混凝土配合比設計方法的研究進展

張 軍

(內蒙古路橋集團有限責任公司，呼和浩特 010051)

混凝土配合比設計是混凝土工程中很重要的一個環節，混凝土配合比設計主要是根據規程及施工要求并結合現用材料的技術特性、生產工藝、質量控制水平、氣候條件和歷史經驗判斷礦物摻合量、用水量、外加劑摻量及砂率等重要參數。JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》確定用水量基于“固定用水量定則”，主要關注坍落度、抗壓強度、水膠比、拌合物工作性以及砂率，為混凝土配合比設計提供指導。實際使用中可以直接確定目標坍落度和目標強度，按照國標中給定的方法計算出水灰比和砂率等參數，進而確定配合比。根據社會發展的要求，我們要求配合比設計不止是滿足強度要求，更要滿足耐久性要求以及環境要求，在此背景下就不能使用國標一概而論了，在具體工程上依然要進行具體配合比設計。

對于高性能混凝土，我們希望它能夠易于澆搗而不離析，有高超的、能長期保持的力學性能，早期強度高、韌性好和體積穩定性優異，在惡劣的使用條件下壽命長。在實際配比中，P K Mehta建立了混凝土中粗集料、細集料、水和膠凝材料各組分之間的聯系,提出了系統化的高性能混凝土配合比設計方法。該方法具有適用范圍寬、簡捷、準確和易于程序化的特點，該配合比設計方法所配制混凝土的抗壓強度與期望值具有良好的一致性。高性能混凝土配合比設計方法由半定量向定量、由經驗向科學發展已經逐漸成為一種趨勢。配合比設計是混凝土的基礎，也是混凝土領域的一個難點問題，為了實現混凝土配合比設計由經驗向科學發展，找到其中一些共通的問題，將分別從配合比設計方法和發展趨勢兩方面介紹近幾年國內外的研究進展。

1 混凝土配合比設計方法概述

傳統的混凝土配合比設計一般是假定容重法或者絕對體積法，選定水泥標號，通過Bolomey公式可以計算并預測水灰比與強度的關系。下面幾種配合比設計方法在此基礎上發展或改進而來的。

1.1 基于強度的混凝土配合比設計方法

混凝土作為以力學性能為基礎的結構材料，在其配合比設計中首要目標就是強度，由于高性能混凝土的強度較高，水灰比低，影響因素多，因此，通常作為混凝土配合比設計基礎的Bolomey公式已不再適用，需要予以修正或者補充。張鐵志等[1]在Bolomey公式的基礎上，將砂率和設計強度系數作為變化因素，得出適用于C65、C70、C75和C90高強混凝土配合比的最佳砂率和最佳設計強度系數，并進行了驗證。周萬良等用單純形重心設計法預測復合膠凝材料抗壓強度，然后和設計要求的摻合料混凝土抗壓強度一起代入Bolomy公式，就能得到較準確的摻合料混凝土水膠比，再通過體積法就可較準確地求得摻合料混凝土配合比。此法常常擬定預期強度，但設計出來的混凝土硬化強度跟預期容易有較大出入，這也是其不足之處。

1.2 全因子混凝土配合比設計方法

不同于半定量半經驗的假定容重法和絕對體積法，全因子設計法的公式里包含所有組分的參數，包括各組分體積、各組分密度、各組分摻量、混凝土配制強度、水泥實測強度、水膠比、單位用水量和砂率，有的還需要加入外加劑摻量進入運算，有時候用到有限元分析的方法。目的是為探索規律，或為同類型的配合比設計提供參考。周梅等[2]利用全因子設計法研究免振搗混凝土，引入了水泥用量、粉煤灰摻量、水膠比、砂率、高效減水劑摻量等參數，得到了以流速、強度等為目標函數的回歸方程。鄧宗才等研究了水膠比、砂膠比、外加劑摻量、骨料粒徑范圍、普通水泥及礦物摻和料對超細水泥活性粉末混凝土抗壓強度、孔隙率、拌和物流動度的影響。全因子設計法核心在于找齊所有關聯參數的變化關系并構造公式，從而解決某一類混凝土的配合比設計問題，而對于組分不同或者用途不同的其余配合比設計，則用處不大。

1.3 基于致密堆積的混凝土配合比設計方法

混凝土各組分有體積相加性，粗骨料空隙由干砂漿填充，干砂漿由水泥、摻合料、砂和空隙組成，干砂漿空隙由水填充。以此建立顆粒的致密堆積模型，進行混凝土的配合比設計。陳晉棟等[3]基于可壓縮堆積模型進行透水混凝土的配合比設計，建立了集料在透水混凝土中的堆積密實度與其干堆積密實度之間的關系，進而確定出單位體積透水混凝土的集料用量。Chang P K[4]通過致密混合物設計算法結合實驗結果，發現了水固比對混凝土的體積穩定性有重要影響，為混凝土的耐久性設計提供參考。在自密實混凝土方向，王旭浩通過改善混凝土系統的顆粒堆積，在減少20%膠凝材料用量的情況下使混凝土保持同樣的力學性能。Hettiarachchi優化了集料堆積模型，保證所生產混凝土砌塊強度的同時優化其含水量。Thunuguntla等基于顆粒堆積理論進行了堿礦渣混凝土的配合比設計，骨料采用顆粒堆積理論進行配比，使得混凝土孔隙率較低，提高混凝土耐久性。采用致密堆積理論指導配合比設計，需要對原材料的堆積參數進行詳細測試，同時對原材料的均勻度有較高要求，這點在實際工程中體現較為明顯，因為不同批次的原材料容易出現不夠均一的情況。

1.4 基于計算-試配的混凝土配合比設計方法

在有一定以往經驗的基礎上再進行配合比設計，一般先結合以往數據，根據設計目標進行試配，通過試配后發現某一個或者某幾個性能有所偏差，再通過調整配合比予以修正，一般會用正交實驗的方法，最終得到理想配合比。

由于不同流變類型混凝土膠結材漿體的流動性、黏性以及粗集料級配與用量差別很大，為方便設計，傅沛興[5]提出了不同流變類型混凝土漿體量范圍與拌和用水量的選取方法，建立了4個集料連續級配計算式，計算出各種流變類型混凝土的適宜粗集料用量。李銘等[6]通過參考以往工程配比，對礦渣基水泥混凝土路面修補材料進行不斷的試配并優化，得出修補材料、水、細集料、粗集料和外加劑的最優配比。在沿海地區，需要采用高強度高性能混凝土來克服靜、動荷載以及氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕等不同情況下的環境荷載引起的劣化。這種先計算，再試配調整，最終得到合適配比的方法應用較多，為半定量半經驗式方法，優點是可以在基準配合比的基礎上變通，其不足之處在于較為繁瑣，需要時間成本和人力成本，且對操作人員的技術水平有一定要求。

1.5 基于骨料裹漿厚度的混凝土配合比設計方法

混凝土的性能受骨料表面裹漿厚度的影響較大，裹漿太薄則影響混凝土工作性能和力學性能，太厚同樣會影響力學性能。在理想的混凝土設計模型中，骨料外圍包裹的水泥漿體厚度應當適宜。

基于骨料裹漿厚度，賀圖升等[7]根據強度要求設定骨料裹漿厚度與水灰比，再計算出水泥漿體體積與水泥用量，最后用減水劑來調整透水磚拌和物的工作狀態，提出了一種水泥基透水磚配合比設計方法。隨著水膠比的增大，骨料裹漿厚度受減水劑用量的影響越大；在水膠比一定時，骨料裹漿厚度隨減水劑用量的增加而變小。黃凱健等[8]在基于粗骨料緊密堆積理論的基礎上采用了考慮粗骨料包裹層厚度的配合比設計方法，使混凝土強度及工作性能表現更佳。基于裹漿厚度的設計方法出發點多為混凝土流動性，核心在于計算使混凝土達到目標流動性的最低裹漿厚度，然后通過調整裹漿厚度平衡流動性和硬化強度。

2 配合比設計前沿進展

2.1 功能性混凝土配合比設計

出于用途需要，混凝土在設計時需要考慮某些功能性參數，諸如以自流平為主要設計目的，或者以耐久性為設計目的等等。陳瑜等[9]根據多孔混凝土路用性能和功能性要求，提出了基于目標孔隙率的多孔混凝土配合比設計方法，推薦了配合比參數的合理范圍。施惠生研究認為水灰比為機場道面混凝土配合比設計中的首要考慮因素，并發現水灰比與混凝土抗折強度具有良好的線性關系。自密實混凝土是近30年來發明和得到廣泛應用的混凝土，由于其優越的工作性能和良好的耐久性而在土木工程各個領域受到越來越多的重視。配制自密實混凝土的關鍵是使其流動性和抗離析性相統一，即保證混凝土拌合物在大流動性條件下,骨料能夠懸浮于水泥漿中，使整體具有較好的和易性。

為使混凝土滿足某特定使用性能，對其配比進行針對性設計是現今發展趨勢，從設計源頭對混凝土進行功能性分類，可以極大方便混凝土的實際使用。

2.2 基于使用環境的配合比設計

在進行混凝土配合比設計時，往往都采用適宜的溫度、適宜的養護條件等較為標準的條件，然而在混凝土的施工過程中，環境條件是多變的甚至極端的，此時就需要考慮混凝土在不同環境下的設計問題。

我國北方地區氣候寒冷，通過模擬冬季施工環境，調整混凝土配合比，在滿足混凝土強度要求前提下，找出最適宜的干混抗凍混凝土配合比。在高原凍土地區施工，對混凝土的抗凍性提出更嚴格的要求，胡佐平等[10]研究了水膠比、膠凝材料用量、礦物摻合料種類和摻量等配合比關鍵參數對C30樁基混凝土抗壓強度和抗凍性能的影響規律，建議水膠比不大于0.45，膠凝材料用量不低于380 kg/m3，并采用10%粉煤灰和5%硅灰復摻。而鐵路混凝土配合比設計更為復雜，不僅要考慮抗凍性，還要考慮抗裂性、耐磨性、抗堿-骨料反應、耐蝕性、抗滲性等性能。應選擇骨料級配最大粒徑、選擇孔隙率較小密度最大的級配組合并適當加入摻合料。

在炎熱環境下，考慮到高溫對水化反應速率的影響，以及高溫帶來的水分快速蒸發，必須對混凝土配合比進行適應性調整。研究水膠比、骨膠比和砂率的不同變化，通過適宜的配合比來消除炎熱天氣對抗壓強度的不利影響，Soudki等在三個溫度水平下對48個組分進行排列組合(共432個配合比)進行全因子試驗，在統計分析的基礎上，對不同溫度下的最佳混凝土配合比以及對溫度變化最不敏感的配合比提出了建議。基于使用環境，對混凝土進行因地制宜、因時制宜的設計調整是必要的，通過對這一類問題的研究，可以更好地服務于混凝土在不同地區的實際使用。

2.3 利用數學工具輔助配合比設計

利用以往的配合比數據繪制擬合圖表，或提煉出擬合公式，可以為將來的配比提供較可靠參考。馬士賓等運用數理統計軟件對試驗數據進行相關性分析和回歸分析并建立各變量的回歸方程，根據所需漿體性能指標對各回歸方程進行尋優處理，得出漿體的最優配合比。Nazari通過規范化的非線性權重函數，使得抗壓強度與配合比設計時的某一個參數線性相關，探索規律指導配合比設計。Qasrawi等[11]使用和易性分散粘結法設計混凝土配合比，建立和易性分散系數與和易性粘聚力系數，為配合比設計中遇到的變量建立簡單的線性關系。科學利用數學工具參與到混凝土配合比設計，這是進行科學設計的必然要求，探索理論內核并選取合理的數學工具指導配合比設計，是混凝土配合比設計的科學發展方向。

2.4 基于新算法的配合比設計與預測

隨著計算機技術的發展進步，各領域都在應用計算機來輔助自身發展。將混凝土各組分及其性能量化成參數，設計算法并利用計算機的運算能力模擬合適的配合比。通過模糊邏輯系統來進行混凝土配合比設計，模糊邏輯系統是一種用取值區間代替具體取值的計算系統，系統的輸入數據為坍落度、骨料最大粒徑、混凝土抗壓強度和細度模數，輸出數據為水、水泥、細骨料和粗骨料的用量。柯楊等[12]選用合適模型，建立起相應的程序來輔助推導混凝土設計。Lim等[13]利用遺傳算法這一以生物進化過程自然選擇和自然遺傳學為基礎的全局優化技術，提出了高性能混凝土配合比的設計方法。Phan基于貝葉斯概率方法建立了混凝土配合比設計性能的滿意度概率曲線(0～100%)，作為指定性能標準值和指定材料參數的函數，用于結構抗震設計和損傷評估。

混凝土配合比設計的發展要跟計算機的發展緊密結合起來，利用好計算機在計算方面的獨特優勢，可以通過計算機的龐大分析能力，探索到人力無法發現的規律。

3 結 語

a.配合比設計方法眾多，可大致分類為基于強度設計、全因子設計、基于致密堆積設計、基于計算-試配設計以及基于骨料裹漿厚度設計五個種類，每一種方法都有其相應的優缺點，要合理選擇。

b.配合比設計有著較豐富的前沿發展方向，包括功能性設計、基于環境設計、利用數學工具設計以及運用新算法設計等，在更貼近工程實際的同時又更具有科學性。

綜上分析，各混凝土配合比方法或多或少存在一些缺點，使得混凝土配合比設計更貼近工程實際，混凝土配合比設計有更統一的理論指導以及混凝土配合比設計更為科學簡便是現代混凝土發展所亟待解決的問題。