浅谈现代混凝土配合比设计的思路分析

浅谈现代混凝土配合比设计的思路分析

发表时间：2018-03-05T13:45:47.917Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第30期作者：巢岸思

[导读] 现代配合比技术相对于传统的进步，主要体现在七个方面：一是混凝土的种类变得越来越多。

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摘要：现代的混凝土工程已经不能完全适应传统的基于经验的配合比设计方法，以致于在配置的时候遇到不少问题。相关人员和机构在混凝土配合比设计发展中研究新的设计方法，包括全计算机化的设计方法、计算法、基于专家系统、配合比优化设计等。这些研究探索促进了混凝土配合比技术的快速发展。沿着设计思路，确定水胶比、浆骨比、砂率和矿物掺合料在胶凝材料中的比例，结果表明该设计思路具有很强操作性和现实指导意义。

关键词：现代混凝土；配合比设计；思路分析

一、概述

现代配合比技术相对于传统的进步，主要体现在七个方面：一是混凝土的种类变得越来越多，出现了轻骨料等高性能的混凝土；二是大型、高层和长跨结构物的出现；三是混凝土要满足的工程性能指标逐渐提高；四是混凝土的成份越来越丰富，各种外加剂、纤维和矿物粉料被使用；五是对结构物寿命要求的延长；六是条件和施工工艺的多样化；七是混凝土施工速度的加快。

传统设计方法是基于经验的，所以在实施过程中有很多的方面不能够达到现代混凝土的需要：一是其设计变量太少，主要是粗细骨料的用量、水和水泥。二是设计周期比较长。三是缺乏对耐久性等要求的设计手段，性能也没有多样化，所以它满足的只是工作性和强度。最终导致采用传统的方法设计结构的耐久性很低。四是优化配合比设计非常困难。五是对混凝土生产的计算机控制非常不利。

什么叫现代混凝土？现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、水和外加剂等组成的多相聚集体，并能满足“高工作性、高强度和高耐久性”的基本要求，是对目前高性能混凝土、高强混凝土、大体积混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、抗冻混凝土、抗渗混凝土、水下浇筑混凝土等混凝土的总概括。这些混凝土的配合比设计方法以单纯的强度为基础的计算法，已然不能全面满足其性能要求。只有综合考虑混凝土的工作性、强度和耐久性，才能设计出符合实际混凝土结构工程中对混凝土设计要求的混凝土配合比。目前，混凝土结构设计图纸里都会明确规定其设计要求，包括：环境作用等级、混凝土的工作性、混凝土强度等级、混凝土的总碱含量评估、混凝土的氯离子含量、混凝土的抗水渗透性能、混凝土抗氯离子扩散性能以及抗冻性能等。这就要求在进行现代混凝土配合比设计时，要充分考虑的因素包括：用水量、浆体和集料用量、浆体的塑性、集料的最大尺寸及其颗粒形态与表面特性、含气量、砂石比例及其组合级配等。从而解决混凝土大坍落度与坍落度损失的矛盾，混凝土变形能力和抗离析性的矛盾，混凝土流动性和黏聚性的矛盾，实现混凝土硬化后干缩收缩、抗裂缝能力强、密实抗渗透性高的目的。

二、现代混凝土配合比设计思路

2.1 确定矿物细粉掺合料掺量现代混凝土的胶凝材料除水泥中的硅酸盐水泥外，还包

括水泥中具有胶凝作用的混合材料（如粉煤灰、火山灰、矿渣、沸石粉等）以及配制混凝土时掺入的具有胶凝作用的矿物掺合料（如粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等）。进行现代混凝

土配合比设计时，对水泥及矿物掺合料用量的具体规定可参考中国土木工程学会标准 CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，并应采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度试验对混凝土水胶比的计算结果进行验证。

2.2 水胶比的计算

对于传统混凝土，其强度与水灰比成反比的保罗米公式应该适用于使用硅酸盐水泥、级配良好而洁净的河砂、粒形匀称的石子的配合比计算。但是对于现代混凝土的胶凝材料

体系都为水泥与矿物细粉料掺合料复合体，这个保罗米公式需要改进。因此，JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中为了使混凝土水胶比计算公式更符合实际情况以及普

遍掺加粉煤灰和粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料的技术发展情况，在试验验证的基础上，采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度和相应的混凝土强度进行回归分析。调整了回归系数 α a、α b，并经过试验验证，给出了粉煤灰影响系数 γf 和粒化高炉矿渣粉影响系数 γ s。水胶比的计算公式变为：

2.3 浆骨比的选择

在新拌混凝土中，水泥浆体主要起润滑作用，当浆量占大多数时，混凝土的黏聚性、保水性、流动性均良好，而且非常容易插捣，几乎感觉不出骨料的阻力，但过多的浆量，致使混凝土抗早期开裂性能下降，干缩变形也明显，不利于混凝土的耐久性。如果浆量过少，砂石表面包裹的浆量过少，混凝土的流动性、黏聚性会很差，并且出现离析，这时靠增加减水剂用量对增大混凝土坍落度也几乎没有效果。因此，选择浆量的原则是：在满足混凝土和易性的前提下，尽量选择最小的浆骨比。根据美国 P.K.Matha 和 P.C.Aitcin 教授的观点，要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度，其水泥浆和骨料的体积比应为 35：65，计算骨料体积所使用的密度应当是饱和面干状态下所测定的。对于现代混凝土，对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌合物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。在试验室试配时，如果混凝土和易性不够好，可以保持水胶比不变，提高浆体量。

2.4 砂率的选取

砂率是影响混凝土和易性的重要因素。当前，对砂率的选择主要基于试验和经验，也有根据石子的空隙率，砂的级配情况，初步确定砂率；还有用全计算法计算出砂率。但是综合考虑粗骨料在混凝土中充填体积率[5]、粗骨料的空隙率、粗骨料的最大粒径、以及细骨料的

细度模数来确定混凝土的砂率较为符合现代混凝土配合比设计的要求。粗骨料在混凝土中的充填体积率用 k c 表示，粗骨料振实后空隙率以 k i 表示，则单方混凝土中粗骨料的体积可表示为k c（1- k i ）m3。用 V x 表示单方混凝土中骨料的体积（可由浆骨比确定），则混凝土的砂率推导公式：

经过计算验证，这与 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的规定“泵送混凝土的砂率宜为 35%～45%”是相符的。

2.5配合比设计试验实例验证

天津某公路（宝坻武清界—潮阳大道）拓宽改造工程潮白河桥灌注桩，混凝土强度等级为 C40，坍落度为（200±20）mm，到达现场浇筑前坍落度为（180±20）mm；环境作用等级为Ⅱ-E 级，最大水胶比为 0.45，胶凝材料用量为320～450kg/m3。混凝土耐久性指标要求：混凝土氯离子含量不应超过胶凝材料用量的 0.1%，总碱含量不宜超过 3kg/m3，混凝土抗冻耐久性系数 DF≥70%。提供的原材料条件，水泥：唐山冀东 P·O42.5 水泥，密度 3.1g/cm3，氯离子含量 0.01%，碱含量 0.60%，标准稠度用水量 28.4%。粉煤灰：天津海得润滋 F 类Ⅱ级粉煤灰，45μm 筛筛余量16%，烧失量 2.36%，需水量比 98%，密度 2.2g/cm3，碱含量0.78%，氯离子含量 0.01%。矿渣粉：天津市强力达轻型建筑材料有限公司的 S95 矿渣粉，密度 2.8g/cm3，碱含量 0.95%，氯离子含量 0.01%。粗骨料：蓟县碎石，碎石 5～10mm 与 10～25mm 以3：7 合成级配，表观密度为 2800kg/m3，振实后堆积密度为1480kg/m3，空隙率 40%。细骨料：辽宁绥中河砂，细度模数为 2.8，表观密度为2700kg/m3，振实后堆积密度 1480kg/cm3，空隙率 45%。外加剂：引气型聚羧酸高效减水剂，减水率27%，含气量 4.5%，推荐掺量 1.8%。

2.1 矿物掺合料掺量选择

按 GB/T 50476—2008《混凝土耐久性设计规范》

条文说明附录 B，对Ⅱ-E的环境作用有：W/B=0.4 时，

α f /0.3+α s /0.4≤1。考虑普通硅酸盐水泥中已掺有部分矿物掺合

料，故取 α f =10%，α s =10%。按此掺量对胶凝材料进行胶砂强

度试验，28d 抗压强度为 44.4MPa。

2.2 计算水胶比

混凝土配制强度 f cu，o ≥40+1.645×5.0=48.2（MPa）。由公式

W/B= α a f b /（f cu，o +α a α b f b），α a =0.53，α b =0.20；计算 W/B=0.44，

满足设计要求 W/B≤0.45，故取 W/B=0.44。

2.3 选择浆骨比

参考 GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》

对最小和最大胶凝材料的限定范围，当 W/B=0.44 时，胶凝材

料用量为 320～450kg/m3，可先选择浆骨比 32：68 进行试配，

根据试试配情况，进行浆量的调整。

2.4 砂率的选取

由公式（2），V x =0.68（L/m3），代入原材数据后，

S P =（1836-1620 k c）/（1836+60 k c）；参考表 1，k c =0.66，则 S P =

41%。

2.5 初步配合比计算

由 W/B=0.44，浆量为 0.32（L/m3）可推得：

0.44B/1+0.8B/3.1+0.1B/2.2+0.1B/2.8+40=320，则

m B =359kg/m3；进而水 m W =158kg/m3；水泥 m C =287kg/m3；粉

煤灰 m f =36kg/m3；矿渣粉 m k =36kg/m3；减水剂 m 减水剂 =6.46kg/

m3。

粗骨料的用量：m G =2800×0.66×（1-41%）=1109kg/m3；

细骨料的用量：m S =771kg/m3。

2.6 试配结果

混凝土配合比试验验证结果见表 2。

结束语

好多年前人们还不了解甚至没有听说过这个行业，人们通常认为混凝土是由水泥、砂子、拌合水、石子为基本成分构成的混合物，但是在实际生产中，相关人员和专家要经过复杂的计算和实践才能做好混凝土配合比设计的每一道工序。文章通过对现代混凝土的全面认