熊家清　苏永华++张敏++万建新

摘 要：普通混凝土配比设计规程中，胶凝材料用量为水胶比公式间接求解，计算出的胶凝材料用量，常有的不在合适经济质量区间。文中创建的胶强公式，以直接求解方式计算胶凝材料用量，客观的反映了混凝土强度与胶凝材料强度的量化关系。胶强公式的应用，有益于工程建设的质量保证作用和混凝土配比设计人员的实用操作。

关键词：普通混凝土；胶强区间； 胶凝特征值； 胶强公式

1.对普通混凝土配比中应用水胶比公式的考量

《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011[1]，以下简称2011配比规程。2011配比规程中当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算：W/B =aa·fb/（fcu，o+ aa·ab·fb）。在新中国建立后的大规模国民经济的基本建设中，虽经多次修编混凝土配比规程，但至今以来都是应用此经典公式。水胶比公式译称鲍罗米公式，是1930年瑞典学者鲍罗米首先提出的。对沿用此公式存有以下质疑。

1.1 水胶比公式以间接求解法计算混凝土胶凝材料用量的思考。

根据以往混凝土工程实例，工程界得到混凝土强度依赖于胶凝材料强度的结论。胶凝材料在普通混凝土配比中起到至关重要作用，配比规程中建立水胶比公式的第一求解，既应是胶凝材料用量。现有配比规程的实际计算中，水胶比公式求解的是：用水量与胶凝材料用量的一个相对比值，配比中的用水量、胶凝材料用量只是一种粗略比例关系。胶凝材料用量要根据施工混凝土拌和物的稠度、选用粗骨料的品种、粒级范围，在与之相关的干硬性或塑性混凝土的经验性用水量选用表中，选取配比的第一个相应解值是用水量，并以此值为计算基础，通过水胶比公式的比例关系，来间接反推计算胶凝材料用量。用水量自身是在经验性用水量表中选取的一个粗略的经验值，还要以此值为比例基数计算胶凝材料用量，此间接反推算式是难以获得准确计算胶凝材料用量的。

在混凝土工程配比的大量研究中，有研究专家提出混凝土配比组成，靠计算来确定混凝土配比值的质疑，而是要通过多次试配比较获得混凝土配比值的定论。就因水胶比公式求解的只是一个相对比值，而胶凝材料用量要通过水胶比公式间接反推求得。胶凝材料在普通混凝土配比中起到至关重要的作用，用此间接反推求解配比中胶凝材料用量的方式方法是否可予重新考量。

1.2 水胶比公式使用回归系数求解胶凝材料用量的可靠性。

水胶比公式中使用的回归系数aa、ab，是通过大量试验数据统计计算的结果，有其通用性、适用性。但其系数引用在一个以间接方法求解胶凝材料用量的水胶比公式中，它的通用性和适用性是否还具有其可靠性。在1996年、2000年、2011年连续三年修编的配比规程中，水胶比公式的方程式没变，只是根据修编年代统计试验数据的计算结果，每次都把公式中回归系数的量值作了调整。在水胶比计算公式下，要在经验性用水量表中选取用水量，是粗略的确定一个比例基数，即使前面计算参数的精准度再高，也难以保证后续予求参数的可靠性。

1.3 水胶比公式计算普通混凝土配比的胶凝材料用量变数大。

在普通混凝土的配比设计中，对水泥强度等级及富余系数的选用，矿物掺合料的掺量、影响系数的选用，施工混凝土强度标准差的选用，是在一定取值范围选取，当其选取参数不同计算出的水胶比就不同。再根据粗骨料的品种、粒径范围，拌合物稠度等施工工艺要求选择用水量，又因选择用水量的不同，导致计算混凝土配比中的胶凝材料用量变数大。即使在同批次原材料，同一施工工艺条件下计算普通混凝土的配比，当计算参数选用不同，具体计算设计配比的人员不同，时有因计算普通混凝土配比中的胶凝材料用量过大或过小，不在合适的经济质量区间，造成工程建设质量或工程经济效益的不利影响。

2.水泥与混凝土强度等级的区间分划引领配比思路的创新。

在从事混凝土施工配合比的工作中，对以间接反推方式计算胶凝材料用量，进行了分析和考量，总觉得此方式方法存在有待改进的提升空间。在几年前撰文者就已构思立意：应建树卓识的创新理论，从直解方式的路径着手，采用简捷的表达算式，来创新现有计算胶凝材料用量的方式方法。在认真学习标准规范，阅读相关教科书，归纳理论的经验的专业知识点，来演绎构建普通混凝土配比设计的创新思路。

2.1 鲍维斯经验公式引申混凝土配比拟分区间构思配比新思路。

混凝土：以水泥、骨料和水为主要原材料，也可加入外加剂和矿物掺和料等材料，经搅拌、成型、养护等工艺制作的、硬化后具有强度的工程材料[2]。它广泛应用于工业与民用建筑，是现代建设不可缺少的多用型工程材料。二十世纪六十年代美国著名水泥化学家鲍维斯，建立了普通混凝土强度的胶空比X概念：既凝胶体积对凝胶体积加毛细孔体积的比值，用以表示毛细孔被凝胶体填充的密实程度[3]。以胶空比讨论水泥浆体或混凝土的强度，可以更直接地说明内部结构的形成状态。鲍维斯通过实验得出硬化水泥浆体抗压强度R和胶空比X的经验公式：R=KXn。式中n=2.6～3.0，K值基本为常数，当X=1， R=K。K的物理意义是硬化水泥浆体的潜在最大强度。解析胶空比始终有X≤1。当X≤1时，从鲍维斯经验公式有R≤K，引申设计混凝土配比强度，应等于或小于硬化水泥浆体潜在最大强度之R≤K推论。国家制定水泥产品质量的强度标准有等级区间分划，既设计混凝土强度等级在一定区间，应不高于水泥强度等级来构思混凝土配比设计新思路。

2.2 普通混凝土在相应强度范围存有设计可控胶强区间的推论。

在工程材料应用设计选用参数中，强度参数是各种参数中的首选。水泥强度、混凝土强度其等级的设置与区间分划，都是通过材料力学试验，检验标准尺寸样本的强度极限来区分强度等级。水泥与混凝土两种产品因同属聚集结构的水泥基质材料，其具有同质等强的性质。在材料学中：组成相同的材料其强度决定于孔隙率[4]。在混凝土强度的设计配比中采取可控措施，控制混凝土孔隙率来调控混凝土的强度等级，为设计混凝土强度等级在一定范围可小于水泥强度等级。基于鲍维斯的经验公式和材料同质等强的性质，设计混凝土强度等级不应高于水泥强度等级；基于组成相同的材料其强度决定于孔隙率，设计混凝土强度等级在一定范围，存有可小于水泥强度等级的区间分划理论。在設计混凝土配比时，用可控方法使胶凝材料在凝聚固结粗细集料，形成具有设计要求强度的同时，还存有可利用孔隙率来调控混凝土强度的区间范围，既是设计混凝土强度等级在一定区间范围存有可控胶强区间构建的推论。胶强区间构建是普通混凝土强度等级区间分划理论的引申。

例选用32.5强度等级水泥，对应设计普通混凝土的强度等级在C10～C30区间，为32.5强度等级水泥对应设计普通混凝土强度等级之胶强区间。我国通用水泥标准主要有四个强度等级，既有四个与水泥强度等级相之对应混凝土的胶强区间。胶强区间是设计普通混凝土的强度等级时，优先考虑选用水泥强度等级的经济质量区间。

2.3 三编规程统计拟定不同水泥强度等级对应的T值mbe值。

本文从1996年、2000年、2011年连续三次修编的配比规程中，以相同原材料及工艺条件下，对普通混凝土配比中的水泥用量做了专项统计计算，统计归纳绘有《三编配比规程、四强度等级水泥、C10～C60强度等级普能混凝土计算胶凝材料用量统计表》，见附后（图表2.3—01）。分析胶凝材料用量统计表，归纳计算普通混凝土配比胶凝材料用量，在水泥强度等级高低的竖向区间，有水泥强度等级高的区间级差小，水泥强度等级低的区间级差大。在同一水泥强度等级对应逐级计算普通混凝土强度等级之横向区间的水泥用量，有区间级差呈线性规律变化的特征。文中将不同水泥强度等级之竖向区间级差的大小，与横向区间级差之规律变化的特征，拟为不同水泥强度等级各自具有的胶凝特征值，其胶凝特征值以字母T表示。

分析以上计算胶凝材料用量统计表中，四个水泥强度等级对应构建四个混凝土强度等级的胶强区间，胶强区间有各自的上、下区间值。上区间值等于水泥强度等级10位数上的强度级，下区间值控制在上区间值下20的整数级。在胶强区间的下区间值，统计拟有各自对应的最小胶凝材料用量限值，最小胶凝材料用量限值以字母mbe表示。

综上所述在四个水泥强度等级，对应四个混凝土强度等级的胶强区间，则有统计拟定的T值、mbe值。见（图表2.3—02）：

（图表2.3—02）

水泥强

度等级 胶强区间下、

上区间值 T值 mbe值

32.5 C10～C30 7.8 210

42.5 C20～C40 6.8 230

52.5 C30～C50 6.0 250

62.5 C40～C60 5.4 270

3.创建胶强公式简化普通混凝土配比设计路径的新论方法

3.1 胶强区间与强度标准差构建保强区间的组成与区分及应用。

在进行普通混凝土配比设计时，当混凝土设计强度标准值取在胶强区间靠近上区间时，因施工工艺条件不同，选用混凝土强度标准差不同，至计算普通混凝土的配制强度值，时有超出上区间值近10MPa的强度值，文中将超出上区间10MPa的强度值，拟为混凝土强度等级在胶强区间靠近上区间时为保证其强度作用的，属保强区间之理论范围的控制值。所在设计混凝土强度等级计算胶凝材料用量时，有超出胶强区间10MPa的混凝土强度等级排列在此胶强区间。

3.2 胶强区间构建与胶凝特征值的拟定助创胶强公式的建立。

从鲍维斯的经验公式引申，混凝土的抗压强度应等于或小于硬化水泥浆体的潜在最大强度之R≤K推论。从材料学有组成相同的材料其强度决定于孔隙率的理论，到普通混凝土强度等级在相应强度范围存有设计可控之胶强区间的构建。从三编配比规程统计拟定四个不同水泥强度等级各自对应的胶凝特征值T，和混凝土强度等级在胶强区间的下区间值，有各自对应的最小水泥用量限值mbe。至此演绎：在已知混凝土设计强度等级，与其相应胶强区间，确定选用相应胶凝材料的强度范圍，列解普通混凝土配比计算胶凝材料用量的算式，简称混凝土配比设计之胶强公式：

mbo=T（fcu.o-H）+mbe （3.2）

注：mbo— 普通混凝土配比中计算的胶凝材料用量（kg/m3）；

T — 水泥强度等级各自对应的胶凝特征值；

fcu.o—普通混凝土配比中计算的配制强度值（MPa）；

H — 水泥强度等级对应混凝土胶强区间的下区间值（MPa）；

mbe —胶强区间的下区间值对应的最小胶凝材料用量（kg/m3）；

（胶凝材料—混凝土中水泥和活性矿物掺合料的总称）。

3.3 应用胶强公式计算混凝土配比拌合物中胶凝材料用量的例举。

3.3.1 选用42.5强度等级水泥，对应设计混凝土强度的胶强区间为C20～C40。现设计配比C40强度等级混凝土，42.5强度等级水泥的胶凝特征值T为6.8，胶强区间其下区间值的最小水泥用量为230kg/m3。当施工混凝土强度标准差选6时，C40强度等级混凝土配制强度为C49.87，用胶强公式计算胶凝材料用量：

mbo=6.8×（49.87-20）+230≈433 kg

上式计算配制强度为C49.87，此C49.87超出42.5强度等级水泥对应胶强区间的上区间值C40近10MPa强度值。式中将这10MPa的强度值归位到胶强区间之上的，是保证胶强区间靠近上区间值的混凝土强度等级质量的，起保强作用属保强区间之概念范围的控制值。

3.3.2 选用42.5强度等级水泥，对应设计混凝土强度的胶强区间为C20～C40。现设计配比C20强度等级混凝土，42.5强度等级水泥的胶凝特征值T为6.8，胶强区间其下区间值最小水泥用量为230kg/m3。当施工混凝土强度标准差选3时，C20强度等级混凝土配制强度为C24.93，用胶强公式计算胶凝材料用量：

mbo=6.8×（24.93-20）+230≈264 kg

上式配制强度C24.93在42.5等级水泥对应的混凝土胶强区间内。

42.5强度等级水泥、C20～C40强度等级混凝土胶凝材料用量对应混凝土之胶强区间线性图

3.4 胶强公式计算普通混凝土配比中胶凝材料用量的参考图表。

汇总胶强公式计算普通混凝土配比C10～C60胶凝材料用量的参考图表，是根据四个水泥强度等级对应混凝土强度等级之四个胶强区间，已知混凝土的设计强度，混凝土强度标准差，混凝土施工配制强度，计算普通混凝土在不同胶强区间配比的胶凝材料用量，经统计汇总后设计绘制的参考图表，见附后（图表3.4—01）：

4.胶强公式优化配比计算的意义与混凝土配比工作的责任。

4.1 创建胶强公式优化普通混凝土配比计算的实用意义。

胶强公式优化普通混凝土配比计算胶凝材料用量的创新理论与方法，是根据设计混凝土强度等级确定选用水泥强度等级，并在对应胶强区间，用胶强公式计算普通混凝土配比中胶凝材料用量。胶强公式的应用，有利于工程建设质量的保证作用和混凝土配比设计人员实用操作。在普通混凝土的配比中创建胶强公式，客观的反映了普通混凝土具有整体强度的决定性因素，在于胶凝材料的强度与胶凝材料的合理用量。此既优化普通混凝土配比计算胶凝材料的实用意义。

4.2 混凝土配比的科学研究与承担混凝土配比工作责任的区分。

利用现代科技手段研究分析混凝土配比及材料的物理、化学变化，微观结构特征，呈现多命题的研究成果，推动混凝土这一多用途建筑材料在工程领域广泛应用。但混凝土的施工应用与其研究工作的责任不同，在工程领域实际使用中，我们日常见到的是混凝土搅拌站或工程施工现场堆集的砂、石、水泥、矿物掺合料等表质的建筑材料，用精炼的易于掌控又切实可行的计算式来做普通混凝土的配合比，是工程技术人员在施工管理中常需做的，并要留存文档技术参数，承担工程建设质量与经济责任的重要技术工作。

結束语：本文探索创建的胶强公式，已在2011配比规程的规范之外，是不同于水胶比公式而拥有创新理论的算式方法。文中胶强公式，以列式代数方程直接表达混凝土强度与胶凝材料强度之间的量化关系，是优化普通混凝土配比计算胶凝材料用量在算式方法上的锐意创新；从构建混凝土强度等级区间分划在相应强度范围存有设计可控胶强区间，到拟定水泥强度等级各自具有胶凝特征值，是配比设计理论的开拓创新。以上既是探究普通混凝土配比设计路径的新论方法。

参考文献

[1]《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011.中国建筑工业出版社，2011（7）

[2]《建筑材料术语标准》（JGJ/T191—2009）.中国建筑工业出版社，2010（3）：6

[3] 同济大学等合编.混凝土制品工艺学.中国建筑工业出版社，1981（12）：7

[4] 王世芳主编.《建筑材料》哈尔滨建筑工程学院.中央广播电视大学出版社，1985（6）：21

【文章编号】1627-6868（2016）11-0001-04