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1、一種新型混凝土拌合物水膠比-強度預控制技術的研制濟南四建（集團）有限責任公司混凝土技術創新QC小組2016年3月6日一、小組概況： 濟南四建（集團）有限責任公司混凝土技術創新QC小組表1 小 組 概 況 表小組名稱混凝土技術創新QC小組成立日期2009年3月2日課題名稱一種新型混凝土拌合物水膠比-強度預控制技術的研制課題類型創新型TQC教育學習情況人均72小時注冊時間2009.3.4組長李海波成員人數9注冊號JSJQ-03活動時間2015年3月52016年3月5日活動次數15出勤率100%序號姓名性別年齡文化程度職稱組內分工1李海波男36大學本科工程師制定和組織實施方案，總結改進2陳朋強男332、大學本科工程師實施方案、總結改進3于憲波男36大學本科工程師 實施方案、效果檢查4陳平男35專科助理工程師實施方案、效果檢查5祁靖斌男43專科助理工程師實施方案、效果檢查6王君女32大學本科助理工程師資料整理、總結改進7張延杰男26大學本科助理工程師實施方案8李宗德男24大學本科技術員實施方案9張博陽男24大學本科技術員實施方案 制表：王君 2015年3月5日二、選擇課題：（一）問題的提出 隨著改革開放不斷深化，全國掀起了一輪又一輪的建設熱潮，但隨之出現的一些建筑結構安全問題越來越突顯，“豆腐渣”等混凝土強度質量問題也在逐年攀升,對社會造成的惡劣影響是深遠的，由于國家標準規定的混凝土強度檢測需3、要28天齡期，因而，在出廠、交付和澆筑混凝土時，混凝土強度是未知的，能夠控制的還僅僅是混凝土施工工作性（坍落度、和易性），待到28d強度檢測結果出來一旦不合格，加固也好，拆除也好，經濟損失和結構安全問題已無法避免了。其中很重要的一個原因是混凝土強度檢驗的滯后性、缺乏對混凝土強度的預控制、特別是缺乏對表征混凝土強度的水膠比指標及時有效的檢測方法和評價標準，對混凝土工程質量造成了很大的隱患。隨著國家對混凝土結構安全問題的關注和管理力度不斷提升，這就需要改進和研發新的檢測方法和控制手段去有效地、及早地評估、預控制和規避出廠、澆筑時的混凝土風險，如何改進發展新的檢測方法和預控制手段，成為擺在我們面前急4、需解決的問題。（二）2015年3月5日至19日，關于濟南市混凝土強度質量情況、混凝土拌合物水膠比測定方法及強度預控制技術的調查1、據山東省混凝土協會的統計結果和提供的信息顯示：山東省2014年混凝土總產量約為8033.3萬立方，濟南市2014年混凝土總產量約為1200萬立方，濟南市預拌混凝土強度質量情況經調查交貨檢驗強度不合格率約為0.2%，相關檢測、鑒定及加固等經濟損失費用約120500萬元。濟南四集團建混凝土攪拌中心2014年混凝土產量為73.8萬立方，合計3542個出廠批次，出廠混凝土28d強度統計情況見下圖1。圖1 分析：由圖1可知28d出廠強度不合率為0.03%；28d出廠強度達到配5、制強度的95%105%的批次數量占總批次數量的百分比越大說明控制水平越高，統計值為78.06%，說明現有的控制水平較低；28d出廠強度平均標準差為6.3MPa，質量波動較大。 2、經調查，未發現山東省預拌混凝土企業、檢測公司采取關于混凝土拌合物水膠比的檢測方法及及強度預控制技術；經科技查新可知：國際上其他國家存在關于混凝土拌合物水膠比測定方法，例如“氣流計量器方法”是通過測定水泥混凝土拌合物的含氣量與含水率的相關性來推斷水膠比，“單位稱量法”是測定水泥混凝土拌合物的質量與含水率的相關性來推斷水膠比，“試劑濃度法”是通過測定試劑在水泥混凝土拌合物含水中濃度與含水率的相關性來推斷水膠比，“中子方法6、”是通過測定水泥混凝土拌合物含中含氫元素量與含水率的相關性來推斷水膠比，“電容方法”是通過測定混凝土拌合物的電容量與含水率的相關性來推斷水膠比，這些方法都是通過測定與混凝土拌合物含水率有相關性的技術指標并借助相關的規律來間接的測定混凝土拌合物水膠比，因而隨著混凝土拌合物配合比、成份以及環境的變化，該技術指標與混凝土拌合物含水率有相關性規律會出現相應的變動，因而存在較大的檢測誤差、研發投入資金較大，此外，這些相關的水膠比檢測設備價格高昂，有的甚至高達幾十萬元，不利于推廣使用。（三）確定課題2015年3月20日，本著準確、快速、高效、經濟的原則，為加強對出廠、澆筑混凝土水膠比和混凝土強度的檢測、評7、價和預控制，為保障建筑工程結構安全、避免重大質量事故的發生和減少經濟損失，我們開展了這一課題：“一種新型混凝土拌合物水膠比-強度預控制技術”。三、設定目標及可行性分析（一）活動目標小組活動目標量化分解為6項，見表2： 表2 小組活動目標項 目現有值目標值混凝土拌合物水膠比檢測誤差 0.01混凝土拌合物水膠比測定耗時 30min出廠混凝土拌合物水膠比值在控制區間范圍內出廠強度不合格率0.03%028d出廠強度達到配制強度95%105%的批次數量占總批次數量的百分比78.06% 90%混凝土強度標準差6.3MPa 4MPa 制表：王君 2015年3月20日（二）可行性分析1 曾有水平：小組先期科研8、項目廢棄新拌混凝土回收利用技術通過了省級科技成果鑒定，并申請發明專利一項。2 良好基礎:我小組在人員素質、業務能力、試驗條件、生產條件、實踐經驗上具備良好的基礎，經過努力完全可以實現。3 不利因素：影響混凝土拌合物水膠比的因素較多、情況多變復雜。結論：我小組制定的活動目標確定為是可行的。四、提出方案并確定最佳方案 （一）提出方案2015年3月21日至4月10日，通過多次召開頭腦風暴會議，查詢了相關技術資料，并咨詢多名專家，最終確定了三個方案。 方案一：通過檢測砂、石含水率確定和控制混凝土拌合物水膠比。方案二：通過普通干燥方法測定混凝土拌合物的含水率，從而測定混凝土拌合物水膠比。方案三：結合均化9、處理、抑制水化處理、混砂處理和烘干處理測定混凝土拌合物水膠比，確定出合理的水膠比控制區間作為評價標準，從而對混凝土拌合物水膠比進行評價和作出相應強度的預控制措施。 （二） 方案分析、評價及選擇方案分析、評價及選擇，見表3： 表3 各方案的可行性分析及評價表方案方案分析、評價是否采用方案一1、 影響混凝土拌合物水膠比的因素不僅僅是砂、石含水率，混凝土生產設備的計量誤差及配料閥門故障也會對生產的混凝土拌合物的水膠比較大影響；2、 實際生產時，砂、石含水率的波動隨著時間和不同進場批次會出現較大的隨機性波動，就算加大檢測含水率的頻次，檢測和生產也無法做到完全同步，檢測的指導作用也會出現很多紕漏。不采用10、方案二1、 普通的干燥測定方法只是通過簡單的烘干來測量烘干前后的重量差值計算混凝土拌合物含水率；2、 普通干燥方法由于不考慮干燥過程中水化反應消耗一定質量水的問題，易造成測定的含水率偏低問題，因而存在較大的測定誤差。3、 普通干燥方法只是將混凝土拌合物試樣進行簡單的烘干，烘干過程中會迅速凝固成一整個團狀，這樣就會鎖住一部份水份無法散失，因而存在較大的測定誤差，而且需要烘干時間較長、效率低下、檢測離差也較大。不采用方案三1、 均化處理是通過摻入微量的增稠劑提高混凝土拌合物的勻質性，從而大大改善了取樣的代表性；2、 抑制水化處理是通過摻入一定量抑制水泥水化的外加劑，可將參與水化的水的質量降到最低，11、可大大提高后續烘干處理過程中水散失的效率，從而大大降低了檢測誤差。3、 混砂處理是通過摻加一定比例和顆粒級配的干燥狀態的砂子與混凝土拌合物試樣充分混合，可極大地增加水泥漿與空氣的接觸面積，消除了混凝土的結團現象，從而極大地提高后續烘干處理過程中水散失的效率，有助于縮短烘干時間，同時降低了檢測誤差。4、 制定有效的水膠比控制區間作為評價標準，測定的水膠比超出了一定控制區間，強度相應地也會超出允許的范圍，為此生產配合比要作出相應的調整，對問題混凝土采取返工、降級等處理措施，從而實現強度的預控制，避免用于澆筑的混凝土出現強度不合格問題。采用 制表：王君 2015年4月10日（三）確定最佳方案1、2012、15年4月11日至4月15日，本QC小組經研究確定的新型混凝土拌合物水膠比測定方法原理為：通過抑制水化處理、混砂處理和干燥處理測定出混凝土拌合物干燥脫水量，干燥脫水量與干燥過程中參與水化反應的水量之和即為混凝土拌合物用水量，混凝土拌合物用水量與膠凝材用量的比值即為混凝土拌合物水膠比，具體方法流程，見圖2圖13，具體步驟如下：（1）取樣：取樣符合GB/T 50080（普通混凝土拌合物性能試驗方法）中第2條規定。（2）均化處理抽取混凝土拌合物試樣：取樣后立即將均化劑摻入混凝土拌合物試樣中，攪拌25分鐘，混合均勻。（3）抑制水化處理和混砂處理：稱取一定量的干燥的砂子和一定量的抑制水化劑，然后與混凝土13、拌合物試樣進行充分混合攪拌。（4）干燥處理：混砂攪拌完畢后立即將混合試樣置于溫度為1005、鼓風風量為90150m3/h的電熱式鼓風干燥箱中干燥至恒重，或者將混合試樣置于微波爐中火干燥至恒重（微波加熱每次時間不宜超過10min，含有金屬物質的試樣不得使用微波加熱）；（5）混凝土拌合物用水量計算和水膠比修正計算：混凝土拌合物干燥脫水率為干燥前后混合試樣的質量差值與混凝土拌合物試樣質量的比率，參與水化反應水膠比為干燥脫水量除以膠材量的比值與理論水膠比的差值，用水量校正值為參與水化反應水膠比與膠材量的乘積，用水量為干燥所脫去水的質量與用水量校正值之和。用水量與膠材量的比值即為混凝土拌合物水膠比。 圖14、2 圖3 濟南四建攪拌中心混凝土生產 圖4砼出廠接料 圖5砼試樣狀態離析 圖6試樣均化處理 圖7 均化后按對角線取樣 圖8 加入抑制水化劑和干砂 圖9一致水化處理和混砂攪拌 圖10 消除水泥結團、攪拌均勻 圖11 微波爐烘干 圖12 烘干箱烘干 圖13 烘干后的試樣 2、2015年4月16日至4月20日，本QC小組經研究確定的以水膠比為控制指標的強度預控制技術流程為：測定生產的混凝土拌合物水膠比，對水膠比進行分析評定，當水膠比測定值與設計水膠比出現較大偏差且超出控制區間時預示出強度有不合格的風險，對該批次水膠比不合格的混凝土進行處理，調查分析造成此次水膠比波動的原因，提出并實施改進方案措施，并15、對方案實施后混凝土拌合物水膠比進行測定，驗證實施效果。混凝土拌合物水膠比測定及強度預控制技術流程，見圖14。 圖14五、制定對策 2015年4月21日至4月25日，我小組針對確定的最佳方案，制定了具體的對策措施，見下表4： 表4 對 策 表 序號對策目標措施責任人實施時間1水膠比測定中的均化處理和取樣方法勻質性和取樣代表性良好：兩次取樣的混凝土拌合物試樣中石子含量極差不大于2%，所測定的干燥脫水率極差不大于0.2%1、均化劑摻入砼試樣中攪拌混合均勻。2、按照均化劑不同摻量進行試驗,石子含量極差和干燥脫水率極差為最低值時且滿足目標要求的所對應的均化劑摻量即為最佳摻量；3、從受檢砼試樣不同的對角方16、位鏟取混合作為試樣；4、混凝土拌合物試樣質量按照不同的粗骨料最大粒徑選取不同的取樣量進行試驗，石子含量極差和干燥脫水率極差滿足目標要求且烘干時間最短時的所對應的取樣量即為最佳取樣量；李海波張延杰2015年4月26日5月26日2水膠比測定中的混砂處理烘干時間不大于20min1、混合試樣攪拌混合25min，直至完全消除水泥漿結團；2、按照不同砂砼質量比例進行試驗，烘干至恒重所用時間的最小值即為最佳比例。陳朋強張延杰2015年4月26日5.26日3水膠比測定中的抑制水化處理參與水化反應的水膠比不大于0.021、經試驗繪制不同抑制水化劑摻量與所測定出的混凝土拌合物試樣脫水率相關曲線圖，曲線峰值處即為抑17、制水化劑最佳摻量，所對應的參與水化反應的水膠比為最低值；2、按照確定的抑制水化劑最佳摻量進行25次試驗得到配制的理論水膠比與測定的水膠比之差的算術平均值即為混凝土拌合物干燥過程中參與水化反應的水膠比，即作為水膠比校正值，混凝土拌合物用水量校正值為水膠比校正值與膠材量的乘積。陳朋強張博陽2015年4月26日5月26日4以水膠比為控制指標的的強度預控制1、在設計膠水比為中心上下浮動的水膠比控制區間所表征的強度波動浮動幅度應在配制強度的10%范圍；2、出廠強度達到設計強度等級。1、通過對不同材料和不同水膠比進行試驗得出混凝土強度隨膠水比的變化規律得出相應該設計強度等級的混凝土水膠比控制范圍；2、水膠18、比不合格的混凝土的處理措施分為降級使用、返工和做廢。3、改進方案措施：當測定的水膠比大于水膠比控制區間上限時，重新調整生產配合比，根據水膠比超出上限的幅度計算出用水量降低值，當因某種材料中雜質含量過多造成外加劑相容性變差導致用水量增加時還應適當提高外加劑用量或停止使用該材料并更換更適合的材料，當因設備計量或閥門故障造成配料出現大的誤差時，應停止使用該設備并及時修理和校正計量誤差。李海波陳朋強李宗德2015年4月266月26日 制表：王君 2015年4月25日六、對策實施對策實施一：混凝土拌合物水膠比測定中的均化處理和取樣方法2015年4月26日至5月26日，本QC小組對對策一進行了實施，具體如19、下：1、 稱取一定量的均化劑（纖維素醚類增稠劑）摻入砼試樣中攪拌25分鐘混合均勻。2、其他因素和方法不變，分別按照（混凝土拌合物試樣質量的百分數）0，0.01%，0.02%，0.04%，0.08%均化劑摻量分成5組，每組取2個砼試樣測定含石量和干燥脫水率并計算其極差，試驗結果統計見圖15，由圖可知：當均化劑摻量為0.04%時所測定砼試樣測定含石量極差為1.3%（2%）和干燥脫水率極差為0.18%（0.2%），都達到最低值且滿足所設定的目標。圖153、從受檢砼試樣不同的對角方位均勻地鏟取然后混合作為試樣，有助于提高取樣的代表性；4、其他因素和方法不變，分別對骨料最大粒徑為25mm和31.5mm的20、受檢砼試樣按照取樣量為250g、500g、1000g、2000g、4000g均化劑摻量分成10組，每組取2個砼試樣測定含石量和干燥脫水率并計算其極差并計算烘干至恒重所需的時間，試驗結果統計見圖16和圖17，由圖可知：當骨料最大粒徑為25mm時取樣量為500g時所測定砼試樣含石量極差為1.8%（2%）和干燥脫水率極差為0.17%（0.2%），烘干時間為15min為滿足所設定的目標的最小耗時。當骨料最大粒徑為31.5mm時取樣量為1000g時所測定砼試樣含石量極差為1.9%（2%）和干燥脫水率極差為0.19%（0.2%）滿足所設定的目標，烘干時間為26min為滿足所設定的目標的最小耗時。 圖16 21、圖17 對策實施二：水膠比測定中的混砂處理2015年4月26日至5月26日，本QC小組對對策二進行了實施，具體如下： 1、混合試樣攪拌混合25min，注意一定要完全消除水泥漿結團； 2、其他因素和方法不變，按照骨料最大粒徑為25mm、砼試樣量為500g，按照砂砼質量比例為0、0.5、1、2、3、4分成6組，每組取2個砼試樣測定烘干至恒重所用時間，試驗結果統計見圖7，由圖18可知：砂砼質量比例為2時砼試樣烘干至恒重所用時間為15min（20min），為最低值，達到設定的目標。圖18對策實施三：水膠比測定中的抑制水化處理2015年4月26日至5月26日，本QC小組對對策三進行了實施，具體如下： 122、其他因素和方法不變，按照骨料最大粒徑為25mm、砼試樣量為500g，理論水膠比為0.45，膠材量為420kg/m3，砂砼質量比例為2，按照抑制水化劑摻量（混凝土拌合物試樣質量的百分數）為0、0.5%、1%、1.5%、2%、3%分成6組測定出的混凝土拌合物試樣脫水量，試驗結果統計見圖19和圖20，由圖8和圖9可知：抑制水化劑摻量為2%時，混凝土拌合物試樣脫水率為7.58%達到為峰值拐點，即為抑制水化劑最佳摻量，所對應的參與水化反應的水膠比為0.018，為最佳摻量。 圖 19 圖202、確定的抑制水化劑最佳摻量為2%，按照不同強度等級、原材料和配合比經25次試驗得出所對應的參與水化反應的水膠比平23、均值為0.02，滿足所設定的目標，確定水膠比校正值為0.02。對策實施四：以水膠比為控制指標的的強度預控制2015年4月26日至6月26日，本QC小組對對策四進行了實施，具體如下：1、分別按照C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C60，步長為0.05經計算確定3個水平的水膠比，共8組進行配合比試配試驗，經回歸得到混凝土強度與膠水比的線性關系，確定出了各強度等級混凝土強度波動浮動幅度在配制強度的10%范圍所對應的水膠比控制區間，見表5。 表5 水膠比控制區間規定強度等級C15C20C25C40C45C60在設計水膠比為基點的允許的波動范圍設計水膠比0.03設計水膠比0.02設24、計水膠比0.015 2、通過前3次對策實施進行分析和總結確定混凝土拌合物水膠比測定方法，測定生產混凝土水膠比，對水膠比不合格的混凝土的處理措施分為降級使用、返工和做廢。返工具體措施為：按照生產水膠比超出設計水膠比的幅度計算出應補充的膠材量，并將補充的膠材與水膠比不合格的混凝土進行混合攪拌均勻。 3、改進方案措施：（1）當測定的水膠比大于水膠比控制區間上限時，重新取樣復檢砂、石含水率，根據所測定的水膠比超出表5規定的上限的幅度計算出用水量的降低值，重新調整生產配合比；（2）當因某種材料中雜質含量過多造成外加劑相容性變差從而導致在達到規定的坍落度的用水量增大時還應適當提高外加劑用量或停止使用該材料25、并更換更適合的材料；（3）當因計量或閥門開關等設備故障造成配料出現大的誤差時，應停止使用該設備并及時修理和校正計量誤差，直至滿足標準規定允許的計量誤差要求；（4）以上措施實施后應再次取樣測定水膠比，驗證是否達到預期效果，如達不到應繼續采取相應措施直至達到要求。七、效果檢查 對策實施完畢后，2015年6月27日2016年2月20日，我小組對制定對策的實施效果進行了檢查，檢查結果表明各項對策實施效果均達到了目標，見表10。 表10 效果檢查表檢查時間目標檢查方法檢查結果效果評定檢查人2015年6月26日7月26日混凝土拌合物水膠比檢測誤差0.01固體材料都為干燥狀態下分別按照C20C60混凝土進行26、9組試配和水膠比測定試驗，每組3個批次，合計27次試驗，將理論水膠比作為真值，水膠比檢測誤差為水膠比測定值與理論水膠比的差值經統計，27次試驗的水膠比均在理論水膠比0.01范圍內，即水膠比檢測誤差0.01達到目標于憲波祁靖斌2015年6月26日7月26日混凝土拌合物水膠比測定耗時30min分別按照C20C60混凝土進行9組水膠比測定試驗，計算試驗耗時經統計，9次試驗的耗時均小于30min，平均試驗耗時為28min達到目標陳平于憲波2015年6月26日2016年2月2日出廠混凝土拌合物水膠比值在控制區間范圍內對600個批次的生產混凝土水膠比檢測數據統計得出其中總共有45個批次水膠比超出控制區間，27、對這45次混凝土進行了降級使用、返工和做廢等處理，并調整了配合比進行生產，并進行水膠比測定經統計，出廠混凝土拌合物水膠比值均在控制區間范圍內達到目標陳平祁靖斌 續表10 效果檢查表檢查時間目標檢查方法檢查結果效果評定檢查人2015年6月26日2016年2月20日出廠強度不合格率為0對600個批次的生產混凝土強度檢測并數據統計和評定。經統計，出廠強度不合格率為0達到目標于憲波祁靖斌2015年6月26日2016年2月20日28d出廠強度達到配制強度95%105%的批次數量占總批次數量的百分比90%對600個批次的生產混凝土強度檢測并數據統計和評定。經統計，28d出廠強度達到配制強度95%105%的28、批次數量占總批次數量的百分比為92%達到目標陳平于憲波2015年6月26日2016年2月20日混凝土強度標準差4MPa對600個批次的生產混凝土強度檢測并數據統計和評定。經統計，28d出廠混凝土強度標準差最大值為3.6MPa達到目標陳平祁靖斌 制表：王君 2016年2月21日八、效益分析（一）經濟效益本QC小組所開展的“一種新型混凝土拌合物水膠比-強度預控制技術” 成果可有效減少因強度質量問題造成的經濟損失,2015年度600個混凝土生產批次中共發現45批次水膠比不合格混凝土，及時進行了處理和調整，出廠混凝土和工程施工驗收混凝土強度合格率達到100%，挽回因強度不足造成經濟損失約20萬元；此外29、，本課題成果還有助于精細化管理的實施，通過對所生產和施工混凝土水膠比的跟蹤測定和評價，十分有利于保證經濟型混凝土配合比的有效實施，從而實現低成本化生產。（二）社會效益： 本QC小組所開展的“一種新型混凝土拌合物水膠比-強度預控制技術” 成果為混凝土水膠比的檢測提供了較為準確、快速和高效的方法，為混凝土水膠比的評價提供了依據，為強度預控制提供了有效的措施，大大提高了強度預控制水平和混凝土強度的合格率，避免了重大質量事故的發生，從有力地保障建筑工程結構安全；本項目具有廣闊的應用空間，既可用于混凝土生產企業的內部生產質量控制，也可用于工程施工混凝土澆筑的現場檢驗、驗收以及第三方試驗室檢測。九、措施鞏固 將本活動中所制定的對策措施納入集團公司管理制度，盡快形成施工工法、標準規范，研發的混凝土水膠比測定方法與協作單位共同申請發明專利成功。十、遺留問題及下步打算 活動后目前存在的“水膠比檢測設備沒有實現自動化”問題比較突出，在一定程度上限制了檢測效率，還有待進一步的研究和改善，并把它作為下次活動的課題加以解決。 13