混凝土拌合物的配合比设计

环境作用（第二阶段） （损伤的开始与扩展） 水的渗入 O2、CO2渗入 酸性离子（Cl- 、 SO4-)渗入
温度与干燥收缩
高硫熟料 后期硫酸 盐释放
高温蒸汽养护
预制预应力结构 中应力过大
石膏-玷污 骨料
暴露于水中 微裂缝
从整体 方法论 看待DEF 的发生
雨水 延迟生成钙矾石
相对湿度大
3.6 混凝土组成材料
水下区 整体论
3.7.2 配合比设计的基本内容
得出生产每立方米混凝土所需要的 各组分材料用量 。 普通混凝土约 2400Kg/m3；各组分 相互制约：改变一种组分材料的用量时， 其他组份也相应变化。
控制参数：
拌合物的用水量与水泥用量之比——水灰比 水泥浆体与骨料用量之比——浆骨比
砂用量/砂石骨料用量之比——砂率
纤维：
1）聚丙烯、维尼伦和尼龙纤维（主要保护新 浇注的混凝土免于塑性收缩开裂）；
2）钢纤维和碳纤维（弹性模量比混凝土高数 倍，主要用于改善混凝土的断裂韧性，但费用 较高）；
3）玻璃纤维（弹性模量高，掺用费用低，但 因不耐碱，应用受到限制）。
3）针对不同要求，需选择不同品种的骨料
化学外加剂
1. 减水剂
2. 早强剂 直接影响水化
3. 缓凝剂
4. 引气剂
5. 其它外加剂
掺量为水泥或胶凝材料的重量%，如引气剂 仅0.01%量级；膨胀剂则要掺10%上下。
高效减水剂
1）要根据从搅拌到浇注的时间间隔选择品种 和掺量； 2）可通过后掺或多次添加，减小工作度损失；
Constituent Materials of Concrete
水 泥
1. 水泥的生产
2. 水泥的矿物组成
3. 水泥的水化 4. 水泥的品种
硅酸盐水泥的矿物组成 硅酸钙： C3S + C2S
75%
铝酸盐与铁铝酸盐
C3A+ C4AF
25%
[石膏（3～5%）调凝用]
水泥的水化
1. 水化反应是放热反应 2. 主要水化产物： C-S-H （水化硅酸钙）
水化快、放热量大，升温与膨胀加剧，硬 化时形成的微结构相对疏松，达到温峰后下降 的幅度越大，收缩受约束产生的开裂越严重。
粉煤灰混凝土 28d 强 度 比 矿 物 掺 合 料 的 影 响
纯水泥混凝土
温
升
骨 料
1） 对水泥水化速率没有直接影响； 2）但级配和粒形好的骨料空隙率小，同样 胶凝材料用量时的水胶比可以比较低， 结构与性能就比较好，也更经济；
掺减水剂时，用水量 = W0（1-β） W0为未掺外加剂时的用水量； β为外加剂减水率 。
掺矿物掺合料时，需要相应增减用水量 。
含气量根据骨料最大粒径决定。
步骤四：选择水灰比
fcu.k = A •fce ( C/W – B ) fcu.k——混凝土配制强度 fce —— 水泥标号
C/W——灰水比
A,B —— 系数：碎石—A=0.48; B=0.52
矿物掺合料
粉煤灰与水泥粒径接近，但表观密度要小1/3； 它在我国来源非常广泛，质量较好的粉煤灰可以 减水；大掺量粉煤灰混凝土通过与高效减水剂复 合，可在较低水胶比下配制工作度良好的拌合物， 后期可以达到高强混凝土的效果，且耐久性优异。 该混凝土能大幅度节约水泥，经济和社会效益非 常显著。但它必须及早覆盖养护以防止塑性开裂。 当需要高早期强度时，以粉煤灰与硅粉复合 配制混凝土，可以获得良好的综合效果。
立方体抗压强度标准值
立方体抗压强度标准值，指用标 准试验方法测得的强度总体分布中具 有不低于95%保证率的立方体试件抗 压强度。
材料的变异性
样 本 数 或 频 率 密 度
3）耐久性（以防波堤为例）
环境条件 钢筋混凝土与预应力混凝土 素混凝土 大气区 最大水灰比、最小水泥用量 (pp.76) 水位变动区 含气量(pp. 93)、抗氯离子扩散能力
1）拌合物的工作度
施工工艺 坍落度(mm)
碾压混凝土
滑模摊铺混凝土 泵送混凝土 自密实混凝土
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
30 ~ 50 100 ~ 200 > 240
2）配制强度
fcu.0 ≥ fcu.k + 1.645σ
式中：fcu.0— 混凝土配制强度 fcu.k— 设计混凝土立方体抗压强度标准值 σ —— 混凝土强度标准差（MPa）
§3.7 混凝土拌合物的配合比设计
Proportioning of Mixture
3.7.1 配合比设计的目的
确定各个组分材料之间的比例。 目的之一：满足基本性能要求，包括拌 合物的工作度、硬化后在规定龄期的强 度和耐久性符合要求的混凝土。 目的之二： 尽可能地经济。
混凝土拌合物的配合比设计
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Ö Ç Ï ´ ¸ Á · Ç Ï Ï ¸ Á ® à Ë Ä ® Ë Í È ¶ µ µ ¼ Õ ¨ Æ Í ß È ¶ · µ ¼
步骤一：选择坍落度或VB稠度
根据工程所用施工工艺、配筋 密集程度和捣实条件选择。
步骤二：选择石子最大粒径 Dmax
构件最小断面尺寸（小于1/4）； 钢筋最小间距（不大于3/4）； 泵管直径； 路面平整度；抗冲击、疲劳强度 经济
步骤三：选择用水量和含气量
工作度一定时，用水量取决石子最大粒 径、粒形和级配
步骤七：计算粗细骨料用量
质量法（假定表观密度法）： 石 + 砂 + 水泥 + 水 = 2400 （ 砂/ 砂 + 石）×100% =砂率%
体积法： 石/ρ石 + 砂/ρ砂+ 水泥/ ρ水泥+ 水/ ρ水+10a=1000L （ 砂/ 砂 + 石）×100% =砂率% ρ：密度；a：含气量
步骤八：骨料含水量调整
混凝土配合比设计技术的新进展
近些年来，计算机和神经 元网络等技术已经开始用于混 凝土配合比设计，引起广泛的 关注，对于多组份材料混凝土 的配合比设计，必定有很好的 推动作用与广阔的应用前景。
加拿大矿产与能源技术中心 （CANMET） 大掺量粉煤灰混凝土
水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 掺引气剂和高效减水剂，含气量=5~6% 混凝土的抗压强度：28天 30~40MPa （水胶比= 0.32) 90天 40~50 1年 50~60
大掺量粉煤灰混凝土
水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 掺高效减水剂、水胶比= 0.29、坍落度210mm 混凝土抗压强度： 3天 22MPa （试件） 7天 34 28天 52 90天 70 365天 98
思考题
1. 针对水灰比较大时混凝土的抗渗透性比较差的 特点，在进行配合比设计时应如何考虑保证耐久 性？当水灰比较小时呢？ 2. 你进行配合比设计和混凝土试验有什么体会和 建议？
普通混凝土
高强混凝土
普通混凝土
高强混凝土
防 波 堤
混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型
一个不透水，但存在非 连续微裂缝，且多孔的 钢筋混凝土结构
由于微裂缝和孔隙 连通起来，不透水性逐 渐丧失 因为以下原因使孔隙内静水 压力增大，导致混凝土膨 胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反 应、水结冰、硫酸盐侵蚀 B：混凝土强度与刚度降低 开裂、剥落与整体性丧失 环境作用（第一阶段） （无可见损伤） 1. 侵蚀作用 （冷热循环、干湿循环） 2. 荷载作用 （循环荷载、冲击荷载）
在施工现场或者预拌混凝土生产 厂，骨料通常的含水状态波动较大，因 此需要根据测定的实际含水量对配合比 用水量进行调整，并增减骨料的用量 （主要是砂子含水量波动大）。
步骤九：试拌调整
以上配合比设计过程有许多经验值， 与实际所用材料存在一定的差异，还必 须通过用上述步骤所得配合比，称取各 组成材料进行试拌检测工作度，并制备 试件检测强度，以获得符合实际所用材 料和施工环境条件的混凝土配合比。
卵石— A=0.50; B=0.61
步骤五：计算水泥用量
水灰比与用水量一经确定，水泥用量 就可计算得知。 如计算所得水泥用量小于从耐久性要 求规定的最低水泥用量时，应选后者。
步骤六：选择砂率
合理的砂率应根据施工工艺对拌合物坍落 度的要求等参数确定（坍落度越大、砂率越要 大，以避免发生离析，如自密实混凝土的砂率 要到50%）。 现行规范中的表格则是通过粗骨料品种、 最大粒径、水灰比和砂子的细度模数来选取 砂率的。掺有外加剂和矿物掺合料，坍落度 ≥60mm或≤10mm的混凝土，砂率应经试验确 定。
矿物掺合料、外加剂的使用
期望坍落度 需水量方程 强度 方程
期望强度
期望耐久性
[W/(C+M)]S [W/(C+M)]D [W/(C+M)]min
胶凝材料与水的用量
含气量
骨料密度
骨料总体积 骨料用量
胶凝材料的密度 砂率 骨料含水量
每立方米混凝土拌合物用料 每盘体积 每盘料用量
3.7.3
配合比设计步骤
3）掺量接近或达到饱和时，容易引起离析、 泌水等副作用。
矿物掺合料
硅粉和粉煤灰，两者都是工业废料，颗 粒成球形，而且不必经过加工就可以使用。 硅粉颗粒极微细，借助高效减水剂可以大幅 度降低拌合物水胶比，混凝土早期强度能大 幅度提高（后期增长幅度则较小），耐久性 也可以大幅度改善。但其价格高，掺量受限 制，混凝土浇注后必须及早开始湿养护，以 控制其不致开裂，才能获得预期的效果。
现行配合比设计方法的局限性
1）由于化学外加剂和矿物掺合料已成为必要组份， 而且前者对关键参数水胶比的影响非常显著；后 者则在许多场合下掺量很大，甚至超过水泥，因 此其品质在胶凝材料中起主导作用；
2）复杂多变的环境和工程需要多组分复合：多级 配的骨料，不同类型的外加剂、矿物掺合料、纤 维等。如丹麦的跨海桥梁与隧道工程用混凝土中， 胶凝材料包括水泥、粉煤灰、硅粉，外加剂3~4种， 加上骨料组分共十余种。
CH
3. 水化伴随着体积收缩
（氢氧化钙）
C3A· Ŝ · 32（钙矾石） 3C H
4. 水化加快时，后期强度和抗渗透性相对较低。
为什么水化加速，后期强度就比较低？
影响水泥水化的因素
矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比
R(t) = f(C3S)· f(fineness)· f(W/C) f(T)·