拉法基质量保证经理：混凝土配比设计与水泥水灰比的优化策略

Bernard J. Eckholdt III，拉法基质量保证经理，路易斯安那州梅泰里

本次会议将介绍目前使用的现代混合料设计方法。绝对体积法已问世近 60 年，但在行业中很少使用。出于可持续性、性能和经济原因，使用边际和非传统材料设计混合料已导致其他混合料比例技术的发展。演讲者将由每天设计和配比混合料以满足设计师、铺料工和精加工工需求的从业人员进行

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以下演示中表达的观点是演讲者的个人观点，并不一定反映ACI或其委员会的看法。ACI网络会议在ACI大会或其他混凝土行业活动中录制，之后将免费提供观看一周，随后将归档在ACI网站上或根据内容添加到ACI的在线CEU项目中。

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我们的下一位演讲者是Bernard Eold，来自Lafarge的质量保证经理。他将与我们讨论混合比例以满足规范。这应该会很有趣。接下来，我将把时间交给他。

在过去的20多年里，我从混凝土的强度设计开始，行业经历了很多变化。我们面临的挑战是将混凝土变成它最初并不具备的东西。我们已经讨论过大体积混凝土和无热混凝土，我正面临应用方面的挑战。我所涵盖的一些主题包括水下混凝土和提高混凝土的耐久性以满足渗透性要求。

我们已经多次讨论了标准方法论，我将快速浏览一下。ACI 211为强度设计提供了基础，收集必要的骨料信息，确定适当的坍落度，所有这些数据都来自表格，估算水的需求。如果您在市场领域有经验，您知道大致的水需求，如果没有，您可以查表。经过多年的经验，现在估算水的需求变得相对简单。

我们从表格中选择水泥与水的比率，计算粉料含量，使用6.3.6来确定骨料体积，根据沙子的细度模数来进行。我们已经讨论过这些。

我们将已知的绝对体积相加，从27中减去剩余的沙子。这是城市中的基本混合设计。目前这是一个标准的4000 PSI 28天混合，约需510磅水泥、沙子、砾石和水，水的需求大约为30加仑，以获得4英寸的坍落度，持续90分钟。这是一个普通的混合设计，通常会加入缓凝剂。

我读过规范，知道制作4000 PSI混凝土所需的材料，但社区中的一位工程师意识到，低水泥与水的比率比仅仅强调强度更好。因此，他要求我们提供一个4000 PSI的混合，但同时要求水泥与水的比率为0.4，因为他希望混凝土无裂缝。

他将为结构性板做基础，因此我们要低于3%。回到之前的混合，510磅的水泥和典型的水需求，针对4英寸的坍落度，我的水泥与水的比率为0.50。新的设计标准是，我们将严格根据水泥与水的比率来满足项目规范。

首先，我们有一个技术性问题：如何在经济上实现0.40的混合；另一个问题是，工程师在要求0.4的水泥与水的比率时，他期望看到什么。我们必须保持竞争，因为其他人会怎么想，他们会用多少水泥来满足水泥与水的比率，还是会玩数字以提升强度。

为节省成本，我们将考虑使用高性能水减剂。我们可以假设以0.40的水泥与水的比率仍然能实现4英寸的坍落度。虽然这可能会引起担忧，但我们将继续进行。

我们从255磅的水开始，重新计算水泥与水的比率，得出636磅的水泥。通过正常的设计标准，我们会得出相同的骨料数量，沙子的数量已计算好。现在我们已经得出了我们的规范混合，这是我们想要投标的混合。

我的材料成本大约是每立方码61美元，而原始的4000 PSI混合设计则是每立方码55美元，因此我们的材料成本增加了每立方码6美元，这也是我投标的基础。

我回到道德问题，作为我所处理的方式，我会投标标准混合并接受我的损失。过去，竞争对手使用设计标准，认为制作4000 PSI混凝土需要510磅水泥，就会反向计算水的量。我见过一些生产商向工程师提供24.5加仑的水，而不幸的是，工程师并没有像一些生产商那样具有材料背景，因此他们接受了这个建议，结果在纸上看起来很好。

但我得不到这份工作，除非在某种情况下，例如在这个项目中，承包商实际上雇佣了我们，所以我在混凝土上花了很多额外的钱。另外一种方法是设计高性能水减剂，试图降低水泥含量。我们确实成功降低了，现在的成本是每立方码60.83美元，因为高性能水减剂确实需要费用。

快速比较一下原始的4000 PSI混合，目标混凝土公司的投标成本更低。即便是我以最优价格投标，我也只能达到这个目标。整个故事的重点是，工程师打电话给我，想知道为什么我的混合设计中水泥含量这么高，现场混凝土开裂，出现了糟糕的表面。

我们在夏季中期浇筑混凝土，水泥用量为637磅每立方码，我向他解释，这是制作混凝土所需的水泥量。我说你有纸和铅笔吗？让我们来算一算。因此，我们讨论了0.40水泥与水的比率和强度混合之间的差异，我向他解释了如何使混凝土从卡车上浇出来，他对此感到惊讶。

他还提到我的一位竞争对手使用了470磅的水泥，水的使用量仅为22加仑。如果有人在混合设计行业，绝对无法用22加仑的水制作混凝土。这是一个改进的混合设计。故事的最后，这位工程师同意与我一起冒险，让我设计混合。在接下来的两次浇筑中，使用了超级水减剂，问题得到了解决，他得到了更好的表面，所有的FFL数值均符合要求。

这就是我们所面临的一些有趣的挑战，有时我们会看到0.35的水泥与水的比率或引气混凝土的情况，这非常有趣，因为我们仍然需要在现场完成并泵送这些混凝土。

水下混凝土始终是一个挑战，因为我们看不到自己在做什么。我们有时会让潜水员下水，帮助我们保持混凝土水平。我甚至见过一个承包商非常有创意，他设计了一种称为“Cajun Bull Float”的工具，将浮筒的手柄旋转90度，并在浇筑的顶部架起了猫步。他用这个工具来控制水深，这是一次20英尺深的浇筑。

这种泵送的布局通常用于这些项目，主要是为了满足工程师的要求，不希望只是平铺。我们希望混凝土流动性好，因为我们无法有专人在现场处理泵臂，混凝土需要流动以限制其流动性。

在这些挑战中，有没有洗出测试以确定这个混凝土是否真的适合水下应用？在卡特里娜飓风后，城中有一个大型闸门结构项目，该项目需要5,000立方码的混凝土，水深27英尺，我们将放置一个密封板。

这个闸门结构仅在顶部支撑，下面没有水平支撑，全是埋在泥土中，保持中性浮力，因此没有实际压力。我们在顶部架起了猫步以保持结构开放，他们挖掘并打入桩基，仅刮去约两英尺的土壤，以便在放置混凝土时有一个支撑。

规范规定，所有水下浇筑的混凝土都应含有洗出混合剂，按制造商的建议剂量配制。他们创建了CRD C61测试，以确定混合物的洗出潜力。允许洗出量的限制为样本质量的8%。

任何从事水下应用的人都知道，水泥含量越高，混合物效果越好，混合物必须粘稠，必须有一些牺牲性的水泥。对于水下混凝土，规范通常允许33%到35%的粉煤灰替代，因为水的减少使得我们的水需求降低至约240磅，或者略低于29加仑。由于水下应用，我们显然不需要起泡剂，因此我们围绕这些设计。

然后我们开始选择粗骨料，这回到了CU211的部分，但我们正在进行设计，现在我们计算骨料的需求。

它在这里工作得很好，所以我们有了一个基本的混合设计，仅仅是根据规格。我们不知道这是否会有效，因此在这种情况下，我们必须请 ADM 组的专家给我们一些关于任何可行的洗脱外加剂的背景信息。

我们进行了三点曲线的测试。我们发现 3/4 英寸或 1 英寸的粗骨料，通常在大约 9 到 10 英寸时会受到限制，超过这个尺寸即使有洗脱外加剂，它们往往会开始分离。因此，如果应用适合 9 或 10 英寸的粗骨料，那就很好，但我们发现如果你能在市场上开发出一个 SEC，它在水下应用中会非常有效，因为流动性更好，承包商节省了时间，安装的垂直管道也更少，整个工程进展得更快。

现在我们有了基本的混合，并添加了 10% 的洗脱外加剂，我们想看看它是否有效，是否能满足最大 8% 的损失要求。我的好朋友 Mr. Cheek 有一根 8 英寸的 PVC 管，高约 8 英尺，里面放着一个小塑料篮子，篮子上有成千上万个孔。将样品放入其中，称重后盖上盖子，然后将其放到底部，再提回来。这一过程重复三次，以测量在三次测试中损失的量。

任何混合物都可以用来确定洗脱效果，这是 Cor 开发的设备。他给我发回测试报告，称我们的 1 英寸骨料混合物损失非常低。我们的 SEC 混合物稍高，但仍符合规格。我们将这一结果归因于篮子上的小孔，尽管孔很小，但由于高流动性和高浆体体积，更多的浆体能够从孔中渗出，这在现场得到了验证。

最终结果是，你可以看到秤的状态，下面是小石灰石基座，我们有四英尺的自密实密封板，合同规定要进行抽水。我有一次在他们抽水时发现了大约 250 条斑点鳟鱼，这在南方对我们来说意义重大，还有一条相当大的鱼，这次项目成功了，处理了 5000 立方码的混凝土。

这个结构被称为临时旁路，旁边是永久旁路或永久闸门开口，容量为 10000 立方码。一次性承包商将这个 1.2 英里长的墙分成三到四个不同的合同。一旦这位承包商成功完成，其他正在考虑建造干燥区域的项目的公司决定不再考虑，而是直接进行，因为这个方法有效。

在第三个案例中，我们正在建设一个石化厂，我们的规格是根据新的 318 标准制定的。Tim 之前提到过，211 还没有暴露类别，但这正在进行中。318 确实有一些设计工程师开始采纳 C 类和 PS 类等要求，并制定了 P1 类别，并且还有一项规格要求氯离子渗透性非常低，符合 202 标准，这给我们提供了一个 100 到 1000 的库仑值，具体取决于他们是否有时间。

现在我们有了一套新的设计标准，不仅仅是抗压强度和水泥比的要求，还包括如何使混凝土更致密，以保护钢筋。ACI 318 4.3.1 规定，P1 类的水泥比应为 0.50。这只是一个标准。

为了避免不断进行试错，我们了解到 0.40 是最佳水平，这在我做这个演示时学到的。0.40 是水泥水化的最佳水平，超过这个水平显然会失去强度，而低于这个水平则会留下一大堆未水化的水泥，从而留下空隙。因此，如果我们保持在 0.40，水泥水化的不足就会减少，同时通过保持效率来打破毛细管。

6.4.3 条款提到，使用 SCMs 是有帮助的。到此为止，我被告知 0.40 是一个好的水平，而 SCMs 是有帮助的。因此，让我们看看可用的材料。我们确实有硅灰，它在密实混凝土中排名第一，但它很贵，且是一个挑战。我们有一些大型项目，所以我们实际上安装了专门用于运输硅灰的筒仓，200,000 立方码会需要一个筒仓。

如果有可用的 Class F 矿渣，Darl 已经展示过，Class F 的性能比 C 更好，尽管有些稀有的 C 可能在耐久性或温度控制方面更佳。市场上我们确实有两种矿渣，GGBFS 由两家不同的生产商提供。因此，问题是，100% 的替代品是否更适合我们的设计，还是 120% 的替代品？这是一个试验和错误的过程，没有真正的捷径可走。

我们知道我们想要最大化骨料体积，最小化浆体含量，因此我们确实希望使用优质骨料，而不是普通砂石。在南方，我们有许多小型生产商，因此在大多数项目中，我们将从主要生产商那里购买，以获得更好的质量控制。

我们对角骨料进行了测试，发现使用角骨料的渗透性更好。进行理论组合等级曲线的测试，我们从 50% 开始，因为规格实际上允许我们这样做。我们可以使用高效水减剂，以使水水泥比降低到如此低的水平，即使在 50% 替代矿渣的情况下。

我们是否需要引入空气？如果我们在 W 市场中像现在这样使用混凝土，我们就不会主动在混凝土中加入空气。只有在规格要求其他好处时才会添加显著的空气。如果我们为抗冻设计，我们会引入空气，但在南方我们不会。

为了进行混合并进行试验，我们的水需求大约为 240 磅，反推到 0.40 水泥含量为 600 磅，总 SE 约为 300，50/50 的比例取自石灰石。由于我们必须泵送并完成这个混合，我们将混合适量的中间级砂石，以改进组合等级曲线，留下大约 12289 磅的砂石。我们确实以高效水减剂制作了这个混合，成本在 65 美元左右，因此仍然比直接使用水泥并在硅灰中使用较低水泥比要划算。

这就是经济效益。高替代率使我们能够获得更高的密度。这是 56 天的结果，我们的小批量试验实际上使我们达到了非常低的类别，范围在 100 到 1000 之间，而在这种情况下是 56 天。我们满足了非常低的要求。

成功了。

我选择这三个类别，就像您看到的那个模板，那是我在 Excel 电子表格中的日常工作模板。上面有我的材料清单，如果任何一项的值为零，那是因为它不适用于特定的混合。但是如果有 20 分钟，我会想深入探讨三到四个话题。

抱歉，您说什么？是的，我们使用中等粗的轻骨料，但我们在其中加入了沙子，用于重量轻的材料，密度低至每立方英尺 80 磅。粗骨料约为 110 磅，超出这个范围就很难进行浇筑。确实需要找到合适的骨料。

轻骨料我没有测试过，但我会非常感谢任何相关的提示，谢谢。

太棒了，BJ，非常感谢您的演示，我相信您会回答大家的问题。

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