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混凝土配合比設(shè)計(jì)靠計(jì)算還是靠經(jīng)驗(yàn)

發(fā)稿時(shí)間:2024-01-02

混凝土技術(shù)人員對(duì)配合比設(shè)計(jì)方法的追求一刻沒有停止過,新的配合比方法還在不斷被創(chuàng)造出來,到底配合比需不需要計(jì)算,還有一定的分歧。


要討論混凝土配合比是否可以計(jì)算的問題,水灰比定律是一個(gè)不可回避的問題,雖然水灰比與經(jīng)典的牛頓三大定律相比,顯得丑陋不堪,不值得推敲。


也許正是水灰比定律的粗糙不堪,導(dǎo)致一些混凝土技術(shù)人員不認(rèn)為混凝土是科學(xué),僅僅是一種技術(shù)。


1918年,美國(guó)的混凝土專家阿伯拉姆氏提出的水灰比定則對(duì)混凝土發(fā)展影響深遠(yuǎn),直到今天還被沿用著,同時(shí)也被很多混凝土技術(shù)人員議論著。


幾乎每個(gè)混凝土技術(shù)人員都知道:“在一定的材料和試驗(yàn)條件下,只要混凝土混合物是塑性的,混凝土的強(qiáng)度則取決于拌和水的數(shù)量”其公式為:


f=A/Bx


式中,f——6英寸直徑、12英寸高(中15×30厘米)圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度,A和B——常數(shù),隨水泥質(zhì)量、齡期、制作、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)等方法不同而不同,X——水灰比(W/C),按體積計(jì)。

現(xiàn)在來回顧水灰比定則,本著溫故知新、吸取裨益的目的出發(fā)。水灰比定律的形成要追溯到19世紀(jì)末、20世紀(jì)初,匈牙利的齊林斯基和帝俄時(shí)代的馬留迎等已經(jīng)發(fā)表類似的學(xué)術(shù)見解,尤為杰出的是法國(guó)的菲萊特,在1892年就提出了水泥空隙比的學(xué)說,并列出著名的公式如下:



以上各式中,

R——混凝土或砂漿的抗壓強(qiáng)度,c、e、v、s、g分別為水泥、水、氣泡、細(xì)集料、粗集料的絕對(duì)體積,

A——集料的絕對(duì)體積,1-A=c+e+v;K——菲特萊系數(shù),取決于混凝土或砂漿的齡期、水泥性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)方法等條件,根據(jù)菲萊特當(dāng)時(shí)的測(cè)定K=1828kg/cm2。


令人驚奇的是菲萊特在九十年前就從影響混凝土強(qiáng)度的錯(cuò)綜復(fù)雜的諸多因素中,提出以空隙作為唯一的重要因素。


菲萊特的水泥空隙比學(xué)說成為開啟混凝土材料科學(xué)的大門的鑰匙,“混凝土學(xué)”的序幕可認(rèn)為從此揭開。

菲萊特比阿伯拉姆氏先行了二十多年,以水泥空隙比學(xué)說與水灰比定律相比,在學(xué)術(shù)水平上可以說是有過之而無(wú)不及。阿伯拉姆氏的水灰比定律提出以后,比水泥空隙學(xué)更為較多的人所接受,并非是阿伯拉姆氏的僥幸,阿伯拉姆氏的水灰比定律提出時(shí),已有足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并制成系統(tǒng)的曲線,導(dǎo)出可以定量的公式,但與其它自然科學(xué)一般的定律比較,容易發(fā)現(xiàn)它的破綻,似乎還不足以達(dá)到稱之為定律的程度。


但對(duì)水灰比定律提出的種種指責(zé),都還沒有從根本上撼動(dòng)這個(gè)定律在實(shí)用中的地位阿伯拉姆氏是為混凝土配合設(shè)計(jì)的需要而提出來的。多少年來實(shí)踐考驗(yàn)證實(shí),用水灰比定律的公式,估算混凝土強(qiáng)度,用水灰比最大限值,保證混凝土耐久性,確是簡(jiǎn)單而有實(shí)際效益的。


1925年,瑞士的J.Belomey(鮑羅米)提出混凝土的水灰比定則:對(duì)于一定的材料,強(qiáng)度取決于一個(gè)因素——水灰比,即混凝土強(qiáng)度與水膠比成反比,與膠水比成正比。

式中:

S——混凝土強(qiáng)度;

C——水泥體積;

V——水體積;

A——空氣體積;

K、K′——回歸系數(shù)


保羅米公式中是沒有水泥強(qiáng)度因素的,水泥強(qiáng)度和砂石及其他因素都含在回歸系數(shù)中。前蘇聯(lián)將鮑羅米公式進(jìn)行改造,將混凝土配制強(qiáng)度和水泥材料考慮進(jìn)去以后就變成:


式中:

Rc——水泥實(shí)際強(qiáng)度(MPa;

C——水泥用量;

W——用水量(kg/m3);

A,B——與石子類型有關(guān)的兩個(gè)系數(shù)。


20世紀(jì)80年代后,礦物摻合料和高效減水劑的大量使用,在多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上,《普通配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)又將此定則改為水膠比:




阿伯拉姆氏的水灰比定律簡(jiǎn)單地把混凝土強(qiáng)度的因素歸結(jié)為水灰比而忽視了骨料的粒徑和用量對(duì)強(qiáng)度的影響,認(rèn)為只有當(dāng)骨料的性質(zhì)影響到混凝土用水量時(shí),才能間接地影響混凝土強(qiáng)度,簡(jiǎn)化了混凝土強(qiáng)度影響的各因素,特別忽視了骨料的作用?;炷翉?qiáng)度的影響不僅僅局限于水灰比,還有漿體與骨料結(jié)合部位的強(qiáng)度和骨料自身的性質(zhì)。


這也是后人在水灰比定律的基礎(chǔ)上加入骨料回歸系數(shù)的原因所在,即水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系式中,常數(shù)A和B,并根據(jù)不同品種進(jìn)行修正。


但水灰比公式中存在回歸系數(shù)的取值問題,國(guó)內(nèi)外對(duì)系數(shù)均有過議論,我國(guó)疆土幅員遼闊,東西南北材料千差萬(wàn)別,再加上外加劑和摻合料五花八門、種類繁多,混凝土粗、細(xì)骨料更是種類繁多、材質(zhì)多樣。


嚴(yán)格講,各地區(qū)的鮑羅米公式的應(yīng)用條件是差別很大,全國(guó)套用一個(gè)統(tǒng)一的鮑羅米公式計(jì)算視乎差異很大。影響混凝土強(qiáng)度的因素很多,有時(shí)相互牽連、相互影響,有時(shí)很難準(zhǔn)確量化,一個(gè)公式很難涵蓋所有,忽略一些因素,必然造成誤差的增加。


有些混凝土研究工作者盡量在公式中囊括混凝土強(qiáng)度的影響因素,配合比設(shè)計(jì)方法搞得有“學(xué)院派傾向”,把問題搞的很深,一些繁瑣、不容易理解的計(jì)算看著貌似很科學(xué),但卻未必實(shí)用。


混凝土配合比設(shè)計(jì)很大程度上仍然是以試驗(yàn)為主的經(jīng)驗(yàn)科學(xué),在混凝土強(qiáng)度與水膠比的計(jì)算過程中,我們并沒有把決定混凝土強(qiáng)度的因素納入到公式中。


就水灰比與強(qiáng)度關(guān)系而論,任何被認(rèn)為可信的公式都只是算出一個(gè)差不多、基本可用的水膠(灰)比,這個(gè)值只能是個(gè)大概值,要獲得基本可靠的值一種很現(xiàn)實(shí)的做法就是“多次嘗試法”,通過試驗(yàn)、比較、調(diào)整才能確定真正的最佳值。


在配合比設(shè)計(jì)時(shí),有意無(wú)意地對(duì)某種計(jì)算公式“迷信”,但不論所迷信的公式及系數(shù)設(shè)定如何合理,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),彼時(shí)彼地的原材料和施工工藝、氣候乃至施工工人總存在一些有利或者不利的因素使計(jì)算結(jié)果發(fā)生某種變異。


配合比計(jì)算本身不復(fù)雜,無(wú)非是五、七種原材料,三、四個(gè)配合比參數(shù),組成配合比的要素。


混凝土配合比設(shè)計(jì)及其生產(chǎn)應(yīng)用過程中本身綜合了很多不確定的未知因素,需要一線混凝土技術(shù)人員隨機(jī)應(yīng)變、見機(jī)行事,巧妙應(yīng)對(duì)各種因素。


一線混凝土技術(shù)人員,在實(shí)踐過程中耳濡目染,積累大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)且具有豐富的定量知識(shí),熟知配合比的規(guī)律,理論方面稍一點(diǎn)破便能掌握其中的道理。


設(shè)計(jì)混凝土配合比的方法很多,有繁有簡(jiǎn),繁的需要很多計(jì)算步驟與試驗(yàn),簡(jiǎn)單的編制成表格,只需按照表格選用,甚至很多經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)可以迅速得到切合實(shí)際又符合要求的配合比。



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