人們采用了很多不同的方法，發(fā)展了若干種理論作為混凝土配合比設計的基礎。我只需要提到其中的一小部分來(lái)喚醒你的記憶。我們現在的習慣是（我很遺憾地說(shuō)，幾乎所有人都這樣做）根據經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行混凝土的配合比設計，比如我們使用1:2:4的拌合物，而不考慮原料的特殊類(lèi)型和攪拌水的用量，也很少甚至完全不考慮所制造的混凝土的強度。毫無(wú)疑問(wèn)，這種方法是非常粗糙原始的，善于思考的工程師是不會(huì )采用這種方法的。
集料最大堆積密度法在一定程度上受到鼓勵和得到使用。該方法的關(guān)鍵是對集料進(jìn)行級配，使混合的集料具有最大密度，然后根據所生產(chǎn)的混凝土的用途確定所需要的水泥量。另一種混凝土配合比設計方法是以混合集料的空隙為基礎。確定了粗集料的空隙后，用足夠數量的砂子填充這些空隙，然后再用足夠數量的水泥填充混合集料之間的空隙。這種方法比純粹的經(jīng)驗配比法更為合理一些，但還不是建立在科學(xué)的基礎上。一般情況下，用這種方法能生產(chǎn)出相當好的混凝土，但我們的研究和其他人的測試結果表明，混合集料的空隙不是混凝土拌合物的決定因素。
混凝土實(shí)驗研究
為了給混凝土配合比設計找到正確的基礎，人們進(jìn)行了大量的試驗工作。法國工程師R. Feret的早期工作大部分都是圍繞這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的。但他的研究幾乎完全集中在砂漿方面，因此很難將他的方法直接用于混凝土拌合物。Allen Hazen在研究砂子在水過(guò)濾中的應用時(shí)，做了一些非常有趣的工作，他采用了砂子的“有效尺寸”和“均勻系數”這些概念。這對他的研究無(wú)疑發(fā)揮了作用。但很多工程師在沒(méi)有明顯理由的情況下將這些概念用在了混凝土集料的研究中，顯然，這對混凝土集料的研究起不到任何作用，因為這些概念是建立在一種或兩種篩分粒度基礎上的，對于尺寸分布寬泛的混凝土集料來(lái)說(shuō)，這些概念是非常不合適的。一個(gè)簡(jiǎn)單的比較能充分說(shuō)明混凝土集料的尺寸區別有多大。集料中既有直徑為３英寸的小鵝卵石，也有能通過(guò)100目篩的砂粒，前者的直徑是后者的500倍以上。Fuller和Thompson的工作包含了很有價(jià)值的信息。然而，我們的實(shí)驗表明Mr. Fuller在他的“最大密度曲線(xiàn)”中給出的級配對普通混凝土拌合物而言過(guò)于粗糙，換言之，根據他所建議的級配，通常用量的水泥只能制成工作性很差的混凝土。Fuller方法的另一個(gè)推論是應該將集料分離為若干不同尺寸，然后重新組合，從而更接近所謂的最大密度曲線(xiàn)。我們的研究表明將集料分離為若干不同尺寸然后重新組合，往往是不必要的或者不值得的；尤其對較細的材料來(lái)說(shuō)，這樣做難度大，成本又高。我相信這種方法在某種程度上曾經(jīng)被采用過(guò)，但是實(shí)際的困難使該方法無(wú)法獲得廣泛應用。近年來(lái)其他試驗者也對該問(wèn)題進(jìn)行了研究，比如CaptainL.N. Edwards、R.B. Young、Prof. A.N. Talbot、F.L. Roman（曾任職伊利諾斯州公路局）以及R.W. Crum（任職愛(ài)荷華州公路局）。這些人都提供了很有價(jià)值的信息，從而使我們可以從許多不同的角度來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。我們在結構材料研究實(shí)驗室從事混凝土和混凝土材料的實(shí)驗研究已長(cháng)達8年。這些實(shí)驗是與波特蘭水泥協(xié)會(huì )以及劉易斯（Lewis）研究所合作進(jìn)行的。在我們開(kāi)始這項工作的時(shí)候，還沒(méi)有關(guān)于混凝土配合比設計的正確理論基礎。因此，我們最初的研究涵蓋了若干有關(guān)配合比設計的主要內容。這些研究至今還在繼續。到目前為止，有關(guān)混凝土配合比的研究共進(jìn)行了大約10萬(wàn)次試驗，這些試驗工作主要在以下幾個(gè)方面：5. 不同類(lèi)型細集料和粗集料各自的優(yōu)點(diǎn)；11. 混凝土抗壓強度、抗拉強度、彎曲、磨損、屈服及吸收性能的對比。混凝土拌合物配合比設計的真正問(wèn)題實(shí)際上就是如何利用現有材料的特性。目前集料無(wú)法長(cháng)途運輸；我們也許很清楚地知道最理想的砂子和粗集料應該具有哪些特點(diǎn)，但我們無(wú)法獲得這樣的集料。換言之，我們只能使用現有的材料。經(jīng)過(guò)研究，我們得出了以下這些基本原則：1. 只要混凝土滿(mǎn)足工作性要求，集料清潔和堅實(shí)，則混凝土拌合物的強度取決于配合料中水的用量，可以用水和水泥的體積比率來(lái)表示。2. 不同水泥用量的效果可以通過(guò)水灰比的不同來(lái)反映。3. 混凝土配合比設計必須以集料的篩分分析為基礎。在確定混凝土工作性條件下，集料的顆粒大小和級配與所需用水量之間有著(zhù)非常密切的關(guān)系。4. 集料不一定，也不值得按照任何固定級配進(jìn)行配比；集料的級配可能會(huì )在較寬的范圍內變化，但不一定會(huì )影響水的用量或混凝土質(zhì)量。就混凝土生產(chǎn)相關(guān)的性能而言，篩分分析表達了這種材料的生命歷史，我們需要做的只是解釋這些信息，從而最好地使用這種材料。混凝土的攪拌用水主要有兩個(gè)不同作用，我們有時(shí)候并沒(méi)有意識到兩者的區別。作用之一是為水泥的水化反應提供所需水分；作用之二是形成塑性拌合物。我不認為有人已經(jīng)確定了水化反應究竟需要多少水，但我們曾經(jīng)提到過(guò)，與制造混凝土必須使用的數量相比，它只是很小的一部分，很可能不到總用水量的1/4或者1/3。超過(guò)水泥水化反應所需的那部分水只是用于制成塑性拌合物，之后被蒸發(fā)。水灰比似乎是最終決定混凝土強度和抗磨損性的因素。如果我們每袋水泥摻1立方英尺水（大約7 加侖），我們得到的水灰比為1；水摻得少一些，則水灰比小于1。通常情況下，水灰比一般為0.8或0.9，或每袋水泥摻6到6 加侖水。計算水灰比時(shí)，我們對集料所吸收的水忽略不計，但集料物理性吸附的水需考慮在內。我們在實(shí)驗室進(jìn)行的大量試驗以及其他人的試驗都表明，水灰比是研究混凝土特性的一個(gè)可靠因素。為減少混凝土澆注過(guò)程中的需水量而做出的任何努力，包括改善集料的級配、摻加更多水泥和采用不同的混凝土抹面或澆注方法—所有這些都是為了一個(gè)目的，即生產(chǎn)出更低水灰比的塑性混凝土。于是得出這樣一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：增加水泥的使用量可以解決所有劣質(zhì)混凝土的問(wèn)題，可是在我們的建筑規范和其他相關(guān)文獻中，這一點(diǎn)往往被忽略。不過(guò)，如果增加水泥的同時(shí)沒(méi)有降低水灰比，也就沒(méi)有任何積極的意義。水灰比會(huì )隨著(zhù)水泥使用量、集料級配或混凝土相對稠度的變化而發(fā)生改變；但結論始終不變，即水灰比決定著(zhù)混凝土的強度和其他特性。因此，不需要，也不值得根據任何固定的級配對集料進(jìn)行配比，采用級配差異大的集料也可以不影響拌和水量或者混凝土的質(zhì)量。混凝土的塑性或工作性是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。各個(gè)方面都會(huì )受到混凝土塑性要求的制約。如果不是因為混凝土能夠在塑性條件下攪拌和澆筑，我們就無(wú)法使用混凝土。我們必須摻入足夠的水使混凝土具備塑性，它才可以被使用。至于如何測量或控制混凝土的塑性，這是目前最受工程師們關(guān)注的問(wèn)題。他們已經(jīng)提出了若干種方法，并正在進(jìn)行大量的試驗工作。在這些方法中，可能應用最為廣泛的就是塌落度試驗，因為這種方法最為簡(jiǎn)便。標準局提出了一種叫做流動(dòng)試驗的方法，該方法將混凝土樣品放置在水平桌面上，然后在大約10秒鐘的時(shí)間內將桌子抬起、落下15次，混凝土塌落擴展，混凝土擴展后的面積或直徑的增加被作為衡量混凝土塑性的一個(gè)指標。研究開(kāi)發(fā)出令人滿(mǎn)意而又實(shí)用的混凝土塑性測量方法是一件很有必要的事情。任何用于現場(chǎng)測量混凝土塑性的方法都不應該解釋得過(guò)于嚴格。比方說(shuō)，如果我們的規范要求混凝土的塌落度為6英寸，我們不能簡(jiǎn)單地因為某批混凝土的塌落度達到了7英寸就否定它。測試的目的是確認混凝土沒(méi)有經(jīng)常性地超過(guò)規范所要求的塌落度。在大多數房屋建筑中，如果你嘗試進(jìn)行塌落度測試，你得到的結果可能高達12英寸。我們必須防止這樣的混凝土產(chǎn)生。我相信塌落度測試的意義就在于它使人們認識到房屋建筑中混凝土用水量控制的重要性。我知道很多人對這種控制的可行性持懷疑態(tài)度；有的人仍然懷疑過(guò)量的水是否會(huì )生產(chǎn)出劣質(zhì)混凝土，但我要強調我非常確定這是事實(shí)。很多時(shí)候，現場(chǎng)制造的混凝土的強度可能還達不到應有強度的20%～30%，也可能達不到設計強度的60%或70%。在這種情況下，我們發(fā)現劣質(zhì)混凝土時(shí)一點(diǎn)也不需要覺(jué)得奇怪，事實(shí)上，我們的確經(jīng)常遇到。上述原理為我們指出了混凝土生產(chǎn)的一些實(shí)際特點(diǎn)。在生產(chǎn)具有所需工作性的混凝土的過(guò)程中，拌合水的用量是非常重要的。需非常小心地嚴格限制用水量，確保摻量最少。摻水量過(guò)多的結果和大量減少水泥用量是一樣的。還有一些方法能在篩分分析的基礎上對集料進(jìn)行科學(xué)配比，無(wú)需將集料篩分成許多不同尺寸的粒級。有的集料或許不符合我們傳統觀(guān)念的要求，但也能制造出好的混凝土。比如根據愛(ài)荷華州公路局混凝土道路規范的規定，只要灘礫卵石是清潔的，幾乎任何自然的級配都可以使用，不用考慮砂子的含量會(huì )不會(huì )過(guò)高。這種方法要求砂子含量超過(guò)某一最小值后，水泥的用量要成比例增加。該規范允許使用由砂子和粗集料1：1組成的混合物或者全部使用砂子，只要水泥的含量相應提高，所生產(chǎn)的混凝土能達到規范要求的強度和抗磨損性即可。無(wú)獨有偶，伊利諾斯州公路局也允許這種做法?？八_斯州和內布拉斯加州的很多地方有大量砂子，但幾乎沒(méi)有粗集料，在那里，1:3的砂漿混合物使用效果良好。當然在不久以前，人們對這種方法可能還不以為然，但我相信其價(jià)值已得到證明，而且將來(lái)會(huì )成為一種常用的方法。對于給定的成本或最小成本，我們的問(wèn)題是要利用現有的集料得到最可能好的混凝土拌合物。關(guān)于混凝土抗壓強度，已經(jīng)提到過(guò)很多，我們也已接受抗壓強度作為度量混凝土其他所期望的質(zhì)量的指標。混凝土強度是房屋建筑和其他建筑的一個(gè)重要因素，但混凝土的質(zhì)量比強度更重要。一個(gè)建筑物暴露在溫濕度變化大的氣候條件下，也可能暴露于腐蝕性環(huán)境中，因此必須具備相當的抵抗力。雖然混凝土的強度的確在很大程度上反映了混凝土抵抗各種環(huán)境破壞作用的能力，但這種抵抗力不僅僅是強度的問(wèn)題。我們的實(shí)驗表明，就抗磨損性而言，強度的確是衡量質(zhì)量的合適指標。我昨天在這里展示的實(shí)驗則表明混凝土的彎曲強度和抗壓強度受影響的方式并不完全相同。水含量的變化對破壞模量的影響不像對抗壓強度那么大。盡管如此，我們仍然可以認為抗壓強度是衡量混凝土質(zhì)量的一個(gè)完全令人滿(mǎn)意的指標。基于我們對混凝土和混凝土集料的試驗研究，我們提出了一套表格，這些表格中列出了對于給定強度混凝土的各種材料的數量和比例。聯(lián)合委員會(huì )（Joint Committee）報告中給出了其中一部分表格，后來(lái)又補充了其他表格。表中給出了在通常條件下的混凝土配合比和原材料的數量。按照這些配合比和原材料數量，在正常養護條件下，能夠生產(chǎn)出給定抗壓強度混凝土。這些表格的主要價(jià)值在于為初步試驗研究選擇配合比以及在基礎拌合物確定后，根據材料的變化調整配合比。這些表格所提供的配合比不可能與從對材料和拌合物的初步研究中得到的以及在后續調整試驗中所獲得的配合比完全一樣。我想就美國材料實(shí)驗學(xué)會(huì )（ASTM）的標準化工作發(fā)表一點(diǎn)看法。在過(guò)去一兩年里，美國材料實(shí)驗學(xué)會(huì )在其“標準”和“出版物”中公布了以下混凝土工程師感興趣的新標準或暫行標準：1. 現場(chǎng)制造和儲存混凝土樣品的標準方法；如果你最近沒(méi)有查閱這些標準，你會(huì )為之付出代價(jià)。以前所做的很多混凝土試驗幾乎沒(méi)有任何意義，因為這些試驗違反了正確的試驗原理。由于沒(méi)有正確的標準試驗方法，人們往往無(wú)法對混凝土試驗的結果進(jìn)行合理的解釋。進(jìn)行混凝土試驗的人應該盡可能參考和遵循混凝土試驗暫定標準方法。這些標準規定了試驗的細節，從而確保不同實(shí)驗室和不同地區的試驗結果具有一致性，這是我們以前無(wú)法做到的。我們已經(jīng)探索了近40年，現在第一次有了集料篩分分析的標準方法。在此之前，幾乎每個(gè)實(shí)驗室都采用不同的篩網(wǎng)或用不同的方法紀錄篩分分析結果，于是得出的結果總有很大區別，以至于任何人都無(wú)法從其他人所做的工作中得到任何東西。將篩網(wǎng)和篩分試驗方法標準化是非常重要的進(jìn)步。
在混凝土試驗和實(shí)踐的改善與標準化方面，我們已在許多方面取得顯著(zhù)進(jìn)展，所有這些進(jìn)展將對混凝土工作的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，并在不久的將來(lái)提高混凝土的質(zhì)量水平。
