水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)檢測研究

伏永洪，滕龍祥

（四川華騰公路試驗(yàn)檢測有限責(zé)任公司，四川 成都 611730）

0 引言

水泥混凝土因其良好的抗壓強(qiáng)度、出色的耐久性、穩(wěn)定的性能以及便捷的施工性，成為現(xiàn)代建筑行業(yè)中應(yīng)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(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。配合比設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的過程，需要根據(jù)具體的工程需求和材料特性，精準(zhǔn)地選擇和調(diào)配水泥、骨料、摻合料和水的比例，以獲得性能最優(yōu)的水泥混凝土[1]。配合比的合理性對混凝土的強(qiáng)度、耐久性、施工性能等多個(gè)方面起著決定性作用，進(jìn)而對整個(gè)工程的質(zhì)量和安全產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，研究水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)檢測有重要意義。

1 水泥混凝土性能評價(jià)指標(biāo)

1.1 強(qiáng)度性能

水泥混凝土的質(zhì)量評估中，強(qiáng)度特性是一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)。主要包括抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度指的是在受到垂直于其表面的壓力作用時(shí)混凝土能承受的最大應(yīng)力，是判斷混凝土結(jié)構(gòu)負(fù)載能力的重要標(biāo)準(zhǔn)?？拐蹚?qiáng)度也被稱為彎曲強(qiáng)度，指的是在彎曲力作用下混凝土能承受的最大應(yīng)力。這一關(guān)鍵指標(biāo)對于評價(jià)混凝土構(gòu)件在承受應(yīng)力時(shí)的抗裂能力至關(guān)重要。

1.2 耐久性能

耐久性是在不同環(huán)境條件下水泥混凝土長期穩(wěn)定性的一種反映。主要評價(jià)指標(biāo)有：抗?jié)B性。混凝土對水分滲透的抵抗能力，抗?jié)B性的良好與否直接關(guān)系到水分和有害物質(zhì)是否能侵入混凝土內(nèi)部，是保證其耐久性的重要指標(biāo)；抗凍性。在低溫環(huán)境下混凝土抵抗凍融循環(huán)的能力。在寒冷地區(qū)或需要冬季進(jìn)行施工的項(xiàng)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?；炷撂蓟髸档推鋲A度，進(jìn)而對其耐久性產(chǎn)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(zhì)量均勻性和可操作性的重要指標(biāo)。主要評價(jià)指標(biāo)：①和易性。指在攪拌、運(yùn)輸和澆筑過程中混凝土能保持均勻性的能力。優(yōu)良的和易性有助于保障混凝土在制備過程中質(zhì)量均勻分布，達(dá)到緊密的結(jié)構(gòu)。②流動性。指在外力作用下混凝土的流動特性?；炷恋牧鲃有詻Q定了施工時(shí)的難易程度，對于那些需要復(fù)雜澆筑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 基于性能要求的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

水泥混凝土配合比的設(shè)計(jì)優(yōu)化，首先需要根據(jù)工程的特定的強(qiáng)度、耐久性、工作性或其他性能指標(biāo)確定最優(yōu)目標(biāo)。根據(jù)這些要求常用以下兩種配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[3]。

（1）正交試驗(yàn)法。正交試驗(yàn)法是一種通過正交表來規(guī)劃實(shí)驗(yàn)方案的方法，能夠全面而系統(tǒng)地探究多種不同因素對水泥混凝土性能的影響，進(jìn)而更高效地找到水泥混凝土的最優(yōu)配合比。

（2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。利用如回歸分析、方差分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理和方法，可有效處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以探究對水泥混凝土產(chǎn)生影響的主要因素，以此為依據(jù)進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）人工智能方法。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠模擬水泥混凝土性能與其配合比之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，從而快速處理和分析大量數(shù)據(jù)，通過調(diào)整參數(shù)，尋找最優(yōu)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(yōu)化策略

在水泥混凝土中，摻合料發(fā)揮著至關(guān)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(qiáng)混凝土強(qiáng)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(jù)摻合料的不同采取針對性的優(yōu)化策略。具體來講需要根據(jù)材料特性和工程需求選擇最適宜的摻合料，然后通過試驗(yàn)確定最佳摻量，最大程度發(fā)揮摻合料性能。如果需要用到多種摻合料，則需要考慮其協(xié)同性，以實(shí)現(xiàn)性能的最佳化。

2.3 配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化在實(shí)際工程中的應(yīng)用案例

某高速公路工程要求使用具有高強(qiáng)度和良好的耐久性的混凝土。施工團(tuán)隊(duì)為了達(dá)到這些目的，對其配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先采用正交試驗(yàn)法對不同配合比下混凝土的性能表現(xiàn)進(jìn)行了研究，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法詳細(xì)分析了試驗(yàn)結(jié)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(diào)整，并應(yīng)用于具體工程實(shí)踐中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過配合比優(yōu)化后，混凝土的強(qiáng)度不僅達(dá)到了工程要求，還提高了工程質(zhì)量和效率，節(jié)約了成本。

從穩(wěn)中向好發(fā)展態(tài)勢看我國經(jīng)濟(jì)良好前景……………………………………國家發(fā)展改革委國民經(jīng)濟(jì)綜合司（6.4）

該案例說明，在實(shí)際工程中基于性能要求對配合比的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用前景較好。

3 水泥混凝土性能試驗(yàn)檢測方法

3.1 水泥混凝土試樣的制備與養(yǎng)護(hù)

水泥混凝土性能試驗(yàn)需以水泥混凝土試樣的制備與養(yǎng)護(hù)為基礎(chǔ)。需按照預(yù)定的配合比合理控制水泥、骨料、摻合料和水含量，攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬蟮谷朐嚹?，通過密實(shí)振動避免試樣內(nèi)部產(chǎn)生空隙。試樣制備好后需要在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d[溫度一般為（20±2）℃，相對濕度＞95%]，以保證混凝土可達(dá)到預(yù)期設(shè)定的強(qiáng)度并實(shí)現(xiàn)性能持續(xù)發(fā)展。

3.2 強(qiáng)度性能的試驗(yàn)檢測

水泥混凝土的最基本性能之一是它的強(qiáng)度性能，一般通過進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)來評價(jià)和測量。

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

3.3 耐久性能的試驗(yàn)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(xué)侵蝕等外界環(huán)境因素的能力。為了評估這種耐久性，一般會進(jìn)行抗?jié)B透性測試、抗凍融性試驗(yàn)以及抗碳化性能測試等耐久性試驗(yàn)。

抗?jié)B性試驗(yàn)主要用來對混凝土抵抗水分滲透的能力進(jìn)行評估。即在特定水壓下混凝土不發(fā)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(jìn)行檢測。抗凍性試驗(yàn)主要用來對在凍融循環(huán)作用下混凝土的耐久性進(jìn)行評估。通過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，通過比較試件的質(zhì)量變化或強(qiáng)度損失情況來判斷混凝土的抗凍性能?？固蓟栽囼?yàn)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(yàn)箱內(nèi)，暴露于特定濃度的二氧化碳環(huán)境中。經(jīng)過一定的時(shí)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(yàn)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(yàn)和維勃稠度試驗(yàn)均為常見的工作性能試驗(yàn)檢測方法。

新拌混凝土的流動性測定一般采用坍落度試驗(yàn)，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(yàn)的坍落程度和擴(kuò)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(yàn)，主要用維勃稠度儀對振動作用下混凝土試樣的稠度值進(jìn)行測定，以判斷其工作性能。

4 水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)檢測的關(guān)系

4.1 配合比設(shè)計(jì)對水泥混凝土性能試驗(yàn)檢測結(jié)果的影響

4.2 配合比設(shè)計(jì)調(diào)整與優(yōu)化

性能試驗(yàn)檢測結(jié)果是對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。通過分析和比較試驗(yàn)結(jié)果，可以了解混凝土在一定配合下的性能，并根據(jù)具體情況做出合理優(yōu)化調(diào)整。例如，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果顯示混凝土的抗壓強(qiáng)度未達(dá)到預(yù)期時(shí)，可以考慮增加水泥的使用量，或者選擇使用強(qiáng)度等級更高的水泥來提升其抗壓強(qiáng)度；如果試驗(yàn)結(jié)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?jié)B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(dāng)調(diào)整水的添加量提高其性能。

另外，通過采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測和對試驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可保證配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化更加科學(xué)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(zhǔn)確地確定水泥混凝土的配合比[5]。

5 工程實(shí)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(qū)，該橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(qū)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(shè)計(jì)的過程

項(xiàng)目部門根據(jù)交通流量預(yù)測和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范確定了混凝土所需的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，抗?jié)B性、抗碳化性和坍落度。因?yàn)樵摰貐^(qū)的氣候特點(diǎn)比較特殊，所以還考慮了混凝土的抗熱、抗裂和抗化學(xué)侵蝕能力。最后決定采用早期強(qiáng)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(shí)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(jù)這些材料和工程實(shí)際需求，項(xiàng)目部通過分析初步確定了水泥、骨料和摻合料的比例，設(shè)定了水灰比。然后制備了多組配合比不同的混凝土試樣，進(jìn)行強(qiáng)度、耐久性和工作性能試驗(yàn)。并綜合試驗(yàn)結(jié)果，對配合比進(jìn)行了合理調(diào)整，促使混凝土的性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

5.3 性能試驗(yàn)檢測結(jié)果與工程表現(xiàn)

通過立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出，混凝土抗壓強(qiáng)度符合甚至超出設(shè)計(jì)要求；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)說明，混凝土的抗折性能較強(qiáng)，對于重載交通有良好的承載能力；耐久性試驗(yàn)得出，混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性和抗化學(xué)侵蝕能力較強(qiáng)；工作性能試驗(yàn)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(jīng)過多年運(yùn)行，混凝土的性能仍然比較穩(wěn)定，沒有明顯退化情況。相關(guān)部門重視定期檢測和維護(hù)橋梁，結(jié)果顯示混凝土的耐久性和強(qiáng)度較好。而且橋梁混凝土在高溫、多雨季節(jié)等極端氣候條件下也沒出現(xiàn)明顯的化學(xué)侵蝕或熱裂損傷。XX 大橋水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)綜合考慮到橋梁的使用要求、材料性能和地區(qū)氣候條件，保證混凝土具有良好的性能。性能試驗(yàn)檢測驗(yàn)證了配合比設(shè)計(jì)的有效性。工程在實(shí)際應(yīng)用混凝土的過程中表現(xiàn)出顯著的耐久性，為橋梁長期安全使用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這一案例充分說明了在橋梁工程中水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的重要性[6]。

6 結(jié)語

在水泥混凝土工程中，水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)檢測研究具有不可忽視的作用，是確保工程質(zhì)量與安全的關(guān)鍵因素。合理的配合比設(shè)計(jì)是混凝土性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)，而性能試驗(yàn)檢測則是檢驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)有效性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。兩者相互促進(jìn)，共同保障水泥混凝土工程的高質(zhì)量與安全性。未來隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)檢測研究將會面臨更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。需要相關(guān)部門攜手創(chuàng)新，共同促進(jìn)水泥混凝土工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，為建設(shè)更加環(huán)保、安全的工程做出貢獻(xiàn)。