水泥混凝土配合比設計方法及配合比優化

陳 桂

（湖南理大交通科技發展有限公司，湖南 長沙 410000）

1 水泥混凝土配合比設計影響因素及配合比計算方式

1.1 混凝土強度及使用壽命預期

水泥混凝土的強度及使用壽命與設計的目標相差較大，那么就無法將其投入使用。將所需的強度作為基礎，提升實際的混凝土強度設計，這樣就能預防混凝土在使用期間受到突然的荷載及意外等問題。但是在設計混凝土配合的過程中如果過分重視提升強度，則會使得成本無法控制，進而提升項目的成本，也會造成不必要的浪費。因此對于水泥混凝土的預期壽命也要進行相應的設計，通過調整和優化混凝土的配合比來實現，在確保質量的前提下，還能有效控制成本，提高混凝土結構的質量及性能[1]。

配合比計算方式：

以C50 混凝土為例，在實際施工過程中配制強度不應低于60MPa，計算公式如下：

公式中：fcu代表混凝土制備需求強度；

Fcu,k代表實際項目中對混凝土強度的設計需求；

σ代表施工過程中混凝土結構的強度標準差，通常取值為6MPa。

1.2 水灰比

水灰比是水的用量和水泥的用量比。該比值的大小與混凝土強度及耐久性能有直接的關系。在相同的水泥型號背景下，混凝土強度與水灰比之間存在反比例關系。由于水泥水化過程對于水的用量大約占水泥用量的10%～15%，為了使得混凝土的工作性能較強，在配置的過程中需要提升水量，這樣混凝土在硬化后，其中多出來的水分就會逐漸蒸發，在混凝土結構表面留下氣泡空隙，對于混凝土的密實度性能來說非常不利，甚至還會影響整體結構的強度和穩定性。由此可確定水灰比的原則就是在確保混凝土的強度及耐久性的前提下，適當提升水灰比，節約水泥用量和成本，進一步加大混凝土的工作性能。但是水灰比要控制在一定的范圍內，不可以過度增大，否則會影響混凝土拌和物之間的凝聚性和保水性，降低混凝土強度[2]。針對上述原則，對于水灰比的確定方式如下：

（1）設計與實際需求相符的水灰比。混凝土強度要以實際工程需求為主要參考，因此混凝土結構的強度數值能夠根據強度等級按照公式計算出具體的水灰比。

（2）符合耐久性需求的水灰比。衡量混凝土耐久性主要指標為：抗滲透性、抗凍性、抗腐蝕性。為了滿足以上指標的需求，在混凝土所處環境中盡量提升水灰比。

配合比計算方式：根據普通水泥混凝土的標準配合規定進行設計，如基準值為0.36，通常為保證混凝土的強度，降低水灰比，或者以原有的基準比值提升或者降低0.02～0.05，用水量也以同樣的方式進行調整。

1.3 砂率

砂石也是混凝土中的重要影響參數，對于混凝土結構的整體質量有著較大影響關系，在設計混凝土的配合比時，也要重視砂率。一旦砂率過高，混凝土中砂的含量增多，就會增加孔隙，增大膠凝界面，影響混凝土的實際強度，混凝土的彈性模量也會相應減小，為了提升強度，就需要增加水泥用量，這樣就會造成資源浪費，使得成本進一步增加，同時還會影響混凝土材料的黏合度，容易導致混凝土開裂，也會降低混凝土的耐久性。如果混凝土中含砂量較小，雖然可以通過消除孔隙的方式實現減少水泥用量的目的[3]。但是會影響混泥土的工作性能，降低混凝土的和易性及保水性，所以在進行水泥混凝土配合比設計的過程中，不僅要重視砂石材料的原材料質量，更要重視砂率影響因素。如果孔隙數量沒有達到要求，就會影響混凝土漿體的流動性和易性，使得混凝土在短時間內凝結定型，影響最終的使用，也會為后續的結構作業埋下安全隱患[4]。

配合比計算方式：

（1）砂率的控制是需要對混合材料中粗骨料空隙率、砂子粒徑、級配等進行調整實現的，參考歷史資料以保證滿足拌合物性能和施工要求。如砂子細度模數超過2.6，根據C50 混凝土配合經驗來說，可以將其調整到0.38%，或者以基準為基礎增加或減少1%進行調整。

（2）坍落度小于10mm 或坍落度大于60mm 的混凝土，其砂率可經試驗確定。

（3）坍落度為10mm～60mm 可根據粗骨料品種、最大公稱粒徑及水膠比確定。

2 優化材料的選擇和使用

對于材料的合理使用也能實現優化水泥混凝土的配合比，由于材料自身具備各自的特性，并且不同產品的規格和特點也有所不同。在對混凝土的配合比進行設計時，對于材料就要充分分析其特性，要采用經濟高效地原材料，配置經濟性較強、狀態最佳的水泥混凝土。

2.1 水泥材料的選擇

我國水泥種類有很多，在建筑項目中常用的就是普通的硅酸鹽水泥（P.O）、礦渣硅酸鹽水泥（P.S）、復合硅酸鹽水泥（P.C）等。對水泥混凝土進行配比設計時，要根據混凝土的實際性能以及項目的需要合理選擇水泥的種類和型號，此外還要根據外加劑及摻合料的性質和用量，對水泥用量適當減少，以節約成本，避免資源浪費，甚至影響最終的混凝土性能。

水泥在選擇的過程中應該根據穩定性及適應性良好的原則，特別是對外加劑的適應性要格外重視。穩定和適應性較好的水泥能夠提升混凝土的整體質量及使用性能。此外采用硅酸鹽以外的水泥種類時，還需要對水泥混合料中的物質及性能、摻量進行明確，這樣在摻合料的過程中能夠做到心中有數。

2.2 外加劑的選擇

在混凝土制備過程中，外加劑的使用非常普遍，并且其作用也比較明顯。外加劑中的減水劑能夠對混凝土的性能造成較大的影響，這也是混凝土配制過程中決定混凝土質量及性能的重要指標。對于外加劑的用量，特別是減水劑，首先應該對外加劑的用量與性能之間的關系進行明確。外加劑中減水劑需要達到一定的量才能發揮其作用，實現控水效果，并且在混凝土中水灰比是固定的情況下，還能有效減少水泥及摻合料的使用量，實現降低水分及膠凝材料，提升混凝土的經濟效益[5]。

2.3 骨料的合理選用

優質的骨料能夠在很大程度提升混凝土的性能，并且還能優化配合比，使得建筑項目更加經濟實用。不同的水泥型號及混凝土對骨料的要求也不同，在標準規范中，對砂子的級配、細度模數、含泥量、泥塊含量等有非常明確的要求，通常在配置強度較低的混凝土時，可以利用偏細的砂子調節混凝土的整體和易性；配置強度較高的混凝土適宜選擇粗砂。過于細膩的砂子對于混凝土的收縮過程非常不利，也特別容易造成混凝土開裂的問題，進而提升生產水泥混凝土的成本。石子的級配關系到混凝土的流動性，直接影響現場工作性能。用粒徑偏小的石子配置的混凝土比粒徑大的石子配置出的混凝土強度高。這源于高強度混凝土強度對材料界面更為敏感。小石子界面和水泥漿體的過渡層周長和厚度較小，不利于產生大的缺陷，反而有利于界面強度的提高。另外對于石子選擇，碎石優于卵石，碎石中風化石較少且碎石菱角分明表面粗糙，與膠凝材料膠結力更強。合理的地材選擇對配合比優化有重大影響。

3 優化水泥混凝土配合比的措施

3.1 采用活性礦物摻合料

在優化混凝土配合比的過程中，采用活性礦物質摻合料是非常關鍵的。活性礦物摻合料能夠優化骨料和水泥石的界面，如硅灰、鋼渣粉等，都能提升混凝土的性能，實現優化配合比的目的。以硅灰為例，硅灰中的二氧化硅成分能夠促進混凝土的二次反應，也就是在界面上二氧化硅與氫氧化鈣發生火山灰反應，形成凝膠水化硅酸鈣，這些物質沉淀與混凝土的界面孔隙中，提升混凝土的性能，而孔隙被這些物質填充，混凝土提升毛細孔結構優化也有一定幫助。適當的活性礦物摻合料還能減少混凝土配合比中的水量，減輕混凝土混合發生的水化熱，裂縫問題能夠得到控制和預防。

3.2 利用減水劑優化配合比

提升混凝土的強度與膠凝材料的用量有很大關系，通常在不使用外加劑為保證混凝土強度的水膠比不變的情況下，會使得膠凝材料的用量大大提升，為了能夠有效降低膠凝材料的使用量，還需要通過降低配合比中的水膠比實現，從而要求降低單方的用水量，這里就需要使用減水劑。合理采用高效的減水劑能夠有效緩解在水膠比較低的情況下混凝土的流動性，如果采用聚羧酸材質具有保坍作用的減水劑，還能有效避免混凝土發生坍落度損失，提升混凝土的工作性能，合理控制緩凝的問題。對水泥混凝土的配合比進行優化，應該適當采用減水劑之類的各類外加劑，進而提升混凝土的各項性能。

3.3 合理調節和優化配合比參數

在混凝土配制過程中，對于配合比的設計還需要對各項參數進行控制，如水膠比、漿骨比、砂率、用水量等。水膠比的合理控制是需要根據混凝土的特點和實際項目的需要，也就是降低水膠比，提升混凝土的耐久性和滲透性，通常情況下，要想制備高性能的混凝土，需要將水膠比控制在0.4 以內，例如C50 水泥混凝土，其水膠比應該控制在0.37～0.32 之間，C80 水泥，水膠比控制在0.26～0.22 之間。在對混凝土等級確定后，對水膠比進行設計，也就是對礦物摻合料的種類和使用量進行設計，也可以通過這些因素對混凝土的性能進行調節。漿骨比就是水泥漿與骨料用量之間的比，通常情況下，漿骨比在7:13，在這個比例背景下，水泥混凝土的狀態是最佳的。C50～70 型號的水泥，20%～50%水泥可以替換成15%～30%的礦渣或者粉煤灰，C80型號水泥中相同質量的水泥可以由15%～30%的礦渣或者粉煤灰與5%～10%硅灰代替；砂率也是混凝土的重要控制參數，對其配合比進行合理控制能夠有效提升混凝土的強度，而低砂率的混凝土其強度和彈性模量也會隨之降低，這樣的情況下就需要同時合理控制總膠凝材料的用量及粗細料級配等方面的內容。如膠凝材料的總量要低于360kg/m3，細沙、中砂及粗砂的細度模量分別控制在1.6～2.2、2.3～3.0、3.1～3.7，膠凝材料用量控制在420kg/m3～480kg/m3之間，高效減水劑用量控制在1.5%～2%之間，這樣的配合比設計才能確保混凝土的流行性更好，強度及坍落度也達到最佳狀態。

4 結語

我國各項建筑項目已經迅速發展起來，并且逐漸增多。工程建筑項目中主要的建筑材料就是水泥混凝土，而混凝土質量正是決定建筑質量的重要因素，直接影響項目的經濟效益和使用安全性。因此要在制備水泥混凝土的過程中合理調整和優化混凝土的配合比，確保能夠符合實際的工程要求及項目所處環境要求，使得經過優化后配合比制備的混凝土更具耐久性、安全穩定性、實用性等，同時節約資源，降低成本，提升項目的經濟效益。