混凝土配合比設計影響因素分析及設計優化

徐蒞春，劉曉霞

（南通市建筑工程質量檢測中心，江蘇 南通 226000）

0 前言

隨著材料科學的不斷發展，混凝土應用領域越來越廣，而無論是用于哪個領域的混凝土，其配合比設計的關鍵，都是以混凝土的和易性、力學性能、耐久性為目標，選擇合適的原材料、優化配比參數，以達到設計的要求。本文從配合比設計的內在要求出發，探索不同因素影響下的配合比調整方向，對混凝土的設計、生產有著實際的指導意義。

1 混凝土配合比設計的技術要求

混凝土在進行配合比設計時，主要考慮滿足和易性、力學性能和耐久性技術要求。在生產施工階段，要滿足混凝土拌合物的和易性，其性能主要包括流動性、粘聚性和保水性；在混凝土成型養護及后期使用階段，要滿足力學性能的要求，主要指混凝土的立方體抗壓強度、抗折強度，抵抗混凝土變形（主要包括化學收縮、碳化收縮、干濕變形、溫度變形、徐變等）的能力；在后期使用階段，還要滿足耐久性的要求，其性能主要包括抗滲、抗凍、碳化、鋼筋銹蝕、抗侵蝕等。

2 混凝土配合比影響因素分析及調整

混凝土原材料的組成及選用、所處環境、結構部位、生產施工工藝等都對其技術要求有很大的影響，進而影響混凝土的配合比設計。

2.1 原材料

配制混凝土的原材料直接決定了混凝土的各項性能，如主要原材料的水泥的強度對混凝土的強度起了決定性的作用；水灰比、砂率、石子的空隙率、外加劑和摻合料都對混凝土的和易性有很大影響。

2.1.1 原材料對混凝土和易性的影響

水灰比：水灰比的大小影響了混凝土拌合物的流動度：水灰比越大，流動性越好，坍落度大，但水灰比過大，易造成拌合物分層離析；水灰比越小流動性越差，水灰比過小時，混凝土難以振搗密實。在配合比設計時，應盡量降低水灰比，減少水泥用量，節約成本。為達到要求的坍落度，可添加減水劑。

砂率：砂率過大，會導致混凝土的流動性降低，坍落度變小；砂率過小，混凝土的粘聚性和保水性變差，易產生泌水、離析和流漿。在配合比設計時應選擇一個能夠填滿石子空隙的并有一定的富余量的砂率。

骨料：骨料的選擇對混凝土的和易性影響較大，在骨料總量不變的情況下，采用卵石、河砂拌制的混凝土和易性較好，而使用碎石和機制砂拌制的混凝土和易性相對較差；選用骨料的細度模數過大或過小，都會導致混凝土拌合物的流動性變差。在配合比設計時，細度模數大導致流動性差的情況，可以適當提高砂率，或增加水泥用量來改善和易性；細度模數過小，可以降低砂率，提高用水量進行調節。

摻合料：摻合料粉煤灰、礦粉等可以代替一部分水泥，一方面可以減少水泥用量，降低成本，另一方面可以改善混凝土的和易性。對于大體積混凝土、高溫施工混凝土，均可以摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，調整混凝土的和易性。

外加劑：外加劑可以改善混凝土的和易性，如減水劑可以在不減少拌合用水量的前提下，顯著提高拌合物的流動性，加入減水劑越多，混凝土流動性越大；泵送劑可用于改善混凝土泵送性能。

2.1.2 原材料對混凝土力學性能的影響

水泥的強度：水泥的強度等級越高，配制混凝土的強度也越高；相同水泥強度等級配制的混凝土，水泥用量越大強度也越高。

水灰比：水灰比過大，混凝土拌合物中水泥顆粒少、距離大，顆粒間會產生空隙，會導致混凝土強度低，后期變形大；水灰比變小，水泥顆粒間距小，顆粒間填充密實，混凝土強度就相對較高。

砂率：混凝土的抗壓強度隨著砂率的增加變動幅度較小。

骨料：骨料在混凝土結構中主要起著傳遞荷載的作用，骨料的選擇，可以提高混凝土的強度和彈模，減小因荷載作用引起的變形，進而增強混凝土的抗變形能力，提高耐久性。

摻合料：摻入粉煤灰、礦粉等摻合料會減慢混凝土的水化速度，降低混凝土的早期強度，但摻合料中的活性成分可對混凝土的后期強度起促進作用，有利于后期強度發展和耐久性。

外加劑：外加劑的使用可以調節混凝土的強度，如在混凝土中摻入早強劑能夠加快混凝土的硬化，可以使早期強度快速增加，因此可用于緊急搶修工程。在混凝土中摻入緩凝劑，可以延緩混凝土的水化速度，避免內外溫差大導致的混凝土后期強度低、產生裂縫的現象，主要用于高溫季節混凝土、大體積混凝土、泵送、遠距離輸送混凝土。減水劑在減水而不減少水泥的用量時，可提高混凝土的強度。

2.1.3 原材料對混凝土耐久性能的影響

水灰比：水灰比越大，水泥用量相對較小，混凝土在水化過程中產生的 Ca(OH)2也就越少，擴散的阻力就越小，碳化速度也就越快，同時，混凝土內部孔的總的體積和孔徑越來越大，在凍融過程中產生的冰脹壓力和滲透壓力變大，抗滲性、抗凍性也越差；反之，水灰比降低，混凝土密實度增強，孔隙率降低，碳化速度較慢，抗凍性、抗滲性越好。

砂率：合適的砂率便于振搗、密實，不僅可提高混凝土的密實性和抗滲性，而且提高了抵抗外部侵蝕性介質的破壞作用，降低侵蝕程度，延緩侵蝕速度。

骨料：混凝土在凝結硬化過程中，粗骨料的收縮值比水泥漿小得多，在一定程度上可以限制混凝土的收縮，粗骨料表面構造好，易于和砂漿基體粘結，可以有效提高骨料與漿體交界面的密實度，提高耐久性。

摻合料：粉煤灰的摻入可以使混凝土進行二次水化反應，生產水化硅酸鈣，填充混凝土內部的空隙，提高混凝土的抗滲性。

外加劑：混凝土摻入減水劑可顯著提高混凝土的耐久性。摻入引氣劑可以均勻地引入大量穩定而封閉的微小氣泡，能提高混凝土的抗凍性和抗滲性，同時，增加含氣量，提高混凝土的抗裂性。

2.2 混凝土所處的環境

混凝土所處的環境主要指溫度的影響（高溫、高寒、凍融等）、濕度的影響、鹽堿腐蝕。這些環境因素直接影響了混凝土的強度，及碳化、抗裂性、鋼筋銹蝕等耐久性指標。

2.2.1 環境混凝土對和易性的影響

氣溫、相對濕度對混凝土拌合物的和易性有影響，當氣溫較高時混凝土在拌合過程中水分蒸發的快，會導致混凝土的流動性減小，坍落度降低，和易性差，應相應提高水灰比。

2.2.2 環境對混凝土力學性能的影響

溫度越高、風速越大，會導致混凝土的水分蒸發速度大，能加速混凝土早期強度，因而導致后期強度的降低，同時造成混凝土收縮變形大，開裂面積大。在進行配合比設計時，可適當增加單位體積用水量。高寒、凍融環境，溫度較低，水化速度慢，直接影響混凝土的早期強度及后期抗凍性、抗裂性。要保證混凝土力學性能，要求混凝土有較低的水灰比，在混凝土中要適量地加入粉煤灰摻合料和減水劑，從混凝土的早期硬化上限制水化熱，這樣后期硬化才能減少收縮變形。

2.2.3 環境對混凝土耐久性的影響

高溫會使混凝土中自由水蒸發快，混凝土凝結速度快，導致混凝土的塑性收縮大，產生裂縫，尤其是鋼筋混凝土結構，會進一步造成鋼筋銹蝕。在進行混凝土配合比設計時，可在保證強度的基礎上，適當增加水灰比，加入緩凝劑，減緩水化速度。在高寒地區，尤其是在有水接觸的受凍環境下，降低水灰比，可使混凝土內部毛細孔，氣泡變小，大大提高混凝土的抗凍能力。

潮濕、鹽堿腐蝕環境會導致混凝土開裂，在進行配合比設計時，摻入礦物摻合料，能夠改善混凝土孔結構，明顯提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，進而提高混凝土的耐久性。同時，可以適當添加阻銹劑，防止混凝土結構后期鋼筋銹蝕。

2.3 結構部位

混凝土工程的不同結構部位有不同的特點，其對混凝土的和易性、強度、耐久性就有不同的要求。在進行配合比設計時，應根據不同的結構部位特點進行調整。

2.3.1 結構部位對和易性的要求

對于結構部位尺寸較大的混凝土，對和易性要求較高，施工過程中，應充分考慮大體積混凝土配合比設計要求，使用大摻量活性摻合料和緩凝劑，可有效降低水泥的早期水化熱。

對于設計標高較高的部位，需要泵送施工，就要求混凝土具有較好的泵送性，在進行配合比設計時，要加入泵送劑，調整混凝土的流動性。

2.3.2 結構部位對混凝土力學性能的要求

建筑工程中的墊層、梁、板、柱、基礎混凝土強度要求不同，在建筑工程中柱子的強度高于同一層梁、板的強度；橋梁的不同部位如橋墩、橋臺、鋼梁混凝土強度要求也不同。在進行混凝土配合比設計時，可通過選擇混凝土強度等級 1.5～2 倍的水泥強度等級，減少水灰比，選擇級配良好的中砂和連續粒級的石子等方式，來提高混凝土的強度。

2.3.3 結構部位對混凝土耐久性的要求

不同結構部位受力不同，會對耐久性產生影響，如橋梁的索塔，要求混凝土具有良好的抗裂性能，在進行配合比設計時，考慮摻入粉煤灰等活性摻合料和緩凝減水劑，盡量降低膠凝材料的水化熱，減少混凝土的化學收縮和干縮，提高其抗收縮性能；提高混凝土自身的抗變形、抗開裂性能。

2.4 其他因素

混凝土的運輸方式、澆筑方法等生產、運輸、施工工藝也對混凝土的和易性有較大的影響，進而影響了混凝土的配合比設計。比如遠距離運輸的混凝土，就要力求其凝結時間滿足運輸施工要求，泵送混凝土要求混凝土有較好的流動性等，應對相應的配合比設計進行調整，如對于泵送混凝土應相應加大砂率，加入適量泵送劑，來增加混凝土澆筑過程中的流動性，減少阻力。

3 結論

結構部位、環境、原材料、工藝等因素并不是獨立的，而是相互影響的。比如同一個結構部位因所處環境不同，則配合比就不盡相同；同一個環境的不同結構部位，配合比也需要適當調整；而原材料的選用也需考慮結構部位特點和環境。在進行混凝土配合比設計時，需要根據工程的結構部位、其所處的環境、原材料的選擇、工藝來確定混凝土的工作性能、結構強度、經受長期環境影響的耐久性指標，再進行水灰比、砂率、骨料級配、摻合料、外加劑量的試配，最終確定工程各個部位特有的配合比設計。