裝配式建筑構(gòu)件混凝土配合比設(shè)計思路及實例

黃振興

（浙江新邦遠大住宅工業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 溫州 325000）

裝配式建筑構(gòu)件混凝土配合比設(shè)計思路及實例

黃振興

（浙江新邦遠大住宅工業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 溫州 325000）

本文根據(jù)生產(chǎn)裝配式建筑構(gòu)件時對混凝土的特殊要求，探討了混凝土配合比設(shè)計思路，并用一個配合比設(shè)計實例，講解了這種混凝土的設(shè)計思路和設(shè)計方法。

裝配式建筑；構(gòu)件；混凝土配合比；設(shè)計思路

0 前言

在 PC 工廠生產(chǎn)裝配式建筑構(gòu)件（以下簡稱 PC 構(gòu)件）時，為了提高生產(chǎn)效率、減少窩工、減少模具投入、加快模具周轉(zhuǎn)，一般要求混凝土早期強度比較高，36 小時就要求普通混凝土構(gòu)件就要達到 15MPa 的拆模起吊強度，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和樓梯等特殊構(gòu)件要求達到 20MPa 的拆模起吊強度。在夏季時（環(huán)境溫度≥30℃ 時，為了降低成本，大部分 PC 工廠養(yǎng)護窯只開加濕設(shè)備，不開加溫設(shè)備。這樣，普通混凝土配合比就難以滿足 PC 工廠對構(gòu)件的早期強度要求，尤其是C30、C35 的 24 小時強度一般都低于 10MPa，36 小時強度都低于 15MPa，根本無法滿足要求。國內(nèi)大部分PC 工廠，為了滿足早期拆模強度高的要求，盲目的增加水泥用量，特別是早期強度很難滿足要求的低強度等級的 C30 樓梯等構(gòu)件，水泥用量都高達每立方 300kg以上，甚至有的 PC 工廠用到 350～360kg/m3，這不僅增加了成本，還由于水泥用量過大，對構(gòu)件的耐久性埋下隱患。另外，國內(nèi)絕大部分 PC 工廠混凝土配合比的膠凝材料都選水泥和粉煤灰組合，筆者也認為不妥，因為粉煤灰不參與混凝土的早期水化，對要求早期強度比較高的 PC 構(gòu)件混凝土的早期強度沒有任何貢獻；而且國內(nèi)粉煤灰質(zhì)量波動大，會導(dǎo)致 PC 構(gòu)件混凝土質(zhì)量產(chǎn)生波動；同時粉煤灰顏色波動較大，有些地方甚至每一車粉煤灰顏色都有差異，這就會影響 PC 構(gòu)件的外觀質(zhì)量。

由此看來，普通混凝土配合比設(shè)計思路，無法滿足PC 工廠對構(gòu)件的早期強度要求；PC 工廠構(gòu)件的混凝土配合比設(shè)計，必須另辟蹊徑，打破普通混凝土配合比設(shè)計思路，根據(jù) PC 構(gòu)件生產(chǎn)的特殊要求，重新考慮能滿足要求的、實用的混凝土配合比設(shè)計思路。

1 PC 構(gòu)件混凝土的配合比設(shè)計思路

PC 構(gòu)件混凝土強度等級比較常用的有 C30、C35、C40、C45、C50 等，C40 以上混凝土由于膠材用量大、水膠比低，36 小時強度接近或大于 20MPa，可以滿足 PC 構(gòu)件的早期拆模強度要求；相對來說還是比較好設(shè)計，基本上和普通混凝土差不多。設(shè)計難度比較大的是膠材用量低、水膠比大的 C30、C35 混凝土，他們24 小時強度一般低于 10MPa、36 小時強度一般都低于15MPa，如果按常規(guī)思路設(shè)計肯定滿足不了 PC 構(gòu)件早期拆模強度的要求。

為了達到 PC 構(gòu)件早期拆模強度的要求，且盡量少增加混凝土成本，計劃從下面幾個方面入手：

首先，要選用早強 P·O42.5 水泥、或早期強度高的水泥，水泥的 3d 強度要達到 28～30MPa 左右。

其次，在不增加膠凝材料、水泥用量的前提下，選用適宜的高減水率減水劑，來大幅降低混凝土水膠比，提高混凝土的早期強度。同時，低強度等級如 C30、C35 在不增加膠凝材料、水泥用量的前提下要適當(dāng)提高混凝土配制強度，也就是要適當(dāng)降低水膠比。

第三，在減水劑生產(chǎn)時，選用有早強作用的母液，來提高混凝土早期強度。

第四，也是比較重要的就是膠材品種的選擇和組合。我發(fā)現(xiàn)，全國絕大部分 PC 廠的配合比膠材基本上都是采用水泥和粉煤灰組合，沒有選用礦粉。由于粉煤灰的活性低（一般 28 天活性指數(shù)只能達到 62% 左右），而且粉煤灰的顆粒形態(tài)是玻璃球狀態(tài)，表面有一層高溫?zé)Y(jié)形成的致密的玻璃體，這層玻璃體阻礙了粉煤灰的早期水化，只有等水泥早期水化后產(chǎn)生的氫氧化鈣腐蝕掉這層致密的玻璃體后，粉煤灰中的活性物質(zhì)才能與氫氧化鈣反應(yīng)，開始水化；所以粉煤灰對混凝土的早期強度沒有任何貢獻，只能依靠水泥的水化來發(fā)展混凝土的早期強度，這樣就造成了有早期拆模強度要求的PC 構(gòu)件的混凝土中水泥用量都比較高，個別工廠 C30的混凝土水泥用量都達到 350kg 左右，這樣不僅成本高，而且混凝土耐久性還會受到影響。

礦粉就不一樣了，活性比粉煤灰高得多，S95 級礦粉 7 天活性指數(shù)就可以達到 80% 左右，28 天活性指數(shù)可以達到 100% 以上。最重要的首先是，礦粉是用粒化高爐礦渣通過物理加工磨細的，它的活性物質(zhì)（二氧化硅、三氧化二鋁）可以直接參與水泥的水化，與水泥水化幾乎是同步的，只要水泥開始水化，水化產(chǎn)生的氫氧化鈣就會馬上與礦粉中的二氧化硅和三氧化二鋁反應(yīng)，形成硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝膠，礦粉的水化只略慢于水泥的水化，因此不會對混凝土的早期強度產(chǎn)生太大的影響；其次由于礦粉比表面積高達 420m2/kg，它在水泥水化時可以充當(dāng)晶核，起到晶核效應(yīng)，充分的分散水泥顆粒，促進水泥的水化，使水泥水化充分、完全。而水泥用量過多的混凝土，只能用一部分水泥顆粒去充當(dāng)晶核，這些被包裹在中間的水泥顆粒，得不到充分水化，就做成了“夾生飯”，影響了混凝土強度和耐久性；這也是為什么相同膠材用量，摻加礦粉的混凝土后期強度遠高于不摻、或少摻礦粉的混凝土的原因。

另外，由于礦粉顆粒小于水泥顆粒，能很好的填充到水泥顆粒的縫隙中，起到很好的集料填充效應(yīng)；同時水化略慢于水泥，水泥水化的氫氧化鈣與礦粉中活性物質(zhì)二氧化硅、三氧化二鋁反應(yīng)生成體積略大的硅酸鹽、鋁酸鹽凝膠，起到了很好的微膨脹效應(yīng)，使混凝土更加密實，不僅提高了混凝土強度，而且大大提高混凝土耐久性。所以，筆者的思路是 PC 構(gòu)件混凝土膠材的組合應(yīng)該選用水泥與礦粉。

2 配合比設(shè)計實例

本文選擇了 PC 構(gòu)件混凝土中最難設(shè)計的低強度C30 混凝土，來舉例說明怎樣設(shè)計早期拆模強度要求高的低等級混凝土配合比。

2.1 工程概況

浙江省溫州市某商品房項目工程，該項目地下 2 層和地上 33 層為剪力墻結(jié)構(gòu)；PC 構(gòu)件為全預(yù)制混凝土樓梯，要求 36 小時達到 20MPa 的拆模強度，坍落度要求150～160mm。養(yǎng)護環(huán)境氣溫 30℃ 左右、濕度 60% 左右。

2.2 原材料的選用及原材料數(shù)據(jù)

2.2.1 水泥的選用

由于此次樓梯 C30 混凝土要滿足 36 小時拆模強度達到 20MPa 的要求，為了在保證混凝土 36 小時拆模強度的前提下，使混凝土有一個較好的施工性能，不僅要考慮降低水膠比，還要考慮選用早期強度比較高的水泥。因此，我公司選用了某公司生產(chǎn)的 P·O42.5 普通酸鹽水泥，該水泥優(yōu)點是色澤好、流動性好、坍落度損失小，最主要的是早期強度和后期強度都高，可以滿足混凝土早期拆模強度比較高的要求；同時由于早期強度高、水化快，早期可以產(chǎn)生大量氫氧化鈣來激發(fā)摻合料的活性，提高混凝土強度和耐久性；由于有效激發(fā)了摻合料活性，可以加大摻合料用量，減少水泥用量。廠家的出廠報告顯示，該 P·O42.5 硅酸鹽水泥 3 天強度 29MPa（國家規(guī)范要求≥17.0MPa），28 天強度 51.2 MPa （國家規(guī)范要求≥42.5MPa），其他項目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 礦物摻合料的選用

為了減少水泥用量并充分利用礦物摻合料二次水化的微膨脹填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)，使混凝土更加密實并提高混凝土強度和耐久性，同時還要考慮所用的摻合料水化要幾乎與水泥的水化同步，不能過于滯后，不能影響混凝土的早期強度，公司選用礦粉來取代一部分水泥（可以取代約 100～150kg 水泥，C40 以上還可以加大摻量），這樣既不影響強度，還減少了水泥用量，降低了混凝土成本，降低了混凝土黏度，減少了坍落度損失，提高混凝土流動性，由于摻加礦粉的混凝土更加密實，也大大提高了混凝土耐久性。我公司礦粉選用的是S95 級礦粉，質(zhì)量穩(wěn)定、來料均勻，符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求。廠家出廠報告顯示，該礦粉的 7d 活性指數(shù)79%（國家規(guī)范要求≥75%），28d 活性指數(shù) 101%（國家規(guī)范要求≥95%）。其他項目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

不使用粉煤灰的原因是，目前溫州市場粉煤灰質(zhì)量很不穩(wěn)定，Ⅱ 級粉煤灰常常會不合格（其中夾雜著一些 Ⅲ 級灰，在溫州當(dāng)?shù)胤Q作筒灰，質(zhì)量很不穩(wěn)定），而且色差很大，影響 PC 結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量；最重要的還是影響混凝土早期（36 小時）拆模強度，因此我公司決定不用粉煤灰。

2.2.3 骨料的選用

細骨料，也就是砂的選擇非常重要。由于為了滿足較高的早期拆模強度，水膠比就會較小，因此不宜使用細度 2.5 以下的砂，否則會增加混凝土黏度，難以施工。細骨料選擇采自浙江青田甌江中下游的中砂，細度 2.7，Ⅱ 區(qū)中砂，顆粒級配好，形態(tài)圓潤，比較適合PC 構(gòu)件的工作性要求。含泥量 0.5%（國家規(guī)范 C55 以下砂要求≤3.0%），泥塊含量 0%（國家規(guī)范 C55 以下砂要求 1%），為非活性骨料。其他項目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

粗骨料的選擇也很重要，由于為了滿足早期較高的拆模強度要求，水膠比較小，混凝土一般會比較粘，為了減少混凝土的粘度，滿足施工性能，就要增加碎石的表面積；所以骨料粒徑要選擇 25mm 以下的碎石，不能使用粒徑大于 25mm 的碎石，因為相同重量的碎石粒徑越小比表面積就越大，就可以有效的將膠材分散開來，降低混凝土黏度；同時可以增加膠結(jié)面積來增加混凝土強度。我公司選用的粗骨料石材強度高、顆粒形態(tài)好；顆粒級配為 5～25mm 連續(xù)粒級，含泥量 0.05%（國家規(guī)范 C55 以下石要求≤1%），泥塊含量 0%（國家規(guī)范 C55 以下石要求 ≤0.5%），壓碎指標(biāo) 5%（國家規(guī)范C55 以下要求 ≤20%），針片狀 8%（國家規(guī)范 C55 以下要求 ≤15%），為非活性骨料。其他項目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如果顆粒級配不好，可以復(fù)合一些 5～16mm 碎石。

2.2.4 減水劑的選用

PC 構(gòu)件由于早期強度要求高，水膠比都比較低，一般萘系、脂肪族減水劑由于減水率低，會造成用水量大，在相同水膠比時，比減水率高的聚羧酸減水劑要多用許多膠材，成本高，而且保塑性差、坍落度損失大，早期強度低，尤其是 36 小時強度很低，滿足不了 PC構(gòu)件的拆模要求。而且用萘系、脂肪族減水劑生產(chǎn)的混凝土，表面會出現(xiàn)不規(guī)則較大的氣泡，影響混凝土外觀質(zhì)量。因此，減水劑宜選用減水率高、減水率達到 27%左右的聚羧酸外加劑，可以大幅減少混凝土的用水量，減少膠材用量，從而提高其耐久性；同時混凝土的保塑效果好，混凝土的坍落度損失很小，保證了混凝土的施工性能，方便施工。最重要的是該聚羧酸母液中復(fù)配了早強母液，能比普通聚羧酸減水劑提高早期強度 15%左右。廠家建議摻量為膠凝材料用量的 1.8%～2.3%。

2.3 混凝土配合比設(shè)計

2.3.1 配制強度的計算

由于此次設(shè)計強度為 C30，按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》混凝土配制強度按下式計算：

式中：

?cu,0——混凝土配制強度，MPa；

?cu,k——混凝土設(shè)計強度，MPa；

σ——混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

由于公司是新建廠，沒有 1 到 3 個月強度資料，因此混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差，按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 4.0.2 選用（見表 1）。

表1 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 4.0.2

具體計算如下：

這是按普通混凝土計算的配制強度，28 天標(biāo)養(yǎng)后強度可達到 38.2MPa，但 36 小時強度很低，也就10MPa 左右，滿足不了 36 小時達到 20MPa 拆模強度的要求。按經(jīng)驗只有將配制強度提高到 55MPa 時（實際上就是降低水膠比），36 小時強度才能達到 20MPa，因此配制強度選 55MPa。

2.3.2 計算水泥 28 天膠砂抗壓強度值（?cu,e）和膠凝材料 28 天膠砂抗壓強度值（?b）

由于公司剛成立，沒有 28 天水泥和膠材膠砂強度實測值，只能按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的下式計算：

式中：

?ce——水泥 28 天膠砂強度抗壓值，MPa；

?c——水泥強度等級值的富余系數(shù)，MPa；

?ce,g——水泥強度等級值，MPa。

水泥強度等級值的富余系數(shù)（?c）按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 5.1.4 選用（見表2）。

表2 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 5.1.4

具體計算如下：

按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表5.1.3 取粒化高爐礦渣粉影響系數(shù) ?s為 1.0，則 28 天膠凝材料膠砂強度值計算如下：

2.3.3 計算水膠比

由于此次設(shè)計強度為 C30，因此水膠比按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的下式計算：

式中：ɑa，ɑb按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 5.1.2 選用（見表 3）。

表3 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 5.1.2

公司使用的是碎石，因此 ɑa取 0.53，ɑb取 0.2，水膠比具體計算過程如下：

2.3.4 用水量的確定

由于沒有經(jīng)驗值，只能按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》表 5.2.1-2 建議的塑性混凝土用量選用；再結(jié)合混凝土的坍落度要求來推算。從表中查得碎石最大粒徑 20mm、坍落度 90mm 時建議用水量215kg，碎石最大粒徑 31.5mm、坍落度 90mm 時建議用水量 205kg；由于我公司碎石的最大粒徑是 25mm，所以取這兩個建議值的中間值 210kg。根據(jù)經(jīng)驗，一般坍落度每增加 20mm，用水量增加 5kg，因此坍落度150mm 混凝土的用水量按下式計算：

2.3.5 摻外加劑后混凝土的用水量 mwo的確定

公司使用的聚羧酸減水率為 βa=27%，摻聚羧酸減水劑后混凝土的用水量按下式計算：

2.3.6 計算混凝土膠材用量

每立方混凝土中膠材用量按下式計算：

2.3.7 計算每立方混凝土中水泥用量及礦粉用量

按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》第3.0.5 條和以往經(jīng)驗礦粉摻量 βf取 35%，則每立方混凝土中礦粉用量按下式計算：

每立方混凝土中水泥用量按下式計算：

2.3.8 計算每立方混凝土中外加劑用量

公司所用聚羧酸廠家建議摻量 1.8%～2.3%，C30強度等級比較低，因此選較低的摻量 1.8%。

2.3.9 砂率的確定

按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》第

5.4 條建議，坍落度大于 60mm 時、碎石粒徑在 20mm時、水膠比在 0.4～0.5 時砂率 βs選 33% 左右，坍落度每增加 20mm，砂率增大 1%；同時砂的細度比Ⅱ區(qū)中砂（細度 2.5 左右）略細時，減少砂率，比 Ⅱ 區(qū)中砂（細度 2.5 左右）略粗時，增加砂率（筆者公司砂細度2.7 略粗，應(yīng)該增加 1%）；依此，本混凝土配合比砂率確定如下：

2.3.10 粗細骨料用量的確定

按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》第

5.5 條建議當(dāng)采用重量法時按下式計算：

mc,p按經(jīng)驗取 2380kg/m3

則，每立方混凝土中砂的用量計算如下：

則，每立方混凝土中碎石的用量計算如下：

2.3.11 配合比

每立方混凝土配合比確定見表 4。

表4 混凝土配合比 k g/m3

2.4 實測強度

混凝土試件成型后，模擬工廠自然養(yǎng)護狀態(tài)，環(huán)境溫度 30℃、濕度 60% 左右。C30 混凝土實測早期強度結(jié)果為 24h 混凝土強度為 15.6MPa，36h 混凝土強度為22.5MPa。試驗結(jié)果顯示混凝土自然養(yǎng)護 36h 時強度已經(jīng)達到、并超過了20MPa 的拆模強度要求，完全符合生產(chǎn)要求。

3 成本對比

設(shè)計的混凝土滿足了各項技術(shù)要求后，還有重要的一點，就是要看成本是否低于同類混凝土成本。我們選取了我國北方地區(qū)某 PC 工廠 C30 樓梯混凝土（也是要求 36h 達到 20MPa 的拆模強度要求）做了成本對比，該工廠膠凝材料組合選用的是水泥、粉煤灰組合，為了達到 36h 20MPa 的拆模強度要求，水泥用量比較高，達到了 350kg/m3。在對比單方混凝土成本時，為了具有可比性，原材料價格統(tǒng)一使用溫州地區(qū)原材料價格。具體見表 5。

表5 成本對比表

由表 5 可見，筆者公司采用的水泥、礦粉膠凝材料組合混凝土配合比與北方某 PC 工廠水泥、粉煤灰膠凝材料組合混凝土配合比相比，同樣都滿足了 36 小時達到 20MPa 的拆模強度要求，但筆者公司配合比中水泥用量大大降低，整體混凝土成本每立方比北方某 PC 工廠低 14 元。

北方地區(qū)礦粉價格低于溫州地區(qū)，如果采用水泥、礦粉膠凝材料組合來配制混凝土，成本將更低。

4 結(jié)語

根據(jù)本文論述的裝配式建筑構(gòu)件混凝土配合比設(shè)計思路及列舉的實例，我們可以清楚的認識到對早期拆模強度要求比較高的裝配式建筑構(gòu)件混凝土配合比設(shè)計思路是：

首先，設(shè)計混凝土配合比，尤其設(shè)計強度比較低的C30、C35 混凝土配合比時，要想達到比較高的早期拆模強度（36h 普通混凝土構(gòu)件就要達到 15MPa 的拆模起吊強度、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和樓梯等特殊構(gòu)件要求達到 20MPa 的拆模起吊強度），就必須提高混凝土配制強度，也就是降低水膠比。

第二，選用早強 P·O42.5 水泥、或早期強度高的水

Design idea and example of concrete proportion of fabricated building elements

Huang Zhenxing
(Zhejiang Xinbang Yuanda Housing Industry Development Co., Ltd., Wenzhou 325000)

According to the special requirements of concrete in the production of assembled building members, the design method of concrete mixture ratio is discussed. An example of mix proportion design is introduced to explain the design idea and design method of this concrete.

fabricated building; component; concrete mixture ratio; design idea