關于現代混凝土配合比設計的思路

孫茂元，陳方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

關于現代混凝土配合比設計的思路

孫茂元，陳方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

通過對現代混凝土的全面認識，抓住現代混凝土普遍摻入礦物細粉摻合料和高效減水劑的特點，本文從混凝土的各組成材料的關系和性質及其作用和影響等方面入手，運用混凝土各組成材料在滿足拌合物和易性的前提下緊密堆積的原理，理出了現代混凝土配合比設計思路。沿著設計思路，確定水膠比、漿骨比、砂率和礦物摻合料在膠凝材料中的比例，結果表明該設計思路具有很強操作性和現實指導意義。

現代混凝土；礦物細粉摻合料；水膠比；漿骨比；砂率；配合比設計

0　概述

水泥混凝土材料的發展及應用，對近代人類社會的發展起到了非常重要的作用。同時，水泥混凝土材料也變的家喻戶曉，人們普遍會認為混凝土是由石子、水泥、砂子、拌合水為基本成分的混合物，而且在實際生產中，專業人士對混凝土配合比設計的方法常常歸結為假定容重法和絕對體積法。近十多年來，隨著混凝土施工工藝的發展，要求新拌混凝土具有大流動性、可泵性、自流平、自密實等特點，同時，這對施工速度、經濟、均勻性、安全使用均至關重要。結合今后混凝土的發展方向，解決好混凝土耐久性問題和發展綠色高性能混凝土的選擇，現代混凝土的提法，逐漸被業內人士所認可。

什么叫現代混凝土？現代混凝土是由水泥、礦物細摻料、砂、石、水和外加劑等組成的多相聚集體，并能滿足“高工作性、高強度和高耐久性”的基本要求，是對目前高性能混凝土、高強混凝土、大體積混凝土、泵送混凝土、自流平自密實混凝土、抗凍混凝土、抗滲混凝土、水下澆筑混凝土等混凝土的總概括。這些混凝土的配合比設計方法以單純的強度為基礎的計算法，已然不能全面滿足其性能要求。只有綜合考慮混凝土的工作性、強度和耐久性[1]，才能設計出符合實際混凝土結構工程中對混凝土設計要求的混凝土配合比。目前，混凝土結構設計圖紙里都會明確規定其設計要求，包括：環境作用等級、混凝土的工作性、混凝土強度等級、混凝土的總堿含量評估、混凝土的氯離子含量、混凝土的抗水滲透性能、混凝土抗氯離子擴散性能以及抗凍性能等。這就要求在進行現代混凝土配合比設計時，要充分考慮的因素包括：用水量、漿體和集料用量、漿體的塑性、集料的最大尺寸及其顆粒形態與表面特性、含氣量、砂石比例及其組合級配等。從而解決混凝土大坍落度與坍落度損失的矛盾，混凝土變形能力和抗離析性的矛盾，混凝土流動性和黏聚性的矛盾，實現混凝土硬化后干縮收縮、抗裂縫能力強、密實抗滲透性高的目的。

1　 現代混凝土配合比設計思路

1.1確定礦物細粉摻合料摻量

現代混凝土的膠凝材料除水泥中的硅酸鹽水泥外，還包括水泥中具有膠凝作用的混合材料（如粉煤灰、火山灰、礦渣、沸石粉等）以及配制混凝土時摻入的具有膠凝作用的礦物摻合料（如粉煤灰、磨細礦渣、硅灰等）。進行現代混凝土配合比設計時，對水泥及礦物摻合料用量的具體規定可參考中國土木工程學會標準 CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（2005 年修訂版）的表 4.0.3，并應采用摻加礦物摻合料的膠凝材料膠砂強度試驗對混凝土水膠比的計算結果進行驗證。

1.2水膠比的計算

對于傳統混凝土，其強度與水灰比成反比的保羅米公式應該適用于使用硅酸鹽水泥、級配良好而潔凈的河砂、粒形勻稱的石子的配合比計算。但是對于現代混凝土的膠凝材料體系都為水泥與礦物細粉料摻合料復合體，這個保羅米公式需要改進[2]。因此，JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》中為了使混凝土水膠比計算公式更符合實際情況以及普遍摻加粉煤灰和粒化高爐礦渣粉等礦物摻合料的技術發展情況，在試驗驗證的基礎上，采用摻加礦物摻合料的膠凝材料膠砂強度和相應的混凝土強度進行回歸分析。調整了回歸系數 αa、αb，并經過試驗驗證，給出了粉煤灰影響系數 γf和粒化高爐礦渣粉影響系數 γs。水膠比的計算公式變為：

式中：γc——水泥強度等級值的富余系數；

fce,g——水泥強度等級值；

fcu,o——混凝土配制強度。

1.3漿骨比的選擇

在新拌混凝土中，水泥漿體主要起潤滑作用，當漿量占大多數時，混凝土的黏聚性、保水性、流動性均良好，而且非常容易插搗，幾乎感覺不出骨料的阻力，但過多的漿量，致使混凝土抗早期開裂性能下降，干縮變形也明顯，不利于混凝土的耐久性。如果漿量過少，砂石表面包裹的漿量過少，混凝土的流動性、黏聚性會很差，并且出現離析，這時靠增加減水劑用量對增大混凝土坍落度也幾乎沒有效果。因此，選擇漿量的原則是：在滿足混凝土和易性的前提下，盡量選擇最小的漿骨比。根據美國 P.K.Matha 和 P.C.Aitcin 教授的觀點，要使高性能混凝土同時達到最佳的施工和易性和強度，其水泥漿和骨料的體積比應為 35:65，計算骨料體積所使用的密度應當是飽和面干狀態下所測定的。對于現代混凝土，可按 GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》附錄 B 中表 B.1.1 對最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌合物工作性確定，取盡量小的漿骨比值[3]。在試驗室試配時，如果混凝土和易性不夠好，可以保持水膠比不變，提高漿體量。

1.4砂率的選取

砂率是影響混凝土和易性的重要因素。當前，對砂率的選擇主要基于試驗和經驗，也有根據石子的空隙率，砂的級配情況，初步確定砂率；還有用全計算法計算出砂率[4]。但是綜合考慮粗骨料在混凝土中充填體積率[5]、粗骨料的空隙率、粗骨料的最大粒徑、以及細骨料的細度模數來確定混凝土的砂率較為符合現代混凝土配合比設計的要求。

粗骨料在混凝土中的充填體積率用 kc表示，粗骨料振實后空隙率以 ki表示，則單方混凝土中粗骨料的體積可表示為kc(1-ki)m3。用 Vx表示單方混凝土中骨料的體積（可由漿骨比確定），則混凝土的砂率推導公式：

式中：ρS、ρG——分別表示細骨料的飽和面干表觀密度和粗骨料飽和面干表觀密度，kg/m3。

由公式 (2) 可知，在粗骨料空隙率一定的條件下，混凝土的砂率與粗骨料的充填體積率有關。且 Mario Collepard根據試驗得出泵送混凝土粗骨料的充填體積率[6]見表 1。

表1　坍落度 150～200mm 的泵送混凝土粗骨料的充填體積率

經過計算驗證，這與 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》的規定“泵送混凝土的砂率宜為 35%～45%”是相符的。

2　配合比設計試驗實例驗證

天津津圍公路（寶坻武清界—潮陽大道）拓寬改造工程潮白河橋灌注樁，混凝土強度等級為 C40，坍落度為(200±20)mm，到達現場澆筑前坍落度為 (180±20)mm；環境作用等級為Ⅱ-E 級，最大水膠比為 0.45，膠凝材料用量為320～450kg/m3。混凝土耐久性指標要求：混凝土氯離子含量不應超過膠凝材料用量的 0.1%，總堿含量不宜超過 3kg/m3，混凝土抗凍耐久性系數 DF≥70%。

提供的原材料條件，水泥：唐山冀東 P·O42.5 水泥，密度 3.1g/cm3，氯離子含量 0.01%，堿含量 0.60%，標準稠度用水量 28.4%。

粉煤灰：天津海得潤滋 F 類Ⅱ級粉煤灰，45μm 篩篩余量16%，燒失量 2.36%，需水量比 98%，密度 2.2g/cm3，堿含量0.78%，氯離子含量 0.01%。

礦渣粉：天津市強力達輕型建筑材料有限公司的 S95 礦渣粉，密度 2.8g/cm3，堿含量 0.95%，氯離子含量 0.01%。

粗骨料：薊縣碎石，碎石 5～10mm 與 10～25mm 以3:7 合成級配，表觀密度為 2800kg/m3，振實后堆積密度為1480kg/m3，空隙率 40%。

細骨料：遼寧綏中河砂，細度模數為 2.8，表觀密度為2700kg/m3，振實后堆積密度 1480kg/cm3，空隙率 45%。

外加劑：引氣型聚羧酸高效減水劑，減水率 27%，含氣量 4.5%，推薦摻量 1.8%。

2.1礦物摻合料摻量選擇

按 GB/T 50476—2008《混凝土耐久性設計規范》條文說明附錄 B，對Ⅱ-E的環境作用有：W/B=0.4 時，αf/0.3+αs/0.4≤1。考慮普通硅酸鹽水泥中已摻有部分礦物摻合料，故取 αf=10%，αs=10%。按此摻量對膠凝材料進行膠砂強度試驗，28d 抗壓強度為 44.4MPa。

2.2計算水膠比

混凝土配制強度 fcu,o≥40+1.645×5.0=48.2(MPa)。由公式W/B= αafb/(fcu,o+αaαbfb)，αa=0.53，αb=0.20；計算 W/B=0.44，滿足設計要求 W/B≤0.45，故取 W/B=0.44。

2.3選擇漿骨比

參考 GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》對最小和最大膠凝材料的限定范圍，當 W/B=0.44 時，膠凝材料用量為 320～450kg/m3，可先選擇漿骨比 32:68 進行試配，根據試試配情況，進行漿量的調整。

2.4砂率的選取

由公式 (2)，Vx=0.68（L/m3），代入原材數據后，SP=(1836-1620kc)/(1836+60kc) ；參考表 1，kc=0.66，則 SP= 41%。

2.5初步配合比計算

由 W/B=0.44，漿量為 0.32（L/m3）可推得：

0.44B/1+0.8B/3.1+0.1B/2.2+0.1B/2.8+40=320，則mB=359kg/m3；進而水 mW=158kg/m3；水泥 mC=287kg/m3；粉煤灰 mf=36kg/m3；礦渣粉 mk=36kg/m3；減水劑 m減水劑=6.46kg/ m3。

粗骨料的用量：mG=2800×0.66×(1-41%)=1109kg/m3；細骨料的用量：mS=771kg/m3。

2.6試配結果

混凝土配合比試驗驗證結果見表 2。

表2　混凝土配合比試驗結果

3　結束語

文章通過對現代混凝土的全面認識，抓住現代混凝土的特點是普遍摻入礦物細粉摻合料和高效減水劑。從混凝土的各組成材料的關系和性質及其作用和影響等方面入手，運用混凝土各組成材料在滿足拌合物和易性的前提下緊密堆積的原理，理出了現代混凝土配合比設計中符合實際的設計思路。沿著思路的過程，應用到實踐試驗案例中，結果表明該設計思路具有很強操作性和現實指導意義。

最后，要說明的是任何混凝土配合比設計，都必須要經過試拌試驗。

[1] 馬保國，王信剛，李相國，王凱．高性能混凝土配合比設計及其存在的問題[J]．混凝土，2005(2): 12-15．

[2] 王林，王棟民. 關于當代混凝土配合比設計方法的探討[J].新型建筑材料，2012(5): 73-76．

[3] 廉慧珍，李玉琳．關于混凝土配合比選擇方法的討論—關于當代混凝土配合比要素的選擇和配合比計算方法的建議之二[J]．混凝土，2009(5): 1-3．

[4] 陳建奎，王棟民．高性能混凝土（HPC）配合比設計新法—全計算法[J]．硅酸鹽學報，2000,28(2): 194-198．

[5] 趙尚傳，楊永順，梁奎基．考慮粗集料充填體積率與級配的混凝土配合比設計方法[J]．公路交通科技，2008,25(9): 188-192．

[6] Mario Collepardi, Silvia Collepardi. Concrete Mix Design, 混凝土配合比設計[M]．劉數華，等，譯．北京：中國建材工業出版社，2009：43-44．

[通訊地址] 天津市中北工業園（北園）阜錦路外環實業公司院內新增 2 號院（300112）

孫茂元（1983—），男，工程師，從事混凝土技術研究和咨詢工作。