混凝土配合比快速設計辦法

董 浩 王昱涵

（青島魯碧混凝土工程有限公司，山東 青島 266100）

1 引言

為快速設計普通混凝土的配合比，滿足工程設計和施工要求，保證混凝土工程質量，達到經濟合理，制定了本混凝土快速設計辦法。本設計辦法適用于鐵路、橋梁、公路、市政等工程結構物所采用的普通混凝土配合比設計。本設計辦法的中心思想為：

（1）讓從事混凝土行業的工作人員熟悉掌握混凝土配合比設計的整個流程，掌握混凝土配合比中每個因素的重要性（如水灰比、單方用水量、砂率、膠凝材料總用量、摻合料摻量、石子分級比例等）。

（2）通過配合比設計和試拌，讓每個從事混凝土行業的工作人員清楚地知道每個因素變化對混凝土工作性能、力學性能、耐久性能的影響，且必須將相關數據和分析結果詳細地記錄下來。

（3）如何將理論設計配合比（設計配比）轉化成實際配合比（最終配合比或生產配合比），主要是如何將設計配合比和實際配合比兩者中的相應數據對應起來。

（4）讓從事混凝土行業的工作人員詳細地理解混凝土配合比是否合理對混凝土工作性能、力學性能、耐久性能的影響，使從事混凝土行業的工作人員能夠找出各自企業或集團中影響混凝土性能的重要因素，并將相關信息詳細地記錄下來。

（5）本文的目標是使工作人員通過配合比快速設計掌握企業或集團混凝土的相關信息（如地材對混凝土性能的影響、外加劑使用情況等），從而對混凝土后期的生產過程提供技術支持。

（6）本文所有的數據和分析結果等需詳細填寫在《混凝土配合比快速設計記錄表》中。

2 前期調查

（1）通過該企業或集團技術中心已有資料查找混凝土的有關試驗數據，且仔細查看所有資料內容，包括混凝土配合比設計報告書、試驗用材料信息、減水劑使用記錄、各種工程實例報告、特殊工程各種事故解析及處理過程等，從而掌握大量信息。

（2）統計工程相應環境等級和環境條件，從而確定混凝土配合比設計過程中摻合料的摻量和水膠比的指標參數。

（3）統計工程中混凝土的實際用量、混凝土標號，便于配合比快速設計時調整外加劑的摻量，在特殊范圍內盡可能將混凝土方量大的控制在適當摻量。

（4）統計混凝土配合比設計的數量、工程部位、混凝土標號，驗證混凝土配合比時的試件成型組數、種類和試模數量，以便提前計劃。

（5）確定相應混凝土各等級的初始坍落度和含氣量指標，以確定坍落度損失要求和是否允許超出設計范圍，以及含氣量的規定范圍。

（6）確定該企業或集團中所有試驗用材料的產地、類型、規定，掌握各種試驗用材料各項指標原始記錄和試驗結果分析報告（可以參照以前地材使用情況），并找出質量波動較大的一種或幾種試驗用材料。

3 混凝土配合比設計步驟

3.1 配制強度的計算過程

配制強度（混凝土）按以下公式計算：

當施工部位為水下樁混凝土時，根據國家標準《鐵路混凝土施工質量驗收標準》中“水下混凝土配合比設計要求，其混凝土配制強度應較普通混凝土的配制強度提高約15%”的規定，其配制強度（混凝土）按以下公式計算：

根據混凝土強度設計等級選取σ的相應數值。

3.2 混凝土水膠比的計算過程

混凝土水膠比按以下公式計算：

根據所用石的類型（碎石或卵石）選取αa和αb的數值。

fb為膠砂實測28d抗壓強度的數值，如果無相關數據，可按以下公式計算：

λc為所用水泥的富余系數，λf、λk分別為粉煤灰或礦渣粉的取代系數，fce為所用水泥的強度標號。

根據實際經驗可知：λc、λf或λk三者的取值應嚴格控制在行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）的規定范圍內，適當情況下，λc、λf或λk三者的取值也可以根據計算需要進行調整（最終結果水灰比應接近實際經驗值），并做好記錄，如說明λc、λf或λk最終取值的根本原因。

最后，需要評定水灰比結果是否符合耐久性的規定。

3.3 混凝土單方用水量的確定方法

根據所用石子的類型、工程特點、結構類型、環境條件和類型、坍落度要求等，選取混凝土的單方用水量mw0。

根據經驗可知：計算人員在確定混凝土單方用水量mw0時，一定要提前了解所有相關因素。例如，膠凝材料（水泥或粉煤灰）需水量發生變化時，砂含泥量偏高；斷樁或級配不好時，需對混凝土單方用水量進行調整；當所用砂為機制砂或混合砂或鐵尾礦砂時，由于其與河砂混凝土單方用水量有區別，在配制時要充分考慮石粉或泥塊含量吸附水的因素，從而確定混凝土單方用水量是否需要提高，并將有關信息詳細記錄下來。

3.4 混凝土膠凝材料用量的計算過程

混凝土膠凝材料總用量按以下公式進行計算：

礦物摻合料粉煤灰（或礦渣粉）摻量的確定，粉煤灰用量按以下公式進行計算：

水泥用量按以下公式進行計算：

根據實際經驗可知：礦物摻合料的摻量應嚴格按照行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011），鐵路、公路、市政相關的國家標準和行業標準，相關工程設計規定，年限設計、環境等級和混凝土耐久性規定等執行；當所用粉煤灰或礦渣粉質量非常差或質量波動較大時，盡量降低粉煤灰或礦渣粉的用量，并做好相關數據記錄。

最后，評定水泥用量、粉煤灰或礦渣粉摻量是否符合相關工程設計、混凝土耐久性、環境類型和等級等規定。

3.5 混凝土砂率的計算過程

根據所用石的類型、粒徑最大范圍、混凝土水膠比，確定合適的混凝土砂率。

根據實際經驗可知：混凝土配合比計算人員在確定混凝土砂率時，必須了解所有影響因素。例如，砂的細度模數大小、級配是否合理（是否斷檔）、含泥量或石粉含量、泥塊含量、表觀密度、堅固性、堆積密度和空隙率等指標信息；當砂為機制砂或混合砂或鐵尾礦砂時，由于其含量較高、級配較差，故與河砂混凝土砂率取值有很大區別，在配制機制砂或混合砂或鐵尾礦砂混凝土時，要充分考慮石粉（泥粉）含量、泥塊含量、顆粒級配、顆粒形貌、細度模數、壓碎值、堅固性、表觀密度、堆積密度和空隙率等因素的影響，要詳細記錄河砂或機制砂或混合砂或鐵尾礦砂的所有相關數據。

3.6 混凝土砂和石用量的計算過程

（1）體積法。砂石的用量分別按以下兩個公式計算：

其中，ρc、ρf、ρs、ρg1、ρg2、ρw分別代表水泥、粉煤灰、砂、石1、石2、水的密度（表觀密度），α為空隙率，通常根據混凝土含氣量取值。

根據實際經驗可知：所有材料的密度或表觀密度一定為實測值，必須為混凝土技術人員親自試驗所得數據，尤其是砂石的表觀密度必須真實，嚴禁使用其企業或資料里的試驗數據；當所用石子的廠家或類型或產源有好幾個時，需要分別對所有石子進行試驗檢測，并做好原始試驗數據記錄。

（2）質量法。砂石的用量按以下兩個公式進行計算：

mcp代表單方混凝土拌合物的設定重量，一般取 2 350～2 450kg/m3。

根據實際經驗可知：通常計算混凝土配合比時，大部分按體積法設計，在條件允許的情況下，可以同時使用體積法和質量法，最終將兩者的計算結果結合起來。

最后，計算出砂（ms0）、石（mg10）、石（mg20）用量。

3.7 混凝土減水劑用量的計算過程

根據實際工程設計要求、混凝土強度標號、混凝土工程類型、環境類型和等級等，確定相應混凝土的減水劑摻量，減水劑的用量按以下公式進行計算：

最后，得出減水劑的用量。

3.8 得出混凝土初步配合比

通過以上計算，得出混凝土的初步配合比，詳細情況記錄見表1。

表1 混凝土初步配合比（kg/m3）

4 混凝土配合比試拌和調整過程

4.1 混凝土配合比所用原材料的再次確定

（1）確定所用水泥的種類、等級、生產廠家，以及各項性能指標是否合格。

（2）確定礦物摻合料的類型、等級、生產廠家，以及各項性能指標是否合格。

（3）為保險起見，計算試驗所用砂石最好是干砂石（基本沒有水）。

試驗的所有原材料必須提前24h之前放在混凝土實驗室保存，否則不可使用。

4.2 試拌混凝土

（1）記錄試驗室溫、濕度。

（2）計算試拌試驗所用混凝土用量，通常為15～25L之間，要在混凝土攪拌機控制范圍內。

（3）試拌混凝土時的砂石最好全部干燥，以免影響試拌效果。

（4）試驗前檢查混凝土攪拌站是否正常工作。

（5）稱量各種實驗用原材料，并嚴格控制在計量誤差范圍內。

（6）先將粗、細骨料和膠凝材料放入攪拌機干拌10s以上，再加水和減水劑進行拌和。

（7）混凝土攪拌時間控制在120s以上。

（8）出機的混凝土需人工翻拌均勻，再測定混凝土各項指標（如坍落度及損失、含氣量、流速、表觀密度、壓力泌水率等），最后對混凝土工作性能（流動性、柔和性、黏聚性、包裹性、是否泌水和巴底等）進行判斷和記錄。

4.3 混凝土配合比調整過程

（1）根據試拌混凝土的試驗結果，找出混凝土不合格指標的影響因素。

（2）查看混凝土配合比是否有問題，如混凝土配合比中三大因素（水灰比、單方用水量和砂率的取值）是否有問題，可通過調整任何一個或兩個因素，重拌混凝土，觀看混凝土工作性能是否改善。

（3）根據上一過程的調整，確定基礎混凝土配合比，然后對減水劑配方進行優化，如改變減水劑母液類型和比例搭配、更換引氣劑、更換消泡劑、更換增稠劑、更換緩凝劑種類等，觀看混凝土工作性能是否改善，最后綜合分析確定減水劑的最佳配方。

（4）對基準混凝土配合比、減水劑最佳配方進行驗證，測試混凝土工作性能（坍落度及損失、含氣量、表觀密度、流速、流動性、柔和性、黏聚性、包裹性等），并對混凝土配合比、減水劑最終配方進行微調，使混凝土工作性能（坍落度及損失、含氣量、表觀密度、流速、流動性、柔和性、黏聚性、包裹性等）都能滿足相關工程、國家或行業標準規范等的規定。

（5）再次驗證過程（1）～（4），對所有標號混凝土配合比進行試拌和確定工作，找出混凝土配合比和減水劑的最佳配方。

將混凝土配合比調整的問題和現象清楚、完整地記錄下來，為混凝土生產和技術服務提供依據。

5 試件成型和結果評定

5.1 試件成型

首先，根據各標號混凝土所處環境等級、工程部位、設計年限等，確定各類型標號混凝土所需成型的試塊類型和試塊組數，如強度試塊（1d、3d、7d、28d和56d等）、耐久性試塊（彈性模量、抗滲、抗凍、碳化、抗硫酸鹽腐蝕等）；然后，成型各類混凝土試塊，并進行標準養護。

5.2 結果評定

首先，對混凝土試塊各齡期的強度、耐久性進行測試，并將試驗結果詳細記錄下來，其詳細記錄表格見表2。然后，對各性能試驗結果進行結果判斷，若各指標結果偏差較大，需要調整混凝土配合比的相關因素，重復進行試驗，直至混凝土各性能指標試驗結果都合格為止。

表2 各標號混凝土強度和耐久性試驗結果

混凝土的各齡期強度和耐久性指標必須是真實值，其數值的真實性影響配合比的最終確定工作。

6 數據整理和分析

6.1 數據統計

統計出所有混凝土最終配合比，找出外加劑最佳配方，見表3。

表3 混凝土最終配合比和外加劑最佳配方（kg/m3）

6.2 數據分析

設計配合比的過程中，需要對一些數據進行分析，主要是配合比因素調整和外加劑配方調整的原因，并做好詳細記錄，如：

（1）混凝土出現泌水或巴底的原因及解決辦法。

（2）混凝土和易性太差、含氣量不合格的原因和解決辦法。

（3）混凝土柔和性差的原因和現象。

（4）混凝土黏度不正常的原因和解決辦法。

（5）混凝土坍落度損失大的原因和解決措施。

（6）減水劑配方調整的原因和調整后結果。

（7）混凝土中各因素變化的主要原因（如單方用水量變化）。

其混凝土配合比快速設計辦法中，詳細情況記錄見表4。

表4 混凝土配合比快速設計記錄表