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粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等工业废料作为混凝土的矿物掺合料，在改善混凝土的和易性、强度、耐久性及体积稳定性等性能发挥至关重要的作用。尤其是在配制高强、高性能、特殊性能要求混凝土时，优质的矿物掺合料越发显示出其强度、耐久性等优越性。JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》（简称旧规程）中混凝土配合比计算是以水泥做为胶凝材料（强度源），以混凝土强度为主要目标进行的。JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》（简称新规程）将矿物掺合料也作为胶凝材料，同样是混凝土的强度源。本文在介绍新规程采用鲍罗米强度公式计算混凝土配合比的主要修订内容及变化特点的基础上，分析修订的积极意义，并提出使用时应注意的问题。 1 新旧规程的主要差异 1.1 旧规程混凝土配合比设计的主要过程 旧规程中，混凝土配合比设计是仅将水泥作为强度源fce，按未掺掺合料的纯水泥混凝土进行的。显然，决定混凝土强度的关键参数是水灰比W/C，当混凝土强度等级小于C60时，其鲍罗米强度公式见式（1）。
显然，旧规程只能进行纯水泥混凝土配合比设计，回归系数a、b 的推求也是在仅把水泥做为强度源进行的。若要获得掺掺合料混凝土配合比，必须在该规程的基础上，辅以其它规程，如GBJ146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》，按等稠度、等强度等级的原则，用超量取代法、等量取代法等方法进行。 1.2 新规程混凝土配合比设计的主要过程 新规程将水泥与掺合料均作为胶凝材料，并且在配合比设计前已选定掺合料的掺量βf（以掺合料占胶凝材料的百分数表示），它们的集合体是混凝土的强度源fb。由于混凝土胶凝材料（强度源）的改变，显然，决定混凝土强度的关键参数是水胶比W/B，回归系数a、b应相应变化（见表1）。混凝土强度等级小于C60时，鲍罗米强度公式更新为式（3）。
2 新规程修订的意义 2.1 提高认识，物尽其用 新规程将粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料如同水泥一样作为胶凝材料，这种认识是基于矿物掺合料对混凝土和易性、强度、体积稳定性、耐久性的重大作用长期实践的总结。随着对混凝土结构认识的深入，该实践总结也有了更强有力的理论依据。充分发挥了掺合料对混凝土的作用，物尽其用，变废为宝，节约水泥。 2.2 过程直观，结果准确 旧规程只能进行纯水泥混凝土配合比设计，要得到掺掺合料混凝土配合比，必须辅以其它的规程，如GBJ146-90。GBJ146-90 中，粉煤灰取代水泥百分率βf、粉煤灰超量系数δf的选择全凭经验，对充分利用掺合料极为不利。况且这种取代，只考虑了掺合料与水泥的强度简单对等取代，未考虑掺合料对混凝土结构的改善而带来强度的提高。新规程中，水泥和掺合料的混合料是“因”（强度源），掺掺合料混凝土的强度是“果”，新规程第1次将这种因果关系联系起来，能直接进行掺掺合料混凝土配合比设计，结果准确，经济节能，过程直观。新规程配合比设计的准确性、经济性体现在鲍罗米强度公式中的回归系数a、b已包含了掺合料对混凝土结构改善而带来强度的提高。 2.3 改善结构，提高强度 新规程将粉煤灰、粒化高炉矿渣粉如同水泥一样作为胶凝材料，掺合料不仅可替代部分水泥，而且可改善混凝土结构，提高混凝土强度，节约水泥。因为混凝土的强度来源于胶凝材料，为便于比较新规程比旧规程带来的混凝土强度提高，新旧规程的鲍罗米强度公式中fce、fb均取同样的基准值42.5MPa×1.13=48.03 MPa，水胶比（水灰比）的变化范围为0.30~0.68。水胶比（水灰比）为0.30、0.68时新旧规程混凝土28d强度见表3。为便于发现规律，以水胶比或水灰比为横坐标，fcu为纵坐标制成图1~图4。
从表3可看出，强度源为48.03MPa、水胶比（水灰比）为0.30、0.68的新旧规程混凝土，新规程碎石混凝土强度比旧规程碎石混凝土强度平均高约9%（达4.5MPa）；新规程卵石混凝土强度比旧规程卵石混凝土强度平均高约12%（达5.8MPa）。新规程混凝土强度高于旧规程混凝土强度，主要有以下3个方面： （1）掺合料改善混凝土硬化水泥浆本体结构。通用水泥中，占水泥矿物组成70%以上的C3S和C2S是水泥强度的主要贡献者，二者的水化产物主要是高碱度水化硅酸钙（C/S＝1.6～1.9＞1.5）和氢氧化钙CH。高碱度水化硅酸钙的强度比低碱度水化硅酸钙（C/S≤1.5）的强度低得多，稳定性也不如低碱度水化硅酸钙。原因是：在低碱度水化硅酸钙中，硅氧链的缩聚程度要高得多，其晶体尺度极小，比表面积极大，由其构成的结晶连生体具有很多的接触点，因而结晶连生体的强度也高。CH含量约占水化产物的20%～25%，其强度很低，稳定性极差，易遭到腐蚀。掺入矿物掺和料因具有火山灰活性可以和CH及高碱度水化硅酸钙发生二次反应，减少水化产物中的CH和高碱度水化硅酸钙含量，提高强度稳定性良好的低碱度水化硅酸钙含量，优化水泥浆本体中胶凝物质的组成。 （2）改善了硬化水泥浆体与集料间过渡区的性能。界面过渡区的结构和性质与水泥浆本体差别较大，过渡区是由于水泥浆体中的水在向集料表面迁移的方向形成水灰比的梯度而产生的。从集料表面向水泥石本体，水灰比逐渐减小，直至达到水泥石本体的水灰比；由于水灰比的差别，离集料表面越近，以层状平行于集料表面取向生长的六方薄片结晶CH越容易生成，且晶粒粗大。其取向程度随着离集料表面距离的增加而下降，使得界面过渡区成为混凝土中最薄弱的环节。一般认为，界面过渡区的厚度为20～40μm，与普通水泥的颗粒尺寸相当。若能压缩过渡带的厚度，减少和改善该区域内CH的数量及取向程度，提高界面过渡区的密实性或优化界面过渡区的物相及组成，就可以大大提高整个混凝土体系的物理力学性能和耐久性能。由于粉煤灰、矿粉和硅灰等矿物掺和料一般具有火山灰效应，能与水化产物CH发生二次水化反应，生成C-S-H等水化产物，不仅能提高混凝土中C-S-H的含量，减少过渡区内的CH总量，而且能改善过渡区CH的取向。 （3）掺合料的微集料效应、形态效应对改善水泥浆本体与过渡区性能也有贡献。粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等掺合料的粒形、细度、级配与水泥不同，掺合料的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充毛细孔，使体系颗粒级配更为合理，改善混凝土孔结构和增大密实度。 2.3.2 新规程碎石混凝土比旧规程碎石混凝土提高的强度随水胶比的减小而增大 由图1 可见，随水胶比的减小，新规程碎石混凝土强度比旧规程碎石混凝土强度提高越多，新旧规程碎石混凝土强度与水胶（灰）比关系线形成一扩展的喇叭口。也就是说，水胶（灰）比越小，新规程碎石混凝土比旧规程更能越多地提高强度，节约水泥。而新旧规程卵石混凝土强度与水胶比关系线几乎没有喇叭口现象（见图2）。 这是因为，通常碎石具有吸收水分的孔隙，当配制混凝土的水胶比越小时，由于石子孔隙的吸水作用，混凝土的水胶比降低得越多。在更低的水胶比条件下，水泥矿物水化生成的水化硅酸钙硅氧链缩聚程度更高，尺度更小的晶体结晶析出加速，且更易于与掺合料的二次反应，生成更多的缩聚程度更高的水化硅酸钙，更有利于改善硬化水泥浆本体的结构与过渡区的性能。旧规程碎石混凝土由于未掺掺合料，水胶比越小，对水泥浆本体的结构与过渡区的性能的改善不及新规程混凝土。因此，在高强混凝土（低水胶比）设计实践中，通常掺入优质的矿物掺合料以期获得混凝土强度的更大提高。 2.3.3 新规程碎石混凝土比卵石混凝土提高的强度随水胶比的减小而增大 由图3 可见，随水胶比的减小，新规程碎石混凝土强度比卵石混凝土强度增大得越多，新规程碎石、卵石混凝土强度与水胶比关系线形成一扩展的喇叭口。也就是说，水胶比越小，新规程碎石混凝土比卵石混凝土更能越多的提高强度与节约水泥。而旧规程碎石、卵石混凝土强度与水灰比关系线几乎无喇叭口现象（见图4）。 究其原因，可能是碎石具有吸收水分的孔隙，而卵石相对于碎石，其表面无吸收水分的孔隙或孔隙较少，如前分析，即形成喇叭口现象。同时，若骨料是石灰岩等骨料，水胶比越低，骨料表面的CaCO3与过渡区的水泥水化产物反应生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙晶体越多，改善了骨料晶体结构的外延也有利于促进形成喇叭口现象。因此，在高强混凝土（低水胶比）设计实践中，通常采用碎石配制且掺入优质的矿物掺合料以期获得混凝土强度的更大提高。 2.3.4 新规程混凝土强度源比旧规程混凝土强度源更节约强度 前述为使新旧规程比较有个基准而将新旧规程混凝土强度源均取48.03 MPa。实际上，fb、fce的检验按现行GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行，该法的水胶（灰）比为0.5，灰砂比为1∶3。根据上述分析，新规程胶砂中掺有掺合料，掺合料对胶砂的水泥浆本体及过渡区的结构同样有改善作用。因此，相等的fb、fce，提供强度fb的胶凝材料（水泥与掺合料的混合料），其实际活性要比提供强度fce的水泥活性低一些。显然，与旧规程相比，新规程在水泥胶砂、混凝土中双重提高了强度、节约胶凝材料。 3 新规程应用需注意的地方 3.1 建议按掺合料掺量分段确定回归系数a、b新规程中，粉煤灰掺量为0~40%、粒化高炉矿渣粉掺量为0~50%（见表2）。而鲍罗米强度公式中的回归系数a、b不因掺合料掺量变化而改变，为定值（见表1）。根据多年掺掺合料混凝土配合比设计资料看，水胶比在0.3~0.68内，粉煤灰掺量从0增至15%，混凝土28d强度变化不大，粉煤灰掺量在15%左右时混凝土28d强度最大，掺量从15%增至40%，混凝土的强度降低12%~18%。粒化高炉矿渣粉的掺量从0增至25%，混凝土28d强度随掺量的增大而略有提高；掺量超过25%时，混凝土强度随掺量的增大而降低，当掺量达到50%时，强度降低约20%；当掺量从50%增至70%时，混凝土强度降低得更快，降低约45%。因此，单从混凝土强度达到最大值考虑，掺合料存在最佳掺量。小于最佳掺量时，低活性掺合料取代高活性水泥部分降低的强度被掺合料对混凝土结构改善带来强度的提高弥补，表现为：虽然部分水泥被掺合料取代，混凝土强度基本保持不变，此时，水泥浆本体与过渡区性能改善未达最佳状态；大于最佳掺量时，多余的掺合料因其活性低于水泥，而使混凝土强度下降。强度试验证实，正常配合比的混凝土破坏主要是集料与水泥石的粘结界面发生破坏，即所谓的粘结面破坏型式。当水泥石强度较低时，水泥石本身首先破坏也是常见的破坏型式。 若原材料选定，根据鲍罗米强度理论，决定混凝土强度因素主要是水泥强度与水胶比（水灰比），其实质决定于粘结界面性能及水泥浆本体性能，具体体现在鲍罗米强度公式回归系数a、b上。因此，有试验条件时，建议以掺合料最佳掺量为界，分段确定回归系数a、b，以发挥运用公式的准确性、经济性。 3.2 建议在选择掺合料掺量时应考虑水泥中混合材的种类与掺量 既然掺合料种类与掺量影响水泥浆本体与过渡区的性能，因此，在混凝土配合比设计时，有必要查清水泥中混合材的种类与掺量，同时考虑混凝土外掺掺合料与水泥中混合材对混凝土性能的共同影响，以期混凝土有好的技术经济性。 3.3 测试按不同掺合料掺量强度源的强度以供混凝土配合比设计时优选 通常，混凝土的强度只是混凝土的一个设计指标，混凝土设计指标除强度外，还应满足施工性能、其它力学性能、长期性能和耐久性的要求。强调混凝土配合比设计应满足耐久性要求，也是新规程修订的重点。混凝土配合比设计前，测试水泥中不同掺合料掺量强度源的强度，按新规程的鲍罗米强度公式求得不同掺合料掺量强度源满足混凝土设计强度要求的不同水胶比，再结合混凝土要求的施工性能、耐久性等要求优选水胶比，以获得既满足混凝土各项设计指标且经济的掺合料掺量。这种做法，直接获得了混凝土强度源，有利于消除按表2选择粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数的随意性带来的强度源误差。 4 结语 （1）新规程将掺合料与水泥一样作为胶凝材料（强度源），顺应了混凝土技术发展情况是普遍掺加粉煤灰和粒化高炉矿渣粉等掺合料做法；新规程中鲍罗米强度公式回归系数a、b的改变符合混凝土技术基本规律；采用新规程进行混凝土配合比设计能充分利用胶凝材料的性能，提高混凝土强度、节约水泥。 （2）有试验条件时，应根据所用的材料，建立鲍罗米强度公式回归系数a、b，同时应探究掺合料的种类与掺量对回归系数a、b的影响，动态修正与使用回归系数。 |
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