泰勒教授给你开示：混凝土和易性、强度、耐久性与成本的奥秘

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各位混凝土超级大咖们，大家好！

今天，我们将探讨混凝土配合比设计的入门知识。配合比设计在当下是一个巨大的挑战，它非常复杂，就像尝试做一碗汤，但你却不知道自己有哪些食材。你知道自己想要什么样的味道，也知道不想要什么样的味道，但你不知道如何才能将所有这些不同的部分和碎片组合在一起，做出令人惊叹并最终让大家满意的美味。

是的，就是这样，所以我们开始吧！

混凝土配合比设计：性能目标

当你设计混凝土配合比时，你必须精确地决定你想要达到哪些具体性能。这些你有时想要实现的性能是什么呢？

例如，你可能对制造极高强度混凝土感兴趣，这有时是必需的。

有时，你可能需要极低强度的混凝土。你会问，“什么？为什么会需要低强度？这听起来就不对劲。为什么会想要不那么坚固的东西？”有些时候，你可能想制作混凝土，并且希望之后能够轻松挖掘它，例如：

如果你正在地下铺设管道，你可能需要修复某些区域，这就是所谓的低强度回填材料，通常是使用，没错，就是贫混凝土。

也许你希望它凝固得非常快，强度增长迅速。也许你希望它凝固得非常慢，甚至希望它能保持24小时不硬化，然后突然间它就硬化了。是的，你可能会想这么做。

你可能还想控制其他属性，比如蠕变（creep）。

什么是蠕变？

蠕变是指材料在恒定载荷下随时间变形的程度。因此，对于非常高的建筑物，高层建筑，你不希望出现蠕变，它可能会随时间改变变形。30年后，这可能会导致窗户爆裂，哦，是的，那太糟糕了。

你可能想改变弹性模量。

什么是弹性模量？

弹性模量通常被称为胡克定律（Hooke's Law），即弹性模量等于应力除以应变。好的，这大概是关于物体可变形程度的指标，也就是在给定载荷下物体能拉伸多少。好的，这与刚度有关。

更多性能目标与权衡

还有什么呢？你可能希望具有非常低的收缩率。我们之前讨论过干燥收缩及其测试方法，你可能希望收缩率极低。

也许你希望它不易开裂，这听起来不错。你难道不希望这样吗？是的，如果能制造出不易开裂的混凝土，我们稍后会讨论。

也许你希望它可泵送，这可能很重要。也许你希望它易于修饰，或者可用于摊铺，能够用滑模摊铺机来浇筑混凝土。

我只列举了几个例子，还有很多你可能希望混凝土具备的属性。你可以让它具备其中任何一种，但要小心，真的要小心，你必须只选择你真正想要的属性，只选择你真正需要的属性。

正如我在这里所说，虽然控制所有这些属性是可能的，但不可能一次性控制所有属性。例如，制造一种轻质、高强、低开裂、可泵送且弹性模量高的混合物是一个巨大的挑战。

这要求太高了。我们必须小心，只要求你真正真正需要的东西。不要担心其他的。作为工程师，我们喜欢要求一切，我们说：“我们可以最大化，我们可以优化，我们可以实现。”也许我们也可以做到，但如果你只选择那些你真正想实现的事情，你的生活会更轻松，这些事情当然是你必须真正关注的工作。

你对混凝土的要求越多，它就会越昂贵，你成功的可能性就越低。如果你不成功，那就不好了，因为混凝土通常会硬化，而当它硬化后却不正确时，你就不得不移除它，那可不好。

混凝土混合物的通用标准

然而，通常情况下，所有混凝土混合物都有一些我们总是追求的特定标准：

• 和易性（Workability）：我们总是希望它们具有良好的和易性。这是关于可施工性的一种思考方式，它取决于你正在建造什么。所以，如果你要将混凝土泵送到建筑顶部，或者你正在建造一堵墙、一块板、一座桥或路面，你可能希望你的混凝土有所不同。每种情况都有不同的要求和不同的混凝土施工方式，不同的可施工性或和易性。你必须理解这一点并相应地调整你的混凝土。

• 强度（Strength）：每种混凝土都需要强度，但它只需要足够的强度。所以，我们必须问自己，“它没有足够的强度吗？”过高的强度并不能帮助你，额外的强度并不能使混凝土更好。现在就把这个概念牢记在心：你只需要足够的强度，也就是所需的强度。

• 耐久性（Durability）：这是混凝土在使用寿命期间的性能表现。在我看来，耐久性比强度重要得多。你需要足够的耐久性，它必须具备这种能力。我们必须让它持久，我们需要它能留在这里，以至于我们的子孙后代都能使用它。

• 经济性（Economy）：这是关于成本效益。如果你设计并尝试制造不具成本效益的东西，它们就不会被使用，也不会被任何人利用。这是一个巨大的挑战。

那么，什么控制着所有这些关键要求呢？首先我们从和易性开始。

和易性由浆体的数量和粘度控制。什么是粘度？粘度是抵抗流动的能力。就像蜂蜜一样，它非常抵抗流动，因此具有高粘度。

所以，浆体越多，骨料在混合物中移动就越容易。而浆体的粘度是我们用来控制我们想要的东西的另一个杠杆。粘度通常由以下几个因素控制：

1. 水含量（Water Content）：这是一个非常非常重要的参数，可能是配合比设计中最重要的参数之一。

2. 水灰比（Water-Cement Ratio）或水胶比（Water-Cementitious Materials Ratio）：因为我们有越来越多奇特的、不同的水泥和胶凝材料，我们通常会改成使用“水胶比”，它就是水的质量除以水泥的质量。这非常重要，也非常有用。当这个数值上升时，混凝土会更容易流动，粘度会下降。

3. 外加剂（Admixtures）：这是另一个非常有用的杠杆，非常强大。它可以在不改变水灰比影响的情况下帮助我们改变混凝土的粘度，这对于很多事情都很重要，比如强度和耐久性。我们不想随便改变它，必须小心。

4. 骨料级配（Aggregate Gradation）：骨料的粒径分布、形状和纹理也都非常重要。我们稍后会讨论这些。

强度通常由水灰比控制。水灰比越低，强度越高，逐点递增。这方面我们稍后会有更多内容。

你的骨料也很重要。骨料在混凝土混合物中占据了巨大的体积，所以如果骨料质量很差，你的混凝土就不会有很高的强度。此外，如果骨料是细长的，它们会在混凝土内部产生应力集中，导致混凝土过早开裂，并降低混凝土的强度。所以，这又是骨料对混凝土强度重要的另一个原因。

此外，结合也很重要，即水化浆体如何结合或粘附骨料，这非常重要。

耐久性的控制

耐久性，哦天哪，这对我来说真的非常重要。

• 水灰比：一个重要的影响因素。

• 气泡体系（Air Void System）：也很重要。

• 浆体的化学抗性（Chemical Resistance of the Paste）：这是另一个非常非常非常重要的因素。

• 辅助胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）：包括粉煤灰、高炉矿渣、硅灰和天然火山灰。这些通常是其他行业的废料，或者我们从地下开采并煅烧的材料，我们将其添加到混凝土中，以尝试改善它，尝试与硅酸盐水泥产生更好的反应。还有很多其他的，但它们对耐久性、抗裂性和抗外部化学物质渗透性都非常重要。所有这些都能帮助控制耐久性，我们希望这些都能做到，我们希望达到最低限度。

经济性方面，混凝土中最昂贵的材料是水泥。好的，我稍后会展示一些数据。

如果你通常可以减少混凝土中的水泥用量，你通常可以省钱。并非总是如此，因为它还取决于其他成分的昂贵程度。但通常情况下，这是降低混凝土成本的好方法，减少水泥用量。

如果你能最大限度地利用SCMs（辅助胶凝材料），这些是废弃产品，如果你能大量使用它们，你就会使用更少的水泥。通常，这是一种省钱的方法。

如果你能减少人工，即放置和修饰混凝土所需的时间。他们需要多少次进入混凝土才能做得好？如果你能最大限度地减少这些，你就会省钱。

如果你能减少特殊设备的使用，这些设备必须有专门的地方放置这种混凝土，它们必须有专门的泵来泵送它，而这些泵只能在100英里外的地方找到，那就不好了。你希望你的混凝土是通用的，适用于日常使用的工具和设备。

此外，运输距离也很重要。如果你使用特殊骨料来制造它，而这些骨料只能在遥远的其他州才能获得，你就不会省钱，它们就不会被使用，或者人们就不会使用你的混凝土，那就不经济了。

配合比设计：平衡的艺术

我们应该追求什么？混凝土配合比设计是一项平衡的艺术。如果我们试图在一个方面推得太远，就会在另一方面造成问题。我们必须理解所有这些是如何结合在一起才能制造出优质混凝土的。这确实很有挑战性，但当它成功时，会非常令人印象深刻。

现在我们来谈谈典型混凝土配合比的比例。别担心，我们将学习一些非常非常复杂的计算混凝土配合比的方法。但你得到的结果通常会落在这些范围内，这是一个大秘密。如果它们不落在这些范围内，那么你需要思考一下为什么，你是否有特殊的骨料，或者特殊的性能，或者你正在尝试做一些疯狂或不同的事情？因为如果不是，如果你正在做典型的混凝土，它们通常会落在我要展示的这些标准中。

所以，我在这里有一张表格，显示了典型的体积比例。我用的是体积，不是重量，是体积，关于混凝土混合物。如果我们有这些成分，我们有粗骨料、细骨料、浆体（即水加水泥）和空气（即混凝土中稳定的气泡），这加起来是100%。

典型配合比体积比例

如果你想要低和易性的混合物，这可能像是3英寸坍落度。为什么我们需要这种？嗯……也许用于路面，也许用于墙壁，也许用于不需要太多流动的东西，大约3英寸或3到4英寸的坍落度。通常你会得到大约42%的粗骨料，28%的细骨料，24%的浆体和6%的空气。

现在，这并不意味着这些数值是精确的，因为这种方法是一种估算值的方法，它们可能在任何类型上都有1%到3%的差异。

现在，如果你想要高和易性混凝土，这可能是6到8英寸的坍落度。有时，这些是你通常会在混合物中使用的数值。现在让我们看看这两者之间的差异。请注意，粗骨料下降了一点，细骨料下降了一点，而浆体上升了。正如我一开始说的，如果你想要更易流动的混凝土，通常你需要更多的浆体。变化大约是6%，你注意到我在这里精确地取出了3%的粗骨料和3%的细骨料。现在，对于最佳方法有很多争论，我们会不时地讨论更多。

骨料的重要性

总之，有时这些不重要，有时则重要。这取决于具体情况，但请注意，我取出了一定量的骨料，并将其放入了浆体中。这是改变和易性的典型方式。

现在，另一个很好的地方是，如果你看这里的总数，它接近70%。你混合物中大约70%的体积是骨料。是的，这很多。这就是为什么理解骨料如何影响你的混凝土混合物如此重要的原因。这是一个未来的视频。

现在，获取一个比例尺是真正了解这些事情的更好方法。我这里有一个堆叠的条形图，它显示了粗骨料的量、细骨料的量、浆体的量和空气的量，所有这些都按比例绘制。好的，你可以看到浆体和细骨料非常相似，而粗骨料是最大的一部分。这是一个堆叠的条形图，你可以轻松地进行比较。再说一次，浆体和细骨料非常相似，另一个是粗骨料最大，下面是空气的量。

空气的作用

现在，关于空气的另一个很棒的事情是，大多数人认为添加空气只是为了耐久性，但添加空气对很多属性都很好。它能使混凝土更具和易性。如果你在混凝土中添加空气，你就是在向客户出售空气，更多的空气，空气是免费的，我们一直都在呼吸它，它就在我们身边，哇，这很酷。

典型比例与未来展望

所以，正如我之前所说，这些是典型数值，但你会惊讶于你如何接近典型数值，它们是你在日常混凝土生产中计算或使用的实用数值。

当使用骨料时，典型的比例是60%的骨料体积是粗骨料，40%的骨料体积是细骨料。许多许多现代混凝土混合物会使用两种粗骨料。就像在大多数混凝土中一样，目前大多数创新工作实际上至少使用两倍以上的粗骨料来改善粒径分布。我们稍后会讨论这一点。

例如：如果你不使用60%的粗骨料，你可能会使用两种粗骨料，这些数值大约是40%和20%，这会根据骨料的级配而变化，但细骨料仍然接近40%。

好的，这是接下来的介绍，关于骨料以及它们如何影响混凝土混合物，以及更多内容。谢谢！

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