淺談混凝土配合比設計及優化設計的重要性

范 正 春， 范 春 艷， 李 四 春

(中國水利水電第十工程局有限公司 勘測設計院，四川 都江堰 611830)

淺談混凝土配合比設計及優化設計的重要性

范 正 春， 范 春 艷， 李 四 春

(中國水利水電第十工程局有限公司 勘測設計院，四川 都江堰 611830)

混凝土配合比設計與混凝土的工程性能和單價、成本密切相關，通過提升拌和樓的生產管理水平、降低混凝土配制強度的標準差，進行混凝土配合比的優化設計，進一步將混凝土的工程性能和單價成本優化，體現其經濟效益。

配合比設計；優化設計；研究應用；混凝土；重要性

1 概 述

混凝土配合比設計是綜合考慮建筑物結構特點、原材料性能、施工工藝及設備、施工環境、質量管理等因素，結合混凝土的拌和物性能、力學性能和耐久性能要求確定混凝土中各原材料的比例用量，以獲得滿足工程性能要求、經濟合理的連續過程。采用初始混凝土配合比在現場施工一段時間后，對混凝土進行一定數量的取樣、試驗并對試驗結果進行數理統計分析，得出一個生產混凝土過程中的混凝土強度標準差(簡稱：統計標準差)，其低于初始配合比設計中采用的配制強度標準差(簡稱：配制標準差)、但不低于規程規范要求的最低標準差，則采用統計標準差設計出新的混凝土配合比的過程即為混凝土配合比的優化設計。混凝土配合比設計的成敗直接關系到混凝土的工程性能和單價成本，而混凝土配合比的優化設計則是在滿足混凝土工程性能和經濟合理的基礎上進一步的集中、統一優化。

2 混凝土配合比設計

混凝土配合比設計必須同時滿足設計規程規范要求、混凝土工程性能要求、混凝土施工性能要求和經濟合理要求。混凝土配合比設計是混凝土設計、生產和應用中最重要的環節之一，配合比設計的成功與否，決定了混凝土技術先進性、成本可控性和發展可持續性等水平。

2.1 滿足規程規范要求

混凝土配合比設計首先要選擇準確的規程規范，這一點很關鍵，其是否準確直接決定混凝土配合比設計的成敗。目前常用的混凝土配合比設計規程規范有《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)、《水工混凝土配合比設計規程》(DL/T5330-2015)、《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)和《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30-2014)四類。前三類混凝土配制強度以混凝土的立方體抗壓強度為設計標準，后一類的混凝土配制強度以混凝土的抗彎拉強度為設計標準。采用不同的規程規范，就是完全相同的強度等級混凝土也會設計出不同的混凝土配合比，主要就是因為不同行業的規程規范中對混凝土配制強度中的標準差的規定不一樣(表1、2)。以C25強度等級混凝土的配制強度為例：以《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011為設計標準，混凝土的配制強度為33.2 MPa；以《水工混凝土配合比設計規程》DL/T5330-2015、《水工混凝土試驗規程》SL352-2006為設計標準，混凝土的配制強度為31.6 MPa，前者比后者高1.6 MPa。

2.2 滿足設計和施工性能要求

表1 建筑工程行業混凝土配合比設計中的標準差δ值表 /MPa

滿足設計和施工性能要求、保證混凝土的工程質量是混凝土配合比設計的主要目的。主要滿足混凝土拌和物的和易性、硬化后的混凝土物理力學性能和混凝土的耐久性。混凝土拌和物的和易性主要是指混凝土的坍落度(碾壓混凝土的VC值)、擴散度；硬化后的混凝土物理力學性能主要有抗壓強度、抗折強度、抗沖磨強度、抗拉強度、彈性模量和早期的抗裂性能；混凝土的耐久性主要有抗碳化性能、抗氯離子侵蝕性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗凍性能。混凝土的施工性能要求就是要滿足現場施工的需要。

2.3 滿足經濟合理要求

混凝土配合比設計的經濟合理要求：必須合理選擇混凝土原材料并優化組合混凝土原材料，通過技術組合實現降低混凝土單價成本、節約資源和保護環境的目的。合理選擇混凝土原材料應本著因地制宜、就地取材的原則，在有選擇的情況下盡可能地選擇品質最好的砂石骨料并應優先選用人工骨料。混凝土的摻合料是粉煤灰、火山灰、高爐礦渣粉，而最常用的是粉煤灰，其主要作用為三個效應：即粉煤灰的形態效應，活性效應及微集料效應；應選擇與混凝土等級相適應的水泥品種及強度等級；選擇與水泥相容性較強的外加劑。待水泥、摻合料、砂石骨料和外加劑等原材料均相對固定后，利用技術手段對混凝土原材料實施最優比例的技術組合，進而實現混凝土配合比設計經濟合理的要求。

3 混凝土配合比的優化設計

混凝土配合比優化設計的目的旨在降低混凝土強度的標準差，通過降低混凝土強度標準差(不低于混凝土配合比設計規程規范所要求的最低標準差)來降低混凝土的配制強度，在滿足混凝土工程性能的前提下，相對節約混凝土單位體積的原材料用量，降低混凝土的單價成本，從而實現通過混凝土配合比優化設計降低混凝土單價成本的目的，增加經濟效益。混凝土配合比的優化設計是一個不斷統計分析、不斷試驗、不斷提升的重復循環過程。

混凝土配合比優化的主要手段是降低混凝土強度的標準差。混凝土強度標準差在一定程度上反映了混凝土攪拌站的生產管理水平。混凝土拌和樓的生產管理水平和技術水平越高，混凝土強度標準差就越小。

降低混凝土強度標準差的具體途徑是：(1)細化混凝土配合比設計，在混凝土配合比設計過程中因施工因素常常將混凝土的設計坍落度范圍擴大，如將泵送混凝土的坍落度經常設計為120～160 mm或者140～180 mm，坍落度的區間范圍變大后，混凝土的強度波動范圍就會變大，混凝土強度的離差系數就會變大，混凝土的強度標準差亦會變大。在實際的配合比設計過程中，將泵送混凝土的坍落度區間范圍適當縮小至20 mm，如120～140 mm、140～160 mm或160～180 mm來減少混凝土強度的波動，降低混凝土強度標準差；(2)混凝土原材料的品質應相對穩定，混凝土原材料的品質波動越大，混凝土強度的波動范圍就越大；混凝土原材料的品質穩定，其混凝土強度也相對穩定。(3)混凝土拌和樓的計量設備應準確且穩定，混凝土拌和樓的操作人員要熟練、有經驗、有責任心，拌和樓的混凝土生產要穩定。對混凝土拌和樓來說，混凝土強度最重要的一點是穩定，穩定的混凝土強度可以降低混凝土強度標準差；(4)混凝土抗壓強度試驗的取樣要有代表性、均勻、能夠切實反映混凝土的實際情況；反之，無代表性的混凝土試樣會給混凝土抗壓強度的數理統計帶來較大的偏差。

混凝土強度標準差按照同品種混凝土、同生產工藝和同混凝土配合比(簡稱“三同”)的設計齡期抗壓強度、連續試件總數不少于30組進行統計計算。

4 混凝土配合比優化設計的步驟

(1)在按混凝土施工配合比實施生產后，對“三同”混凝土進行連續取樣不應少于30組，按照設計齡期進行混凝土的強度試驗，根據試驗結果統計并分析出近期的混凝土強度標準差值。

(2)將統計分析出的混凝土強度統計標準差值與混凝土施工配合比中的混凝土配制強度標準差值進行比較，如果混凝土施工配合比中的混凝土配制強度標準差值減去統計出的混凝土統計強度標準差值≧1 MPa，則按照統計出的混凝土強度標準值進行配合比優化設計；反之，則需要繼續提升混凝土拌和樓的整體生產管理水平，確保混凝土拌和樓的生產穩定，降低混凝土強度標準差，直到滿足配合比設計優化的標準。

(3)對于滿足配合比優化設計條件的混凝土強度統計標準差的混凝土配合比按照相對應的配合比設計規程規范、采用最新統計的混凝土強度標準差進行混凝土配合比設計。

(4)對于優化設計后的混凝土配合比，在生產過程中也要通過數理統計分析進行混凝土質量監控，確保優化后的混凝土同樣滿足混凝土工程性能的要求。

5 采用優化設計后的混凝土配合比取得的經濟效益

混凝土配合比的優化設計就是在滿足混凝土工程性能的前提下，進一步降低混凝土材料的單價成本，為施工項目創造經濟效益。這種混凝土配合比優化設計理念在水電十局承建的毗河工程一分部的混凝土施工過程中產生了較好的經濟效益。在現場混凝土配合比實施過程中，積極調整現場拌和樓的生產管理水平，使混凝土拌和樓的生產水平盡可能的穩定，降低混凝土強度的標準差，然后按照降低后的標準差進行第一次優化配合比設計，其試驗成果見表3。現場使用優化前的混凝土配合比的單價成本為238.31元/m3，經過第一次優化后的混凝土單價成本為233.06元/m3，優化后每m3混凝土可以降低材料成本5.25元，按照該項目工程折算后的C20等級混凝土26.4萬m3計算，可以降低混凝土材料成本138.6萬元，其經濟效益顯而易見，值得推廣。

表3 混凝土配合比設計參數及每m3混凝土材料單價表

備注：混凝土原材料單價為：水泥315元/t，砂石0.065元/kg，水5元/t，外加劑5 500元/t。

[1] 李立權.混凝土配合比設計手冊[M].廣州：華南理工大學出版社，2003.

范正春(1974- )，男，重慶忠縣人，工程師，從事建筑工程施工技術與管理工作；

范春艷(1976- )，女，湖北洪湖人，工程師，從事建筑工程施工技術與管理工作；

李四春(1973- )，女，四川安岳人，技術員，從事建筑工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

2017- 01- 10

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