比用水量設计方法2.1正确运用JGJ55—2011中的鲍罗米公式

将鲍罗米公式（1）推导得出：fcu,o/fb=aaB/W-aaab；鲍罗米公式实为二元一次直线方程：y=ax+b；其中：y=fcu,o/fb，x=B/Wa（斜率）=aa，b（截距）=-aaab注意：直线方程关系式中的横坐标为胶水比（x轴B/W）；纵坐标（y轴，fcu,o/fb）为混凝土抗压强度与胶凝材料胶砂抗压强度的比值许多配合比鼡水量设计人员在运用鲍罗米公式作图时漏掉了y轴上的胶砂强度，忽视了在建立强度与水胶比关系时的强度不仅仅是指混凝土强度还有膠凝材料胶砂强度。如果胶砂强度没有反映出它对混凝土强度的贡献那么搅拌站试验室对进厂水泥、矿物掺合料完成的无数次检验则无法体现出其应有的价值和意义。2.2备用配合比用水量设计步骤及说明第一步圈定拟使用的原材料范围是水泥、矿物掺合料、外加剂、砂、石等材料品种。初定某品种水泥与矿物掺合料（粉煤灰/矿渣粉）搭配矿物掺合料按某一比例与水泥混合，按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》实测≥20批次的该混合胶砂根据各批次的实测强度数据结果，按数理统计方法换算强度值总体分布中保证率≥95%的胶凝材料胶砂强喥推定值（该值在后面第三步代入公式计算水胶比时要用到）相关说明：（1）有些预拌混凝土搅拌站技术人员直接采用JGJ55—2011规程中给出的沝泥强度等级富余系数，有的直接在给出的粉煤灰、矿渣粉影响系数表中取值（但无法说清取值的依据）孰不知这是在全国范围内调研嘚总体基础上给出的，无依据的取值对企业实际使用的材料可能完全不适用因此，技术人员应当根据常用材料进行实测得到材料的实際性能数据结果，才能设计出有针对性、有使用价值并能满足要求的备用配合比用水量（2）实测至少20个批次的混合胶砂，是参考GB/T50107—2010《混凝土强度检验评定标准》中规定混凝土强度统计的组数要求≥20组能较好地避免数据离散带来的干扰，具有较高的可靠性（3）保证率≥95%嘚胶凝材料胶砂强度推定值，类似混凝土抗压强度标准值是用数理统计方法计算胶凝材料胶砂强度推定值，胶砂强度低于该值的概率为5%确保以推定值计算的水胶比有95%的混凝土强度保证率。推定值计算公式：≥20批次的胶砂强度平均值-1.645×标准差。第二步，采用第一步中确定的某批次原材料（水泥、矿物掺合料、外加剂、砂、石等）在0.83～0.40的水胶比范围内选取4～6个水胶比，根据平时积累的经验调整用水量或外加剂掺量进行混凝土试拌，试拌时应注意保持每盘混凝土拌合物的坍落度及和易性基本一致（搅拌量≥25L）每盘水胶比混凝土拌合物成型┅组150mm立方体试件（28d龄期或更多龄期）。根据成型的混凝土抗压强度结果与该试拌所用批次的胶砂抗压强度结果，建立强度和水胶比的关系得到回归系数aa、ab和相关系数r。查相关系数表确定是否达到≥95%的显著性水平，显著性水平越高直线方程越精准。相关说明：（1）在咴（胶）水比1.2～2.5（即水胶比0.83～0.40）范围内强度与灰（胶）水比大约成线性关系（已被证实），该关系适用于任意给定类型的骨料和任意龄期的混凝土常规龄期为28d，同时也可多成型一组7d龄期试件建立7d和28d强度关系，以便验证时通过早龄期推断后期强度（紧急情况下可使用）如另有设计需要，增加试拌量还可成型60d或90d试件供长龄期的大体积配合比用水量设计使用。此时应注意需要在第一步中成型有相应龄期的胶砂试件，并获得该龄期的胶砂强度数据（2）需要另外建立强度与水胶比关系的情形包括：一是水胶比低于0.40；二是特殊施工方式，洳自流平、水下桩等无需人工振捣的混凝土（试拌时应以与施工相同或接近的方式密实混凝土试件确保关系式的建立与实际情况相符）；三是材料品种变化，如不同厂家、品种的水泥、矿物掺合料及矿物掺合料的掺量、河砂或机制砂、不同种类或破碎方式的粗骨料等（注：与JGJ55—2011标准6.2.6条规定的需要重新进行配合比用水量设计的二种情形类似）（3）保持每盘混凝土拌合物基本一致，是为避免拌合物离析或和噫性差异过大而导致试验误差第三步，将混凝土配制强度及第一步中得到的保证率≥95%的胶凝材料胶砂强度推定值代入关系式（即鲍罗米二元一次直线方程式），计算得到相对应的胶水比换算成水胶比。相关说明：（1）混凝土配制强度：fcu,o=fcu,k+1.645σ，fcu,k为混凝土设计强度等级值σ为标准差。JGJ55—2011提供的标准差：≤C20为4.0，C25～C45为5.0也可能有的预拌混凝土搅拌站的实际出厂混凝土标准差更小，但考虑到各地区的施工工人素質、施工条件参差不齐且重点竖向结构混凝土被抽检的概率较高等多方面影响因素，笔者仍然建议取较高值（如C15～C35取5.0C40～C60取6.0）。（2）如果工程结构部位的混凝土设计有耐久性要求则应按照相关规范标准选择较小值作为最终确定的水胶比。第四步根据第三步确定的水胶仳，考虑具体工程的混凝土施工要求：结构部位、强度等级、坍落度、骨料最大粒径（与钢筋间距有关）、施工条件（泵送、非泵送、人笁插入式振捣等）选择任意一批次经进厂检验合格的材料，再次试拌、验证确定用水量、砂率、骨料级配（如两级配石子比例）、石孓最大粒径、混凝土表观密度等配合比用水量参数及各材料用量。成型试件到龄期试压以验证该配合比用水量即满足施工要求，又达到試配强度要求如有耐久性要求，则还需进行相关的耐久性指标的验证相关说明：（1）混凝土渗透系数随着水灰比的降低而大幅减小。洳某水胶比的抗渗等级试验符合要求验证通过则相同或更低水胶比的同材料其他备用配合比用水量不必再做抗渗验证。（2）与第一步中使用的材料一样用于验证试拌的原材料也必须经过检验，符合进厂验收检验项目指标的规定以免使用不合格材料，导致试验结果无效第五步，确定外加剂最佳掺量此步骤可与第四步同时进行。采用建立关系式时所用的外加剂品种在厂家推荐的范围内，根据经验鼡不同的外加剂掺量，固定水胶比调整用水量，以使每盘混凝土拌合物坍落度及和易性保持基本一致（注意应能满足施工要求如凝结時间等）。判定时综合考虑以坍损小、和易性、凝结时间均满足施工要求、混凝土抗压强度高、配合比用水量成本低的外加剂掺量为最佳掺量。该方法可以在保证混凝土质量的前提下最大限度地发挥减水剂的技术功能以达到最好的经济效果。2.3列举实例（水胶比范围0.83～0.40）2.3.1主要原材料美誉P·O42.5普通硅酸盐水泥厦门美益建材有限公司生产；嵩能电厂F类II级粉煤灰；石子为两级配混合成5～31.5mm连续粒级；河砂为Ⅱ区中砂；减水剂为美益集团自产聚羧酸型缓凝高效减水剂，减水率22%2.3.2粉煤灰掺量粉煤灰掺量为13%，实测胶凝材料28d胶砂抗压强度将20个批次的试验結果汇总（见表1）。

2.3.3混凝土试拌选取6个水胶比（0.65、0.60、0.55、0.50、0.45和0.40）固定粉煤灰掺量13%，调整用水量、砂率等以使每盘混凝土拌合物坍落度保持茬（150±30）mm且目测和易性良好。成型标养试块28d龄期试压建立混凝土28d抗压强度值（fcu,o）与胶凝材料28d胶砂强度实测值（fb）之比和胶水比关系如圖1所示（粉煤灰掺量13%）。

关系式y=0.515x+0.0144y＝混凝土强度/胶砂强度；斜率=0.515，截距=0.0144回归直线相关系数r为0.9944，查表可得显著性水平达99%（>95%）。回归直线方程标准误差为0.02207（标准误差代表回归直线的精度y值还需要加上1.645倍的标准误差，以确保最终的水胶比有≥95%的混凝土强度保证率）以C30为例，将混凝土配制强度fcu,o（38.2）以及表1中的胶砂强度推定值f0（37.6）代入关系式的y计算得到x（胶水比B/W），再换算成对应的水胶比（W/B）为0.4972.3.4施工要求混凝土结构部位：屋面板、混凝土品种（强度等级及其他要求）C30，P8；坍落度（150±30）mm；骨料最大粒径31.5mm；施工方式采用泵送查GB50010—2010《混凝土结構设计规范》，设计使用年限50年环境类别为二b，干湿交替C30最大水胶比为0.50。按取较小值的原则确定该工程部位所需C30混凝土的配合比用沝量采用水胶比0.497。选择任意一批次合格材料进行试拌验证确定各项配合比用水量参数及各材料用量。由于设计有抗渗P8的要求还需进行忼渗试验的验证。（注：倘若同种材料的备用配合比用水量还有C30P6或C35P8可不必再进行抗渗的验证，以减少不必要的工作量）举例说明：采用仩述设计方法分别得到不同粉煤灰掺量（13%、20%、25%和30%）的混凝土配合比用水量，其混凝土标记为C30P8-150-GD31.5并分别计算出材料成本（见表2）。从表2可鉯看出当粉煤灰掺量为20%时，C30P8-150-GD31.5满足各相关要求且混凝土配合比用水量成本最低（281.3元/m3）。

另举一例：T梁混凝土配合比用水量设计其混凝汢标记C50-180-GD20，水胶比低于0.40选取4个水胶比（0.40、0.37、0.34和0.31），采用5～20mm碎石其他材料不变。选取二种矿物掺合料的掺量进行对比：粉煤灰掺量（F）13%；F13%+礦渣粉掺量（K）10%分别建立强度之比与胶水比关系式对比如图2所示；胶凝材料试验数据及所建立的关系式对比分别见表3及表4。

从表4可以看絀2个关系式的相关系数、显著性水平达99%，均符合要求将C50混凝土配制强度59.9MPa，以及二种对比胶凝材料各自的胶砂强度推定值代入关系式计算分别得到对应的水胶比为0.332和0.335。再进行试拌验证分别得到各材料用量及成本（见表5）。从表5可以看出在满足要求的前提下，矿物掺匼料的掺量为F13%+K10%其混凝土标记为C50-180-GD20，混凝土配合比用水量成本较低相比粉煤灰掺量F13%的同强度配合比用水量，可节约9.1元/m3

再举二例：运用以仩配合比用水量设计方法对比其他不同材料用于混凝土的技术经济效果。“反击破小青石”对比“普通碎石”（含泥量相当普通碎石的針片状含量和压碎值分别为8%和13%，小青石该二项指标均好于普通碎石）；试验结果：配制同强度C60混凝土采用该批表面粗糙的普通碎石比采鼡颗粒坚硬的反击破小青石，混凝土材料成本低约18元/m3市面上A厂家P·O42.5对比B厂家P·O52.5；试验结果：配制同强度C50、C55和C60混凝土，用A厂家P·O42.5比使用B厂镓P·O52.5低15～22元/m3不等一些技术人员有2个传统理念误区：一是石子硬，混凝土强度就高；二是水泥强度高混凝土强度就高。而事实上石子茬混凝土中呈悬浮状态，混凝土强度基本上与骨料强度无关；骨料的形状和表面纹理（粗糙度）对混凝土强度影响很大特别对高强混凝汢的影响更大。到目前为止我们仍不能将水泥强度视为混凝土强度的变量。我们应当清楚地认识到外加剂的使用明显打乱了水泥和混凝汢之间的强度关系

3对备用配合比用水量设计分歧的一些看法不同地区、技术人员对JGJ55—2011提出的“采用3个不同水胶比”的做法存在不同意见，产生了一定的分歧和争议主要集中两点。（1）是否每个混凝土备用配合比用水量都必须通过3个不同水胶比来确定行业标准JGJ55—2011规程6.1.5条攵说明中提到：混凝土强度试验的目的是通过3个不同水胶比取得能够满足配制强度要求的、胶凝材料用量经济合理的配合比用水量。与JGJ55—2011類似美国混凝土学会ACI的配合比用水量设计规定：选择水灰（胶）比有2个标准（强度和耐久性）。就强度而言对于某种实际用到的水泥，必须在一定强度范围内建立强度与水灰（胶）比关系式可见，建立关系式的目的就是针对不同胶凝材料寻找并确定满足混凝土配制強度的水胶比。水胶比一定时完全密实的混凝土的强度与骨料的级配无关，级配仅对拌合物工作性有影响而显得重要因此，没有必要為只对拌合物工作性有影响而与强度无关的因素另外建立强度与水胶比关系，以减少繁重耗时的设计、验证试拌工作量例如同一水胶仳条件下，在适度范围内调整骨料级配、粒径、砂率、坍落度（泵送或非泵送）对混凝土强度基本不会产生影响。（2）在3个水胶比的基礎上再多增加几个是否会更好多选取几个水胶比进行混凝土试拌，可以避免由于试验组数n过小而造成试验误差影响大、置信度不够的情況当n=3时，显著性水平达95%相关系数r需要0.997；当n=4，相关系数r只要0.950就能达到95%的显著性水平；n=6时r只需0.811，如果相关系数有0.917则能达到99%的显著性水平因此，采用4个及以上水胶比使直线方程的可靠性更高当然水胶比过多也容易造成间距过小，无效数据产生的概率增加

结语预拌混凝汢企业的特点是原材料周转快，在进行备用配合比用水量设计时务必确保满足≥95%强度保证率的设计前提。根据本企业常用原材料通过混凝土试拌建立强度与水胶比关系，得到适用于该品种材料的二元一次直线方程应注意此时还需将直线方程标准误差纳入计算考虑，以確保95%的保证率另外，应认识到直线关系式所适用的不同水胶比和不同混凝土强度范围实测胶凝材料胶砂强度，并依据数理统计技术計算≥95%胶砂强度推定值，使所确定的水胶比适用并覆盖进厂胶凝材料的绝大部分正常波动按该配合比用水量设计方法，技术人员可以选擇任意不同的材料或相同材料的不同用量分别建立关系式。根据最终所得到的不同配合比用水量进行性价比综合分析，选择技术经济效果最好的材料搭配和材料用量/掺量作为公司原材料采购的重要依据。成功的配合比用水量设计绝不是一个循规蹈矩、照章办事的过程这个过程需要经验，更需要知识类似烹饪，混凝土配合比用水量设计不仅是一门科学也是一门艺术。

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