混凝土配合比的試配及原材料的選取

王愛彬 劉彥哲 張常軍

（河北大地工程檢測有限公司）

工程環境的日新月異帶來了傳統工程技術的不停拓展。為適應更為嚴苛的工程環境，做為任意基建工程都不可或缺的角色—水泥混凝土，在最近十年中，滿足各種不同要求的水泥混凝土更是層出不窮。但是混凝土配合比設計由于各種原因，出現了很多問題。這些問題歸根結底是由于對混凝土配合比理解不夠深刻、對其各組分與混凝土狀態之間的關系認識不夠到位造成的。本文對混凝土配合比試配前原材料的選取和配合比的試配及優化方面提出一些自己的觀點。

一個成功的混凝土配合比不僅僅是抗壓強度的合格以及坍落度符合現場施工的要求，其還應滿足工作性、凝結時間、耐久性等技術要求。為滿足如此多的要求，原材料的選擇就顯得格外重要了。原材料選擇的正確與否，直接影響到混凝土配合比的可使用性。

在原材料的選擇上，混凝土配合比中共識認為最重要的材料是水泥。其實不然，配合比最關鍵的材料應該是混凝土外加劑。假設混凝土中的粗集料相當于人體的骨骼，那么膠砂（即膠凝材料、細集料和水拌合物）則可以看做是人體的血肉，而混凝土外加劑則是人體的靈魂。現如今，混凝土外加劑在經歷了普通減水劑、高效減水劑、高性能減水劑、復合型高性能減水劑四個發展階段之后，在高強、高泵送、高耐久性混凝土的高要求推動下，外加劑的研發品種呈現了“井噴”的現象。各種各樣符合不同要求，適應各種環境下的外加劑給工程設計人員提供了足夠的技術支持，給一線施工生產人員帶來了很大的便利。可以說沒有混凝土外加劑，混凝土配合比很難滿足高強、高泵送、高耐久性等要求；外加劑在混凝土配合比選定、優化過程中，有著至關重要的作用。

在實際適配混凝土配合比中，如何選用合適的外加劑就變得十分關鍵了。混凝土外加劑合格與否，國標有兩本現行有效的規范，分別是《混凝土外加劑》GB 8076-2008和《混凝土外加劑勻質性試驗方法》GB/T 8077-2012。其中《混凝土外加劑》GB 8076-2008針對外加劑的物理性能指標、耐久性能指標等分別做了一一規定，并規范了相應試驗方法。而《混凝土外加劑勻質性試驗方法》GB/T 8077-2012則對外加劑化學性能的試驗方法進行了統一和規定。在實際選用外加劑時，必須首先滿足規范的技術要求。當然如果設計圖紙中對于混凝土有其他要求、混凝土施工中有其他需要滿足的條件，我們也應該選用現行有效規范以及設計圖紙選取合格的泵送劑。其他常用規范有《混凝土外加劑應用技術規程》GB 50119-2013、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082-2009等。

在滿足外加劑原材料符合現行有效規程的前提下，我們就進入了取舍外加劑的階段。

混凝土外加劑與膠凝材料的適應性問題，涉及膠凝材料化學、高分子材料學、表面物理化學和電化學等多方面的知識。這是一個極其復雜的問題，但也是配合比試配中選取外加劑品種時不可或缺的一個關鍵環節。外加劑和膠凝材料的適應性試驗，可以很好的反應和提高試配配合比的成功率。膠凝材料與外加劑的相容性是指使用相同外加劑或膠凝材料時，由于膠凝材料或外加劑的質量而引起膠凝材料漿體流動性、經時損失的變化程度以及獲得相同的流動性減水劑用量的變化程度。

凈漿流動性試驗：將制備好的膠凝材料漿體裝入一定容量的圓模后，穩定提起圓模，使漿體在重力作用下，在玻璃板上自由流動，穩定后的直徑即流動度。這個試驗既簡單又實用，可快速直接的反應出外加劑和水泥的相容性。

膠凝材料漿體流動性經時損失的變化程度試驗：先進行凈漿流動性試驗，然后覆蓋（覆蓋物不和漿體表面接觸）膠凝材料凈漿漿體。經30min、60min后，再進行膠凝材料凈漿流動性試驗。前后兩次的試驗結果之差就是膠凝材料漿體流動性經時損失值。此試驗直觀反映成品混凝土的坍落度損失程度的多少。

數據處理：由這兩個試驗可以確定哪種混凝土外加劑經30min、60min后坍落度損失值最少，此種外加劑在使用時最佳摻量是多少，最大摻量是多少。

在我們實際試配混凝土配合比時，往往會遇到A種外加劑和Ⅰ號水泥相容性好，而B種外加劑和Ⅱ號水泥相容性好。這時，我們就要多進行試驗，橫向對比，并通過各項化學試驗，從耐久性、施工條件、材料成本等方面綜合考慮選取正確的方案進行試配。

外加劑的選取應該和膠凝材料的主要成分--水泥的選用相輔相成的。《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007對國內建設用水泥分為了七大類，規定了通用硅酸鹽水泥的定義與分類、組分與材料、強度等級、技術要求、試驗方法、檢驗規則和包裝、標志、運輸與儲存等。我們的混凝土配合比用水泥除了應該符合《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007中相應的技術要求外，還應該考慮水泥在混凝土中使用后，對混凝土的性能影響。混凝土配合比試配前選取水泥還應注意：1）設計圖紙的其他要求；2）水泥和外加劑的相容性；3）盡量選取低水化熱的水泥；4）盡量選用低標準稠度用水量的水泥；5）盡量選用較長凝結時間的水泥，泵送混凝土在施工中一般都需要較長的凝結時間；6）盡量選用安定性值較小的水泥，水泥安定性雷氏夾法試驗；7）盡量選用水泥抗折、抗壓強度較高的水泥；8）盡量選用比表面積較大的水泥；9）盡量選用低總堿量、低氯離子含量、氧化鎂含量等的水泥。

現在主流的混凝土配合比，都在摻加一定的礦物摻合料。常見的礦物摻合料有：粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、粒化高爐鋼渣粉、硅灰、粒化磷渣礦渣粉、復合摻合料等。雖然礦物摻合料的種類繁多，但是使用頻率最多的還是粉煤灰和粒化高爐礦渣粉兩種。在我們試配混凝土配合比時，除了使用的原材料要符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005、《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046-2008規定的響應要求外，我們還應盡量選取需水量比比較小的粉煤灰以及流動度比比較大的粒化高爐礦渣粉。這樣選用的主導思想是達到一定稠度，同樣質量的礦物摻合料需要的水質量最少，從而降低混凝土配合比的水膠比、提高配合比的強度、提高混凝土的和易性。當然，在條件允許的情況下，盡可能選用優質的礦物摻合料，這需要根據不同地域、不用環境、1立方米材料成本等各個方面綜合考慮。

在確定混凝土配合比中礦物摻合料在膠凝材料總質量的比重時，應注意下面這兩種情況。《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55-2011中規定的礦物摻合料最大摻量，是在使用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥時的最大摻量。而在采用其他通用硅酸鹽水泥時，宜將水泥混合材摻量20%以上的混合材料計入礦物摻合料中。在選取C類粉煤灰時，一定要注意其游離氧化鈣含量，是否滿足現行有效規范所規定的技術要求。曾在不止一個工地發現，混凝土施工過程中泌水十分嚴重或者混凝土結構拆模后，混凝土表面“水印子”、蜘蛛紋等現象比較嚴重。而換取F類粉煤灰或者其他廠家優質的C類粉煤灰后，這種現象幾乎杜絕或明顯減少。其中的原因就是游離氧化鈣含量超標，而這個指標往往被一線混凝土配合比設計技術人員忽略。

水泥混凝土和水泥凈漿、水泥砂漿的區別就在于，他們使用的集料不同。水泥混凝土中使用的集料包括粗集料和細集料。

水泥混凝土中使用的粗集料一般指4.75mm以上的顆粒組分，在我們試配混凝土配合比時，往往采用4.75mm～9.5mm，以及9.5mm至最大粒徑兩種級配。現在一些拌合站，已經開始試配并使用過一定量的三級配粗集料，但是在使用三級配合成粗集料級配曲線時，往往因為粗集料的取樣不規范、單粒級級配不穩定、拌合站稱量計量不夠準確等造成混凝土成品質量不穩定。無論是采用兩級配粗集料還是三級配粗集料，我們都應給予合成級配曲線足夠的重視程度。在單粒級篩分、合成級配曲線以后，我們還可以在合成比例基礎上微調±5%通過混合碎石的緊密密度進行調節。例如我們進行合成級配曲線后，得到4.75mm～9.5mm碎石：9.5mm～19mm碎石=40%：60%（質量比），可以再進行設置方案如下：①4.75mm～9.5mm碎石：9.5mm～19mm碎石=35%：65%；②4.75mm～9.5mm碎石：9.5mm～19mm碎石=40%：60%；③4.75mm～9.5mm碎石：9.5mm～19mm碎石=45%：55%。對此三組方案合成的混合集料進行緊密密度試驗，選取一個緊密密度最高的方案。為保證粗集料單粒級、混合級配的穩定性，如果現場有條件，盡量避免選取由顎式破碎機生產的碎石，盡可能選用由反擊破破碎機生產的碎石。碎石生產區應及時檢查過濾篩，不得使用已破損篩網進行生產。混凝土集中拌合區應按批量檢驗、驗收粗集料，時刻把控其單粒級、混合級配的穩定性。粗集料最大粒徑的選取時，應考慮混凝土結構物的最小尺寸、混凝土泵送機站采用泵送管的直徑以及拌合集中地當地地域的綜合情況等。

此外應盡量選取含泥量、泥塊含量低的粗集料，含泥量和泥塊含量不僅會降低混凝土的強度，更會吸附外加劑，破壞水泥漿膜與外加劑的電離層，大大降低外加劑的減水率。雖然現在主流的外加劑，都以聚羧酸系高性能減水劑為母本進行復合摻配，對于聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑兩大體系來說，含泥量對前者的影響相對較小。但如果粗集料的含泥量、泥塊含量比較高，就只能增加外加劑的摻量，那么混凝土配合比的和易性就會下降，也會增加混凝土配合比的1立方米的材料成本。

粗集料的含泥量、泥塊含量要控制，給混凝土中含泥量和泥塊含量提供最多的細集料更應該注意。堅決不能使用含泥量、泥塊含量高的細集料，而施工現場沒有條件提供合適的細集料，我們又需要配制高標號、高耐久性、抗碳化等高要求的混凝土配合比時，就應當水洗砂降低其含泥量、泥塊含量。

在選用細集料時，還應注意應該保證細集料的可溶性氯離子含量、堿骨料反應試驗合格。在混凝土配合比中，細集料和膠凝材料、水構成的膠砂，對混凝土的耐久性有直接的關系。在做細集料可溶性氯離子含量時，應使用磨粉機對細集料充分磨細，不能因細集料的云母含量難以破碎，而中止粉磨，致使最終試驗結果偏離真值。

水是混凝土組分中的最后一個成分。一般情況下，可飲用水都可以直接用到混凝土中來。在耐久性要求越來越高的情況下，水中的化學物質是否合格也應受到我們的重視。在堿性較高地區生產混凝土時，水的堿含量如果不合格，應采取凈化、過濾等措施后，經檢驗合格，方可使用。

混凝土原材料的選取合理，在做混凝土配合比時就會大大提高試配的成功率。具體試配時，可依照《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55-2011質量法或者體積法（體積法應先做出各組分表觀密度）進行計算，先假定混凝土配合比各組分摻量。設計泵送混凝土配合比時，坍落度應考慮坍落度損失值和入泵坍落度兩個方面。假定混凝土容重時，可依據下表數據做為參考。實際數據應以試驗結果為準。

在試拌時，后摻入混凝土外加劑，攪拌完成后，卸出拌合料，在平板上手拌均勻后，開始對其和易性進行試驗。認真做好坍落度、棍度、含砂情況、粘聚性、保水性記錄，必要時可保存影像資料，以便調配后，前后比照更清晰。在試驗室中試配混凝土配合比，要注意坍落度設計值和坍落度損失值。必須做好相關記錄，可根據運距不同，試配不同等時的配合比。

在混凝土試配完成后，試配成功的配合比應該進行優化，而需要調整的配合比應增加或減少各組分用量。調整的內容主要分為：1）膠凝材料的質量，2）砂率，3）集料總質量，4）水的質量，5）外加劑的摻量。

往往在沒有條件得到試配配合比強度的情況下，需進行配合比的調整。調整優化配合比應如何進行，現在做以下幾點介紹。

1. 調整膠凝材料的質量時，為保持配合比強度不變，應繼續調整水膠比，提高了水的質量，坍落度就會增大，而為了保持坍落度不變，可降低砂率或者降低外加劑摻量來調整。因此，調整配合比各組分質量，會影響到混凝土的狀態，為了保持原來的混凝土和易性等，必須相應調整其他組分質量來保持原有狀態。這樣才能對前后兩次配合比的狀態前后比照，取優者選取。配合比和易性不好，往往通過調整膠凝材料質量、砂率或者集料總質量來進行調整。而調整配合比中一種組分的質量，在保持混凝土狀態保持不變時，必須相應調整其他一種或幾種組分質量來保持原有狀態。

2. 用水的質量來調整配合比坍落度時，應注意普通混凝土中±5kg水，坍落度±20mm。而在摻外加劑的混凝土中，坍落度±20mm，水質量應該為±（5×（1-減水率）kg）。外加劑中引氣劑的含量，與混凝土的和易性成正比，但調整時不可摻加過多。《混凝土泵送技術規程》JGJ/T 10-2011中3.2.7規定，摻用引氣型外加劑的泵送混凝土的含氣量不宜大于4%。外加劑成分發生變化，必須重新對其化學指標重新進行試驗并評定，合格后配合比方可使用。

3. 膠凝材料組成成分調整時，可以對膠凝材料的各組成成分質量發生變化，而膠凝材料總質量不能發生變化。膠凝材料總質量改變，水質量不變，配合比的坍落度就會變小，強度就會變大。

4. 配合比的壓力泌水率是泵送混凝土的重要指標。《混凝土泵送技術規程》JGJ/T 10-2011中規定壓力泌水率S10不宜超過40%，其直接關系到混凝土的可泵性。

在確定混凝土配合比后，應再對其受控指標做一次檢測，尤其是化學指標總堿量、總氯離子含量等重新試驗。

混凝土施工中，選定一個工作性強的合格混凝土配合比只是第一步。在實際施工時，應時刻控制原材料的性能的穩定性，及時與一線施工各部門間積極溝通，并根據出現問題，及時調整試拌配合比，確認配合比合格后，方可使用。只有不斷改進，才能讓我們的混凝土配合比更好的服務現場，為工程的工程質量保駕護航。