關于水泥強度等級值富余系數(shù)的探討

  0.引言   

  水泥是混凝土中最主要的組成材料之一，它在很大程度上直接影響到混凝土的質量和工程的經(jīng)濟效益。在混凝土配合比設計中，水泥強度等級值富余系數(shù)的選擇十分重要。如果取值過高，必然造成水泥用量減少，容易導致混凝土強度達不到設計強度的要求，影響工程的混凝土質量；如果取值過低，也將造成材料浪費，成本增加，而且會出現(xiàn)混凝土28d強度超高的現(xiàn)象，這樣的混凝土極易開裂，影響混凝土的長期性能和耐久性能。筆者通過對水泥強度等級值富余系數(shù)的分析，在混凝土配合比中進行了對比試驗分析，結合自己多年來積累的大量水泥實測28d抗壓強度值的分析，結果證明在日常工作中采用的方法，即無實際統(tǒng)計資料時，選用水泥強度等級值富余系數(shù)1.12是不恰當?shù)?，筆者提出了應根據(jù)廠家近期提供的檢測數(shù)據(jù)，并結合試驗的3d抗壓強度值進行綜合判定，確定每種水泥強度等級值富余系數(shù)的取值，然后再進行混凝土配合比設計的方法，并應用在實際工程中，充分利用了水泥強度等級值富余系數(shù)，達到了既節(jié)約成本，又保證了混凝土質量的目的。

  1.水泥強度等級值富余系數(shù)是混凝土配合比設計的重要因素

  根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）的要求，應首先計算混凝土配制強度fcu,0,然后根據(jù)配制強度和水泥膠砂抗壓強度計算混凝土水膠比W/B。當混凝土強度等級小于C60時：

  式中：

  W/B——混凝土水膠比；

  αa、αb——回歸系數(shù)，按《規(guī)程》5.1.2條的規(guī)定取值；

  fb——膠凝材料28d膠砂抗壓強度，MPa，可按GB/T17671實測，也可按《規(guī)程》5.1.3條確定。

  fb無實測值時按式（2）計算：

  fb=γf·γs·γc·fce,g(2)

  式中：

  γf、γs——分別為粉煤灰和粒化高爐礦渣粉影響系數(shù)，按《規(guī)程》5.1.3選用；

  fce,g——水泥強度等級值，MPa；

  γc——水泥強度等級值的富余系數(shù)，可按統(tǒng)計資料確定，也可按《規(guī)程》中表5.1.4選用。

  再根據(jù)混凝土中使用的骨料最大粒徑查表得出混凝土中單位用水量mw0,然后計算混凝土中的水泥用量mc0：

  （3）

  由此可見，單位混凝土中水泥用量與水膠比有關，而水膠比又與混凝土配制強度fcu,0和水泥28d膠砂抗壓強度有關，水泥28d膠砂抗壓強度的計算主要取決于水泥強度等級值的富余系數(shù)γc。

  2.水泥強度等級值的富余系數(shù)γc的分析

  2.1從水泥試驗評定的角度分析

  當水泥進場必須經(jīng)過材料檢測時，水泥強度等級的評定是以水泥3d和28d齡期的抗折和抗壓強度作為依據(jù)的，檢測結果可分為兩種情況：一是水泥3d和28d齡期的抗折和抗壓強度超過委托強度等級所對應的強度標準值時，應按委托方委托的強度等級來評定。二是水泥的3d和28d齡期的抗折和抗壓強度低于委托的強度等級所對應的強度標準值時，比如    P·O52.5水泥不能達到標準要求，但能達到P·O42.5水泥的標準，則可降低一個強度等級來使用。由此可見，無論是以上面哪種方式應用于施工生產(chǎn)中時，水泥實測強度均高于技術要求的水泥強度等級，即水泥強度得到了提高，即γc≥1.0。

  2.2從水泥生產(chǎn)的質量來分析

  我國水泥生產(chǎn)廠家很多，質量參差不齊，不同地區(qū)生產(chǎn)的同標號水泥強度波動較大。國有大型企業(yè)技術力量雄厚，設備先進，檢測手段齊全，生產(chǎn)的水泥質量既好又穩(wěn)定；而一些小型水泥企業(yè)和粉磨站生產(chǎn)的水泥往往質量不穩(wěn)定，為了降低成本，水泥28d強度值接近于強度標準值。歷年水泥統(tǒng)計資料表明：P·S32.5水泥中，γc最小的是1.00，最大的是1.94；P·O42.5水泥中，γc最小的是1.00，最大的是1.43。這就給檢測部門的配合比設計和施工單位的安全使用帶來了一定困難，因此造成的材料浪費和混凝土28d強度不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。以工程中常用的強度等級值32.5水泥為例，在配合比設計中，按《規(guī)程》規(guī)定當缺乏實際統(tǒng)計資料時，按表取值γc=1.12，用此計算混凝土配合比時，水泥28d實測強度值高的水泥就會造成材料的浪費，而對于水泥28d實測強度值低的水泥，混凝土28d標養(yǎng)強度就有可能無法達到配制強度的要求，進而有可能導致在施工現(xiàn)場，由于測量誤差和人為因素等原因，造成混凝土28d強度值和同條件試塊無法達到設計要求，嚴重影響工程質量。   2.3對混凝土中水泥用量、混凝土強度和經(jīng)濟效益的影響   

  例如配制C20混凝土，使用P·S32.5水泥，采用中砂，5～25mm碎石，坍落度要求70～90mm，配制強度為fcu,0=26.6MPa，選用水量為175kg/m3,則在混凝土配合比設計計算中，不使用水泥強度等級值的富余系數(shù)時，即γc=1.00：

  fb=γc﹒fce,g=1.00×32.5=32.5MPa

  W/B=0.57

  mc0=175/0.57=307kg/m3

  按《規(guī)程》中規(guī)定無統(tǒng)計資料時，水泥強度等級值的富余系數(shù)按表取，即γc=1.12：

  fb=γc﹒fce,g=1.12×32.5=36.4MPa

  W/B=0.63

  mc0=175/0.63=278kg/m3

  使用與不使用水泥強度等級值的富余系數(shù)相比，水膠比增加0.06，水泥用量減少9.4%。水泥用量不同，使混凝土的強度也受到了影響，如表1所示。

  表1 使用水泥強度等級值富余系數(shù)與否的對比

  從表1看出，使用γc值比不使用γc，混凝土強度減少8.1%，但均達到了配制強度；水泥用量減少29kg/m3。從經(jīng)濟效益角度看，若小型工程，水泥用量的影響可能不大，但對于大型混凝土工程來說，經(jīng)濟效益將很可觀。

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  3.水泥強度等級值的富余系數(shù)γc的取值

  《規(guī)程》中規(guī)定，水泥強度等級值的富余系數(shù)，可按實際統(tǒng)計資料確定，當缺乏實際統(tǒng)計資料時，可按表選用。在實際施工工程中應用最多的水泥強度等級值是32.5，在《規(guī)程》表5.1.4中，水泥強度等級值是32.5的富余系數(shù)是1.12，我們在實際配制混凝土時，由于各工地水泥品種繁多，不固定，而對各種水泥均缺乏實際統(tǒng)計資料，因此在實際配制時均采用規(guī)范中提供的γc，但筆者在多年來積累的大量水泥實測28d抗壓強度值中發(fā)現(xiàn)，用γc=1.12來計算配合比是不恰當?shù)摹·S32.5和P·O42.5水泥28d抗壓強度值統(tǒng)計匯總如表2所示。

  表2 28d抗壓強度等級值的富余系數(shù)統(tǒng)計

  注：括號中數(shù)據(jù)為該富余系數(shù)的樣品占總樣品的百分比。

  從表2中可以看出，目前水泥質量整體水平較高，P·S32.5水泥中，γc＞1.12的水泥占63.1%，1.0≤γc＜1.12的水泥占23.4%；P·O42.5水泥中，γc＞1.12的水泥占67.2%，1.0≤γc＜1.12的水泥占15.5%；選取γc=1.12所占的比例是極小一部分，大多數(shù)水泥在使用過程中γc值的選取可以大于1.12，以便達到滿足技術要求的前提下節(jié)約水泥、降低成本的目的，所以筆者認為使用γc=1.12是不恰當?shù)?，應根?jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取γc值。在具體操作上筆者建議根據(jù)廠家近期提供的檢測數(shù)據(jù)，并結合我們自己水泥試驗的3d抗壓強度值進行綜合判定，確定每種水泥γc的取值，這樣再進行混凝土配合比設計，就可以在混凝土中更加經(jīng)濟合理地使用水泥了。

  4.工程實例

  筆者在幾年的工作實踐中使用了這種方法，應用效果較好。試舉其中門頭溝棚戶區(qū)改造石泉磚廠AB地塊安置房工程項目為例，該工程采用唐山豐潤京豐水泥廠生產(chǎn)的P·S·A32.5水泥，砂Mx=2.6，碎石粒徑5～25mm，坍落度要求60～80mm，混凝土設計強度等級為C25。筆者根據(jù)水泥出廠檢測報告，并收集唐山豐潤水泥廠近期的水泥檢測結果共7組，見表3。

  表3 唐山豐潤水泥廠水泥檢測結果

  從表3中看出，γc=1.37，又結合本實驗室對送檢水泥所做的試驗，3d抗壓強度結果為20.4MPa，根據(jù)以往水泥試驗結果統(tǒng)計，3d強度能達到28d的40%～50%之間，據(jù)此推定水泥28d抗壓強度大約在40.8～51MPa之間，即γc值在1.26～1.57之間，因此確定了γc的取值為1.35，并進行了配合比設計：

  混凝土配制強度fcu,0=33.2MPa

  當γc=1.35時，fb=γc﹒fce,g=1.35×32.5=43.88MPa

  W/B=0.61

  mw0=172kg/m3

  mc0=172/0.61=282kg/m3

  當γc=1.12時，fb=γc﹒fce,g=1.12×32.5=36.4MPa

  mw0=172kg/m3

  W/B=0.52

  mc0=172/0.52=331kg/m3

  試驗結果見表4。

  表4 采用不同水泥強度等級值富余系數(shù)的對比

  本實驗室送檢水泥的28d抗壓強度結果是45.3MPa，水泥強度等級值富余系數(shù)γc=1.39。工地施工過程中留置的標養(yǎng)28d試塊強度共計12組，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。

  表5 混凝土28d標養(yǎng)試塊抗壓強度

  從表5可以看出，工地施工過程中留置的標養(yǎng)28d試塊強度均達到了設計強度等級C25的強度要求。

  工程實踐證明，根據(jù)實際統(tǒng)計資料利用水泥強度等級值的富余系數(shù)比無統(tǒng)計資料按標準選取水泥強度等級值的富余系數(shù)，混凝土水泥用量減少了 49kg/m3，而且混凝土強度超高現(xiàn)象得到了改善，達到了既保證質量又節(jié)約成本的目的。

  5.結論

  1）水泥強度等級值的富余系數(shù)的取值嚴重影響混凝土配合比設計。

  2）應用在工程中的水泥實測強度均高于水泥的強度等級值，即γc≥1.0。

  3）水泥質量參差不齊，水泥強度等級值的富余系數(shù)波動范圍較大。

  4）根據(jù)混凝土對比試驗，使用γc比不使用γc，混凝土中水泥用量減少29kg/m3，但強度均達到了設計要求。

  5）歷年統(tǒng)計資料表明，水泥強度等級值富余系數(shù)取1.12是不恰當?shù)模瑧鶕?jù)近期實測資料和進場水泥試驗3d抗壓強度進行綜合判定，來確定每種水泥γc的取值，在保證技術要求的情況下，充分利用水泥強度等級值富余系數(shù)，以達到在混凝土中更加經(jīng)濟合理地使用水泥的目的。