水泥混凝土配合比設計及其性能試驗檢測研究

伏永洪，滕龍祥

（四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川 成都 611730）

0 引言

水泥混凝土因其良好的抗壓強度、出色的耐久性、穩定的性能以及便捷的施工性，成為現代建筑行業中應用較多的建筑材料之一。但水泥混凝土的性能易受各種因素的制約，其中配合比設計最為關鍵。配合比設計是一個綜合性的過程，需要根據具體的工程需求和材料特性，精準地選擇和調配水泥、骨料、摻合料和水的比例，以獲得性能最優的水泥混凝土[1]。配合比的合理性對混凝土的強度、耐久性、施工性能等多個方面起著決定性作用，進而對整個工程的質量和安全產生深遠影響。因此，研究水泥混凝土配合比設計及其性能試驗檢測有重要意義。

1 水泥混凝土性能評價指標

1.1 強度性能

水泥混凝土的質量評估中，強度特性是一個至關重要的指標。主要包括抗壓強度和抗彎強度。

抗壓強度指的是在受到垂直于其表面的壓力作用時混凝土能承受的最大應力，是判斷混凝土結構負載能力的重要標準。抗折強度也被稱為彎曲強度，指的是在彎曲力作用下混凝土能承受的最大應力。這一關鍵指標對于評價混凝土構件在承受應力時的抗裂能力至關重要。

1.2 耐久性能

耐久性是在不同環境條件下水泥混凝土長期穩定性的一種反映。主要評價指標有：抗滲性。混凝土對水分滲透的抵抗能力，抗滲性的良好與否直接關系到水分和有害物質是否能侵入混凝土內部，是保證其耐久性的重要指標；抗凍性。在低溫環境下混凝土抵抗凍融循環的能力。在寒冷地區或需要冬季進行施工的項目，尤其需要考慮混凝土的抗凍性；抗碳化性。混凝土對二氧化碳侵蝕的抵抗能力。混凝土碳化后會降低其堿度，進而對其耐久性產生影響[2]。

1.3 工作性能

工作性能是衡量在施工過程中水泥混凝土質量均勻性和可操作性的重要指標。主要評價指標：①和易性。指在攪拌、運輸和澆筑過程中混凝土能保持均勻性的能力。優良的和易性有助于保障混凝土在制備過程中質量均勻分布，達到緊密的結構。②流動性。指在外力作用下混凝土的流動特性。混凝土的流動性決定了施工時的難易程度，對于那些需要復雜澆筑結構的工程，混凝土流動性好也更便于施工。

2 水泥混凝土配合比設計優化

2.1 基于性能要求的配合比設計優化方法

水泥混凝土配合比的設計優化，首先需要根據工程的特定的強度、耐久性、工作性或其他性能指標確定最優目標。根據這些要求常用以下兩種配合比設計優化方法[3]。

（1）正交試驗法。正交試驗法是一種通過正交表來規劃實驗方案的方法，能夠全面而系統地探究多種不同因素對水泥混凝土性能的影響，進而更高效地找到水泥混凝土的最優配合比。

（2）數理統計法。利用如回歸分析、方差分析等數理統計的原理和方法，可有效處理和分析試驗數據，以探究對水泥混凝土產生影響的主要因素，以此為依據進行配合比優化設計。

（3）人工智能方法。如神經網絡和遺傳算法等先進的機器學習技術，能夠模擬水泥混凝土性能與其配合比之間的復雜非線性關系，從而快速處理和分析大量數據，通過調整參數，尋找最優的混凝土配合比。

2.2 不同摻合料對水泥混凝土性能的影響及優化策略

在水泥混凝土中，摻合料發揮著至關重要的作用，其類型和摻入量對水泥混凝土的性能具有顯著影響。例如，硅灰有增強混凝土強度和耐久性的作用，但摻量較多可能會影響混凝土的工作性。所以需要根據摻合料的不同采取針對性的優化策略。具體來講需要根據材料特性和工程需求選擇最適宜的摻合料，然后通過試驗確定最佳摻量，最大程度發揮摻合料性能。如果需要用到多種摻合料，則需要考慮其協同性，以實現性能的最佳化。

2.3 配合比設計優化在實際工程中的應用案例

某高速公路工程要求使用具有高強度和良好的耐久性的混凝土。施工團隊為了達到這些目的，對其配合比進行了設計優化。首先采用正交試驗法對不同配合比下混凝土的性能表現進行了研究，采用數理統計法詳細分析了試驗結果，找出了主要影響混凝土性能的因素。最后對其配合比做了調整，并應用于具體工程實踐中。結果發現，經過配合比優化后，混凝土的強度不僅達到了工程要求，還提高了工程質量和效率，節約了成本。

從穩中向好發展態勢看我國經濟良好前景……………………………………國家發展改革委國民經濟綜合司（6.4）

該案例說明，在實際工程中基于性能要求對配合比的設計進行優化應用前景較好。

3 水泥混凝土性能試驗檢測方法

3.1 水泥混凝土試樣的制備與養護

水泥混凝土性能試驗需以水泥混凝土試樣的制備與養護為基礎。需按照預定的配合比合理控制水泥、骨料、摻合料和水含量，攪拌機充分攪拌后倒入試模，通過密實振動避免試樣內部產生空隙。試樣制備好后需要在標準條件下養護28d[溫度一般為（20±2）℃，相對濕度＞95%]，以保證混凝土可達到預期設定的強度并實現性能持續發展。

3.2 強度性能的試驗檢測

水泥混凝土的最基本性能之一是它的強度性能，一般通過進行立方體抗壓強度試驗和抗折強度試驗來評價和測量。

立方體抗壓強度試驗主要用來測定在受壓狀態下混凝土立方體試件的極限強度。立方體試件的大小通常為150mm×150mm×150mm，以規定的速率在壓力試驗機上對其施加壓力，直到試件出現破損。然后記錄其最大破壞壓力，計算出混凝土的抗壓強度。抗折強度試驗主要用來測量受到彎曲作用下混凝土的強度。一般是梁形試件，大小為150mm×150mm×550mm，在抗折強度試驗機上施加集中載荷，使試樣在彎曲狀態下發生破壞。然后記錄此時試件的尺寸和荷載，計算出混凝土的抗折強度[4]。

3.3 耐久性能的試驗檢測

水泥混凝土的耐久性是指其在長期使用過程中抵抗如水分、溫度、化學侵蝕等外界環境因素的能力。為了評估這種耐久性，一般會進行抗滲透性測試、抗凍融性試驗以及抗碳化性能測試等耐久性試驗。

抗滲性試驗主要用來對混凝土抵抗水分滲透的能力進行評估。即在特定水壓下混凝土不發生滲透所能承受的最大水壓值，一般會采用滲透儀法或滲水深度法進行檢測。抗凍性試驗主要用來對在凍融循環作用下混凝土的耐久性進行評估。通過一定次數的凍融循環后，通過比較試件的質量變化或強度損失情況來判斷混凝土的抗凍性能。抗碳化性試驗用來測量判斷混凝土抵抗二氧化碳侵蝕的能力。即把試件放置在碳化試驗箱內，暴露于特定濃度的二氧化碳環境中。經過一定的時間后，通過測量其碳化深度來評估混凝土的抗碳化性能。

3.4 工作性能的試驗檢測

工作性能指的是在施工過程中水泥混凝土的流動性和可操作性。例如，坍落度試驗和維勃稠度試驗均為常見的工作性能試驗檢測方法。

新拌混凝土的流動性測定一般采用坍落度試驗，即把混凝土試樣放置在坍落度筒中，把筒體提起后觀察混凝土試驗的坍落程度和擴展直徑，以評估其流動性；新拌混凝土的稠度測定通常采用維勃稠度試驗，主要用維勃稠度儀對振動作用下混凝土試樣的稠度值進行測定，以判斷其工作性能。

4 水泥混凝土配合比設計與性能試驗檢測的關系

4.1 配合比設計對水泥混凝土性能試驗檢測結果的影響

4.2 配合比設計調整與優化

性能試驗檢測結果是對混凝土配合比進行優化設計的關鍵指標。通過分析和比較試驗結果，可以了解混凝土在一定配合下的性能，并根據具體情況做出合理優化調整。例如，當試驗結果顯示混凝土的抗壓強度未達到預期時，可以考慮增加水泥的使用量，或者選擇使用強度等級更高的水泥來提升其抗壓強度；如果試驗結果顯示混凝土的耐久性較差，則可以添加適量的摻合料，提高其抗凍性、抗碳化性和抗滲性；對于工作性能較差的混凝土，可以通過改變骨料的粒徑分布或適當調整水的添加量提高其性能。

另外，通過采用數學模型預測和對試驗檢測結果進行統計分析，可保證配合比設計的優化更加科學合理。工程師可以在滿足工程需求的情況下借助這些方法高效、準確地確定水泥混凝土的配合比[5]。

5 工程實例分析

5.1 典型的橋梁或建筑工程案例

某座大型高速公路上的XX 大橋位于亞熱帶地區，該橋結構為預應力混凝土連續箱梁結構，設計使用壽命為100 年，主要用來承受繁重的交通壓力，并抵御該地區高溫、多雨、干濕交替等特有的氣候。

5.2 水泥混凝土配合比設計的過程

項目部門根據交通流量預測和橋梁設計規范確定了混凝土所需的抗壓強度、抗折強度，抗滲性、抗碳化性和坍落度。因為該地區的氣候特點比較特殊，所以還考慮了混凝土的抗熱、抗裂和抗化學侵蝕能力。最后決定采用早期強度高，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性的硅酸鹽水泥，使用級配良好、粒徑合理分布的骨料，以提高混凝土的耐久性和密實度。在此過程中還考慮摻入適量的粉煤灰、硅灰等礦物摻合料，提升混凝土的抗裂性。

根據這些材料和工程實際需求，項目部通過分析初步確定了水泥、骨料和摻合料的比例，設定了水灰比。然后制備了多組配合比不同的混凝土試樣，進行強度、耐久性和工作性能試驗。并綜合試驗結果，對配合比進行了合理調整，促使混凝土的性能得到進一步優化。

5.3 性能試驗檢測結果與工程表現

通過立方體抗壓強度試驗得出，混凝土抗壓強度符合甚至超出設計要求；抗折強度試驗說明，混凝土的抗折性能較強，對于重載交通有良好的承載能力；耐久性試驗得出，混凝土的抗滲性、抗碳化性和抗化學侵蝕能力較強；工作性能試驗顯示，混凝土坍落度適中，使得施工過程更加容易。

從橋梁建成投入使用后，經過多年運行，混凝土的性能仍然比較穩定，沒有明顯退化情況。相關部門重視定期檢測和維護橋梁，結果顯示混凝土的耐久性和強度較好。而且橋梁混凝土在高溫、多雨季節等極端氣候條件下也沒出現明顯的化學侵蝕或熱裂損傷。XX 大橋水泥混凝土配合比設計綜合考慮到橋梁的使用要求、材料性能和地區氣候條件，保證混凝土具有良好的性能。性能試驗檢測驗證了配合比設計的有效性。工程在實際應用混凝土的過程中表現出顯著的耐久性，為橋梁長期安全使用奠定了堅實基礎。這一案例充分說明了在橋梁工程中水泥混凝土配合比設計的重要性[6]。

6 結語

在水泥混凝土工程中，水泥混凝土的配合比設計及其性能試驗檢測研究具有不可忽視的作用，是確保工程質量與安全的關鍵因素。合理的配合比設計是混凝土性能達標的基礎，而性能試驗檢測則是檢驗配合比設計有效性的關鍵環節。兩者相互促進，共同保障水泥混凝土工程的高質量與安全性。未來隨著新材料、新工藝和新技術的不斷涌現，水泥混凝土的配合比設計及其性能試驗檢測研究將會面臨更多的機遇與挑戰。需要相關部門攜手創新，共同促進水泥混凝土工程領域的技術發展與進步，為建設更加環保、安全的工程做出貢獻。