关于水泥强度等级值富余系数的探讨
水泥 《水泥》杂志 2017-02-18
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0.引言
水泥是混凝土中最主要的组成材料之一，它在很大程度上直接影响到混凝土的质量和工程的经济效益。在混凝土配合比设计中，水泥强度等级值富余系数的选择十分重要。如果取值过高，必然造成水泥用量减少，容易导致混凝土强度达不到设计强度的要求，影响工程的混凝土质量；如果取值过低，也将造成材料浪费，成本增加，而且会出现混凝土28d强度超高的现象，这样的混凝土极易开裂，影响混凝土的长期性能和耐久性能。笔者通过对水泥强度等级值富余系数的分析，在混凝土配合比中进行了对比试验分析，结合自己多年来积累的大量水泥实测28d抗压强度值的分析，结果证明在日常工作中采用的方法，即无实际统计资料时，选用水泥强度等级值富余系数1.12是不恰当的，笔者提出了应根据厂家近期提供的检测数据，并结合试验的3d抗压强度值进行综合判定，确定每种水泥强度等级值富余系数的取值，然后再进行混凝土配合比设计的方法，并应用在实际工程中，充分利用了水泥强度等级值富余系数，达到了既节约成本，又保证了混凝土质量的目的。
1.水泥强度等级值富余系数是混凝土配合比设计的重要因素
根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》（以下简称《规程》）的要求，应首先计算混凝土配制强度fcu,0,然后根据配制强度和水泥胶砂抗压强度计算混凝土水胶比W/B。当混凝土强度等级小于C60时：
式中：
W/B——混凝土水胶比；
αa、αb——回归系数，按《规程》5.1.2条的规定取值；
fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度，MPa，可按GB/T17671实测，也可按《规程》5.1.3条确定。
fb无实测值时按式（2）计算：
fb=γf·γs·γc·fce,g(2)
式中：
γf、γs——分别为粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数，按《规程》5.1.3选用；
fce,g——水泥强度等级值，MPa；
γc——水泥强度等级值的富余系数，可按统计资料确定，也可按《规程》中表5.1.4选用。
再根据混凝土中使用的骨料最大粒径查表得出混凝土中单位用水量mw0,然后计算混凝土中的水泥用量mc0：
（3）
由此可见，单位混凝土中水泥用量与水胶比有关，而水胶比又与混凝土配制强度fcu,0和水泥28d胶砂抗压强度有关，水泥28d胶砂抗压强度的计算主要取决于水泥强度等级值的富余系数γc。
2.水泥强度等级值的富余系数γc的分析
2.1从水泥试验评定的角度分析
当水泥进场必须经过材料检测时，水泥强度等级的评定是以水泥3d和28d龄期的抗折和抗压强度作为依据的，检测结果可分为两种情况：一是水泥3d和28d龄期的抗折和抗压强度超过委托强度等级所对应的强度标准值时，应按委托方委托的强度等级来评定。二是水泥的3d和28d龄期的抗折和抗压强度低于委托的强度等级所对应的强度标准值时，比如 P·O52.5水泥不能达到标准要求，但能达到P·O42.5水泥的标准，则可降低一个强度等级来使用。由此可见，无论是以上面哪种方式应用于施工生产中时，水泥实测强度均高于技术要求的水泥强度等级，即水泥强度得到了提高，即γc≥1.0。
2.2从水泥生产的质量来分析
我国水泥生产厂家很多，质量参差不齐，不同地区生产的同标号水泥强度波动较大。国有大型企业技术力量雄厚，设备先进，检测手段齐全，生产的水泥质量既好又稳定；而一些小型水泥企业和粉磨站生产的水泥往往质量不稳定，为了降低成本，水泥28d强度值接近于强度标准值。历年水泥统计资料表明：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。这就给检测部门的配合比设计和施工单位的安全使用带来了一定困难，因此造成的材料浪费和混凝土28d强度不足的现象时有发生。以工程中常用的强度等级值32.5水泥为例，在配合比设计中，按《规程》规定当缺乏实际统计资料时，按表取值γc=1.12，用此计算混凝土配合比时，水泥28d实测强度值高的水泥就会造成材料的浪费，而对于水泥28d实测强度值低的水泥，混凝土28d标养强度就有可能无法达到配制强度的要求，进而有可能导致在施工现场，由于测量误差和人为因素等原因，造成混凝土28d强度值和同条件试块无法达到设计要求，严重影响工程质量。 2.3对混凝土中水泥用量、混凝土强度和经济效益的影响
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，配制强度为fcu,0=26.6MPa，选用水量为175kg/m3,则在混凝土配合比设计计算中，不使用水泥强度等级值的富余系数时，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《规程》中规定无统计资料时，水泥强度等级值的富余系数按表取，即γc=1.12：
fb=γc﹒fce,g=1.12×32.5=36.4MPa
W/B=0.63
mc0=175/0.63=278kg/m3
使用与不使用水泥强度等级值的富余系数相比，水胶比增加0.06，水泥用量减少9.4%。水泥用量不同，使混凝土的强度也受到了影响，如表1所示。
表1 使用水泥强度等级值富余系数与否的对比
从表1看出，使用γc值比不使用γc，混凝土强度减少8.1%，但均达到了配制强度；水泥用量减少29kg/m3。从经济效益角度看，若小型工程，水泥用量的影响可能不大，但对于大型混凝土工程来说，经济效益将很可观。
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3.水泥强度等级值的富余系数γc的取值
《规程》中规定，水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定，当缺乏实际统计资料时，可按表选用。在实际施工工程中应用最多的水泥强度等级值是32.5，在《规程》表5.1.4中，水泥强度等级值是32.5的富余系数是1.12，我们在实际配制混凝土时，由于各工地水泥品种繁多，不固定，而对各种水泥均缺乏实际统计资料，因此在实际配制时均采用规范中提供的γc，但笔者在多年来积累的大量水泥实测28d抗压强度值中发现，用γc=1.12来计算配合比是不恰当的。P·S32.5和P·O42.5水泥28d抗压强度值统计汇总如表2所示。
表2 28d抗压强度等级值的富余系数统计
注：括号中数据为该富余系数的样品占总样品的百分比。
从表2中可以看出，目前水泥质量整体水平较高，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%；选取γc=1.12所占的比例是极小一部分，大多数水泥在使用过程中γc值的选取可以大于1.12，以便达到满足技术要求的前提下节约水泥、降低成本的目的，所以笔者认为使用γc=1.12是不恰当的，应根据实际统计数据选取γc值。在具体操作上笔者建议根据厂家近期提供的检测数据，并结合我们自己水泥试验的3d抗压强度值进行综合判定，确定每种水泥γc的取值，这样再进行混凝土配合比设计，就可以在混凝土中更加经济合理地使用水泥了。
4.工程实例
笔者在几年的工作实践中使用了这种方法，应用效果较好。试举其中门头沟棚户区改造石泉砖厂AB地块安置房工程项目为例，该工程采用唐山丰润京丰水泥厂生产的P·S·A32.5水泥，砂Mx=2.6，碎石粒径5～25mm，坍落度要求60～80mm，混凝土设计强度等级为C25。笔者根据水泥出厂检测报告，并收集唐山丰润水泥厂近期的水泥检测结果共7组，见表3。
表3 唐山丰润水泥厂水泥检测结果
从表3中看出，γc=1.37，又结合本实验室对送检水泥所做的试验，3d抗压强度结果为20.4MPa，根据以往水泥试验结果统计，3d强度能达到28d的40%～50%之间，据此推定水泥28d抗压强度大约在40.8～51MPa之间，即γc值在1.26～1.57之间，因此确定了γc的取值为1.35，并进行了配合比设计：
混凝土配制强度fcu,0=33.2MPa
当γc=1.35时，fb=γc﹒fce,g=1.35×32.5=43.88MPa
W/B=0.61
mw0=172kg/m3
mc0=172/0.61=282kg/m3
当γc=1.12时，fb=γc﹒fce,g=1.12×32.5=36.4MPa
mw0=172kg/m3
W/B=0.52
mc0=172/0.52=331kg/m3
试验结果见表4。
表4 采用不同水泥强度等级值富余系数的对比
本实验室送检水泥的28d抗压强度结果是45.3MPa，水泥强度等级值富余系数γc=1.39。工地施工过程中留置的标养28d试块强度共计12组，试验数据统计见表5。
表5 混凝土28d标养试块抗压强度
从表5可以看出，工地施工过程中留置的标养28d试块强度均达到了设计强度等级C25的强度要求。
工程实践证明，根据实际统计资料利用水泥强度等级值的富余系数比无统计资料按标准选取水泥强度等级值的富余系数，混凝土水泥用量减少了 49kg/m3，而且混凝土强度超高现象得到了改善，达到了既保证质量又节约成本的目的。
5.结论
1）水泥强度等级值的富余系数的取值严重影响混凝土配合比设计。
2）应用在工程中的水泥实测强度均高于水泥的强度等级值，即γc≥1.0。
3）水泥质量参差不齐，水泥强度等级值的富余系数波动范围较大。
4）根据混凝土对比试验，使用γc比不使用γc，混凝土中水泥用量减少29kg/m3，但强度均达到了设计要求。
5）历年统计资料表明，水泥强度等级值富余系数取1.12是不恰当的，应根据近期实测资料和进场水泥试验3d抗压强度进行综合判定，来确定每种水泥γc的取值，在保证技术要求的情况下，充分利用水泥强度等级值富余系数，以达到在混凝土中更加经济合理地使用水泥的目的。
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