混凝土配合比的設計與優化選擇

王亞閣

（1.北京翔鯤水務建設有限公司，北京100085；2.北京碧波立業技術檢測有限公司，北京100085）

1 引言

混凝土作為重要的建筑施工材料，多用于建設工程的重要部位，優化設計混凝土配合比，不僅對于保證工程質量和便于工程施工具有重大意義，而且從節約材料方面具有很大的經濟意義。

2 混凝土配合比設計概述及原材料選擇

混凝土是由水泥、砂子、石子及水等構成，混凝土中各組成材料之間的比例關系稱為混凝土配合比，確定這種數量比例關系的工作，稱為混凝土配合比設計。混凝土配合比設計是實現預拌混凝土性能的一個重要過程，也是保證預拌混凝土質量的重要環節?；炷潦┕づ浜媳仁且栽囼炁浜媳葹榛A確定的，而試驗配合比是在確定了混凝土試配強度后，按照規范進行設計確定。

2.1 混凝土配合比設計依據

混凝土配合比，參照現行《普通混凝土配合比設計規程》[1]（JGJ55-2011），并應通過設計和試配確定。試配時應使用施工中實際采用的原材料，配制的混凝土拌合物的和易性、凝結時間等應滿足《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[2]（GB/T 50080-2016）中相應條款的要求，制成的混凝土試件應符合強度、耐久性等質量要求。

2.2 混凝土配合比設計要求

混凝土配合比設計應滿足以下四項基本要求[3]，即：①滿足結構設計的強度等級要求和混凝土試配強度；②滿足混凝土施工所要求的坍落度、和易性；③滿足工程所處環境對混凝土耐久性的要求；④符合經濟性原則，即節約水泥以降低混凝土成本。

2.3 原材料的選擇

2.3.1 水泥

水泥是決定混凝土強度等級的主要膠凝材料，具有粘結和填充粗骨料空隙的作用，同時為了降低成本，應在強度滿足施工要求的條件下，盡量減少水泥用量。本次設計選用河北燕新P.O 42.5水泥，所檢指標符合相關規范中的技術要求。

2.3.2 骨料

骨科必須堅硬、致密、耐久、無裂隙。混凝土的細骨料：粒徑在0.16～5mm之間的骨料。按形成條件分為天然砂、人工砂；按細度模數分為粗砂、中砂、細砂和特細砂。本次設計選用的是淶水天然砂，中砂，含泥量≤3%。混凝土的粗骨料：粒徑大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。本次設計選用的是淶水5～25mm連續級配的碎石，含泥量≤1%。

2.3.3 摻合料

摻合料包括粉煤灰和礦粉，混凝土中加入摻合料能降低混凝土的水化熱，防止出現裂縫，同時還能減少膠凝材料中水泥用量，節約成本。本次設計選用的是Ⅱ級F類粉煤灰和S95級高爐礦渣粉。

2.3.4 外加劑

為了提高混凝土的施工性能、加快施工進度，改善混凝土拌合物的和易性，可在混凝土中加入少量的外加劑。本次設計選用的是聚羧酸高性能減水劑。

2.4 混凝土配合比設計原則

混凝土配合比設計就是確定水泥、水、砂與石用量之間的比例關系。水膠比、單位用水量和砂率是混凝土配合比設計的三個基本參數。基本參數確定的原則：在滿足混凝土強度和耐久性的基礎上，確定混凝土的水膠比，在滿足混凝土施工要求的和易性基礎上，根據粗骨料的種類和規格確定單位用水量；砂率應以砂在骨料中的數量填充石子空隙后略有富余的原則來確定。

3 混凝土配合比計算

混凝土配合比設計，以計算1m3混凝土中各組成材料用量為基準，計算時骨料應以干燥狀態為準。本文以C25混凝土配合比為例進行設計、計算。

3.1 確定試配強度

當混凝土的設計強度等級小于C60時，試配強度應按下式確定：

式中：fcu,0——混凝土配制強度（MPa）；

fcu,k——混凝土立方體抗壓強度標準值，取混凝土的設計強度等級值（MPa）；

σ——混凝土強度標準差（MPa）。

當設計強度等級為C25時，σ取5.0，經計算得，試配強度為33.2MPa。

3.2 計算水膠比

當混凝土的設計強度等級小于C60時，混凝土水膠比宜按下式計算：

式中：W/B——混凝土水膠比；

αα，αb——回歸系數，按規范分別取0.53、0.20；

fb——膠凝材料28d膠砂抗壓強度（MPa）。

式中：γfγs——粉煤灰影響系數和?；郀t礦渣粉影響系數，查表分別取 0.85、1.00；

fce——水泥28d膠砂抗壓強度（MPa）。

當水泥28d膠砂抗壓強度（fce）無實測值時，可按下式計算：

式中：γc——水泥強度等級的富余系數，查表取1.16；

fce,g——水泥強度等級值（MPa）。

經計算，水膠比為0.59。

3.3 選取用水量（mw0）

3.4 膠凝材料用量（mb0）

經計算得，mb0=292kg/m3

3.5 水泥及摻合料用量

粉煤灰摻量為20.0%，則粉煤灰用量=292×20.0%=58kg/m3

礦粉摻量為20.0%，則礦粉用量=292×20.0%=58kg/m3

則水泥用量為176kg/m3

3.6 外加劑用量

外加劑摻量：βa=2.0%，則

經計算得，ma0=5.84kg/m3

3.7 選取砂率（βs）

根據碎石最大粒徑25mm，水膠比0.59，及以往試配經驗，選取砂率βs=44%。

3.8 確定砂石重量（質量法）

式中：mf0——每立方米混凝土的摻合料用量；

mc0——每立方米混凝土的水泥用量；

mg0——每立方米混凝土的粗骨料用量；

ms0——每立方米混凝土的細骨料用量；

mw0——每立方米混凝土的用水量；

mcp——每立方米混凝土拌合物的假定重量，其值可取2350～2450kg/m3。

取mcp=2400 kg/m3，經計算得，砂、石重量分別為852kg/m3、1084kg/m3。

3.9 設計理論配合比確定

表1 設計理論配合比

經試配，混凝土拌合物和易性良好，無泌水、離析現象，坍落度滿足設計要求。因此，確定設計的理論配合比為基準配合比。

4 試配調整與配合比確定

4.1 配合比試拌

混凝土配合比優化設計應采用三個不同水膠比的配合比，另外兩個宜較基準配合比的水膠比分別增加和減少0.05，用水量應與基準配合比相同，砂率可分別增加和減少1%，得到不同水膠比的配合比如表2所示。

表2 不同水膠比的配合比（單位：kg/m3）

4.2 試配結果

經試配，三個水膠比的配合比，拌合物的和易性良好，試配結果如表3所示，不同水膠比的28d抗壓強度如圖1所示。

根據試配結果，三組試配配合比抗壓強度與水膠比有很好的相關性，試配編號為01的配合比，28d齡期抗壓強度達不到配制強度要求；試配編號為02的配合比略大于配制強度；試配編號為03的配合比，水泥用量較大，不利于節約工程成本。因此，選用試配編號為02的配合比作為工程實際施工配合比。

表3 不同水膠比配合比試配結果

圖1 不同水膠比的28d抗壓強度值

混凝土配合比是決定混凝土強度的一項重要技術指標，合理的配合比設計應在符合相關規范中對強度、耐久性、和易性和經濟性等要求的前提下，確定各種材料的用量，獲得最為經濟、適用的混凝土配合比。混凝土配合比優化設計是在理論、經驗雙重指導下的實踐性過程，為了滿足不同工程所需混凝土的要求，還應對混凝土配合比設計進行深入系統的研究，才能使其設計更加科學合理。