混凝土梁配合比設計

王琳琳

鄭州市工程質量監督站（450000）

混凝土梁配合比設計

王琳琳

鄭州市工程質量監督站（450000）

這里以砂、碎石、水泥、減水劑為原料，經過試驗分析確定既經濟又能符合設計要求的C30混凝土配合比的過程。在混凝土的配合比設計前需要了解工程的基本資料，根據設計要求和原材料，確定混凝土的組成成分，對原材料及性能進行檢測，首先計算出初步配合比，調整混凝土的工作性，確定基準配合比，再通過強度復核，確定混凝土的試驗室配合比。在滿足工作性、強度、耐久性的條件下，選擇經濟配合比。

混凝土梁；配合比設計；減水劑

1 試驗原材料

1.1 水泥

選擇的水泥為普通硅酸鹽水泥,強度等級42.5。

1.2 砂

采用細度模數為2.8、含泥量為0.6%的中砂。

1.3 石子

采用壓碎值為2.2%、含泥量為0.6%的碎石。

1.4 減水劑

Point-400高效減水劑是一種萘系減水劑，摻量為2%減水率為20%，是一種緩凝型高效減水劑。

2 混凝土配合比設計

2.1 不加減水劑的混凝土配合比設計

2.1.1 初步計算配合比

①計算混凝土配制強度（fcu,o）

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011），混凝土配制強度計算公式:

式中:fcu,o—混凝土配制強度(MPa)；fcu,k—混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa)；σ—混凝土強度標準差(MPa)。

根據已知條件，設計要求的混凝土強度fcu，k=30 MPa，無混凝土強度統計資料時，查標準差表1為σ=5.0 MPa。即:

表1 標準差σ值（MPa）

②計算水灰比

混凝土強度等級為C30，小于C60則:

式中:W/B—混凝土水灰比；αb、αa—回歸系數，根據所選粗骨料為碎石見表2；fb—水泥28 d膠砂強度，無統計強度值，可按規范要求計算。

表2 回歸系數選用表

由公式2可知:

本工程為干燥環境中的框架結構，根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）中混凝土的耐久性可知，鋼筋混凝土最大水灰比為0.65，故取滿足耐久性要求的水灰比0.58即可。

③確定每立方米混凝土用水量

根據混凝土的坍落度要求及粗骨料種類，粗骨料最大粒徑查表3選用用水量，當骨料最大粒徑為20 mm時,拌合物稠度按90 mm考慮,用水量為215 kg/m3,設計坍落度為150 mm,在此基礎上，坍落度每增加20 mm，用水量增大5 kg/m3。

④確定每立方米混凝土水泥用量

本次配合比計算中沒有添加礦物摻和料，膠凝材料用量即為水泥用量。由表4混凝土的最小膠凝材料用量及水灰比知鋼筋混凝土最小膠凝材料用量為330 kg/m3，計算每立方米混凝土水泥用量為410 kg，大于330 kg/m3。水泥用量符合要求。

表3 塑性混凝土的用水量（kg/m3）

表4 混凝土的最小膠凝材料用量

⑤確定砂率

坍落度大于60 mm的混凝土，可在表5混凝土的砂率的基礎上，按坍落度每增大20 mm、砂率增大1%的幅度予以調整。即150-60=90,90/20=4.5。當水膠比為0.55時,選砂率為36%,故當坍落度為150 mm時，砂率βs=40%。

表5 混凝土的砂率（%）

式中:mco—每立方米混凝土的水泥用量(kg)；mgo—每立方米混凝土的碎石用量(kg)；mso—每立方米混凝土的砂用量(kg)；mwo—每立方米混凝土的用水量(kg)；mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg)、其值可取2 350～2 450 kg；βs—砂率(%)。

新拌混凝土的表觀密度接近一個固定值，在2 350～2 450 kg之間，這樣就可以假定每立方米新拌

⑥計算砂、石用量，并確定初步計算配合比（重量法）

按下列公式計算:混凝土的質量，查資料知碎石粒徑為5～20 mm，C30的混凝土表觀密度接近2 400，故假定每立方米混凝土拌合物的重量mcp=2 400 kg，根據式（3）、（4）以及計算所得mwo=235 kg、mco=410 kg求得mgo、mso，直接以每立方米混凝土中各材料的用量表示。計算拌制1 kg/m3各物質量mco=700 kg、mgo=1 052 kg、mso= 410 kg、mwo=235 kg，即混凝土的初步計算配合比為水:水泥:砂:碎石=235:410:700:1 052。

⑦混凝土拌合

根據《混凝土配合比設計規程》計算水灰比、砂率、用水量、石子用量，混凝土強度試驗時根據《混凝土配合比設計規程》中要求的最小拌量20 L，在試拌過程中，首先稱量原材料，根據混凝土的初步配合比，可知水:水泥:砂:碎石=4.76 kg:8.2 kg:14.0 kg:21.04 kg，水泥、砂、碎石先攪拌均勻，加入2/3的飲用水，攪拌，隨后加入剩余1/3的飲用水，攪拌均勻,攪拌方式與現場相同，均為機械攪拌。

⑧新拌混凝土工作性調整

工作性調整，根據初步配合比配成混凝土拌合物，先確定混凝土坍落度。同時觀察黏聚性和保水性。當不滿足要求時，按下列原則進行調整:

1）當坍落度不滿足設計要求時，可在保持水灰比不變的情況下，同時增加用水量和相應的水泥用量。

2）當坍落度大于設計要求時，可在保持砂率不變的情況下，同時增加砂和碎石用量。

3）當黏聚性和保水性不良時，可適當增加砂用量，即增大砂率。

4）當拌合物顯得砂漿量過多時，可單獨加入適量石子，以降低砂率。

在本次試驗中坍落度不滿足設計要求，可在水灰比不變的情況下，少量增加水和水泥用量，直至坍落度滿足要求，同時，觀察混凝土拌合物的黏聚性、保水性良好。

根據初步配合比拌制的混凝土坍落度為140 mm，不滿足設計要求，通過調正水泥凈漿用量，可調整混凝土坍落度，使坍落度滿足要求，增加1%的水泥凈漿，調整如下:

砂率為40%保持不變，假定每立方米混凝土重量為2 400 kg，由式（3）、（4）計算砂、碎石用量mco= 698 kg、mgo=1 048 kg，稱量原材料20 L，攪拌，測定坍落度為152 mm，符合施工要求，測定混凝土的表觀密度。混凝土的基準配合比為水:水泥:砂:碎石= 240:414:698:1 048。

表6 混凝土工作性調整

2.1.2 試驗室配合比

在確定混凝土的初步配合比后，還應進行混凝土的表觀密度校正，但當混凝土表觀密度實測值與計算值之差的絕對值不超過計算值的2%時,初步計算配合比即為基準配合比，計算得知實測表觀密度與計算表觀密度的差值小于計算值的2%，不必進行調整,經過強度檢測后的配合比為試驗室配合比。

2.2 加減水劑混凝土配合比設計

加減水劑的目的是為了節約水泥用量，同時提高混凝土的強度，由減水劑相對于水泥摻量2%時減水率20%。不加減水劑的混凝土配合比可知，混凝土的用水量mwo=248×(1-20%)=198 kg，水泥用量mco=mwo/(W/C)=198/0.58=341 kg，砂、碎石用量按表觀密度2 425 kg/m3，計算得mco=754 kg、mgo=1 132 kg，即初步配合比（第一次試配）水:水泥:砂:碎石= 198:341:754:1 132。另外兩個配合比的水灰比比基準配合比分別增加和減少0.05；用水量與基準配合比相同,砂率分別增加和減少1%。計算各值見表7。

表7 加減水劑混凝土各原材料計算用量

表8 攪拌20 L混凝土各材料用量

對加入減水劑的新拌混凝土進行坍落度及和易性調整，調整方法與不加減水劑的基準配合比相同。按表8稱量原材料，同時檢驗混凝土拌合物的黏聚性、流動性、保水性和表觀密度，并對坍落度不滿足設計要求，和易性不良的混凝土拌合物進行調整，滿足坍落度、和易性要求的混凝土拌合物制作混凝土試件，在混凝土的工作性、坍落度滿足要求以后，測定拌合物的實際表觀密度，并對混凝土配合比進行調整。

對第三次試配進行調整，坍落度不滿足設計要求，增加1%水泥凈漿，調整如下:

砂率為41%保持不變，每立方米混凝土重量為2 425 kg，由式（3）、（4）計算砂、碎石用量mco=782 kg、mgo=1 126 kg，稱量原材料20 L即水:水泥:砂:碎石:減水劑=4.00 kg:6.34 kg:15.64 kg:22.52 kg:126.8 g，攪拌，測定坍落度為151 mm，黏聚性、保水性良好，符合施工要求,測定混凝土的表觀密度2 531 kg/ m3。則混凝土的基準配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=200:317:782:1 126:6.34。由計算得知三組混凝土表觀密度的實測值與計算值之間的差值都不超過2%。因此，不用進行混凝土表觀密度校正，則混凝土的試驗室配合比可以確定見表9。

表9 混凝土基準配合比（1 m3）

2.3 施工配合比

試驗室配合比是以干燥材料為基準計算得到的，但在實際施工中所用的砂石含有一定的水分,因此，在現場配料前，必須先測砂石的含水率，在用水中將砂石帶入的水扣除,并相應增加砂石的稱量值。若施工現場砂含水率為a%，碎石含水率為b%則:

式中:mwo、mso、mgo、mco是經過強度校核,滿足設計強度要求的試驗室配合比。考慮到施工現場的干燥的環境情況以及施工距離的遠近，可適當調整用水量，以達到混凝土和易性良好。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗中有兩組基準，其中一組是以不加減水劑M0與加減水劑的M1、M2、M3作為對比，不加減水劑為基準。另外一組是加減水劑的M1與M2、M3對比，以M1為基準，水灰比上下波動0.05，經試拌調整，滿足和易性要求的混凝土配合比見表10。

3.2 結果分析

由圖1、2、3可知，水灰比同為0.58時混凝土的3 d、7 d、28 d強度M1＞M0，加減水劑混凝土的3 d、7 d強度M2＞M1＞M3，加減水劑混凝土的28 d強度M2＞M1＞fcu,o＞M3。M1和M0水灰比均為0.58，M1的強度大于M0，減水劑可適當提高混凝土的強度。同時加減水劑時，水灰比越小混凝土強度越高，水泥是混凝土中的膠凝材料,主要起膠結骨料的作用，水灰比小時水泥用量較大,水泥的膠結能力比較強，形成的骨架結構較牢固,提高了混凝土的強度。M3的28 d強度小于配制強度,這一組配合比不滿足設計要求，達到強度要求的配合比為M1、M2。

由圖4可知加減水劑可明顯降低水泥用量，可以改善混凝土的和易性，減水劑是一種表面活性劑，可以吸附于水泥顆粒表面，使水泥帶上相同的電荷，產生電斥力，使原來凝結在一起的水泥絮凝結構分散。因此，水泥加減水劑，使具有相同工作性的情況下所需的用水量減少，同時水泥的用量也減少，分散的水泥顆粒使水泥的水化速度加快，也可以提高混凝土的強度。加減水劑的混凝土中，水泥用量最少的是M3，其次是M1、M2，因為M3強度不滿足要求，以節約水泥為目的最佳選擇是M1,故最佳配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=198:341:754:1 132:6.82。

表10 不加減水劑混凝土配合比

表11 加減水劑混凝土配合比

圖1 不同水灰比對混凝土3d強度的影響

圖2 不同水灰比對混凝土7 d強度的影響

圖3 不同水灰比對混凝土28 d強度的影響

圖4 不同水灰比水泥用量

4 結論

對混凝土原材料水泥、砂、碎石、減水劑的檢測，配合比計算以及對混凝土拌合物的檢測、調整，對滿足坍落度要求的混凝土，測定3 d、7 d、28 d抗壓強度值可得出下結論:1）加減水劑的混凝土水灰比在0.53～0.63的范圍內,混凝土的強度與混凝土的水灰比呈反比，混凝土的強度隨水灰比的增加而減少。2）摻加減水劑，可以節約水泥，改善混凝土的和易性，提高混凝土的經濟性。3）通過試驗得到滿足強度、耐久性要求的經濟配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=198:341:754:1 132:6.82。