孫茂元，陳方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

關(guān)于現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)的思路

孫茂元，陳方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

通過對(duì)現(xiàn)代混凝土的全面認(rèn)識(shí)，抓住現(xiàn)代混凝土普遍摻入礦物細(xì)粉摻合料和高效減水劑的特點(diǎn)，本文從混凝土的各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響等方面入手，運(yùn)用混凝土各組成材料在滿足拌合物和易性的前提下緊密堆積的原理，理出了現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)思路。沿著設(shè)計(jì)思路，確定水膠比、漿骨比、砂率和礦物摻合料在膠凝材料中的比例，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路具有很強(qiáng)操作性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

現(xiàn)代混凝土；礦物細(xì)粉摻合料；水膠比；漿骨比；砂率；配合比設(shè)計(jì)

0　概述

水泥混凝土材料的發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)近代人類社會(huì)的發(fā)展起到了非常重要的作用。同時(shí)，水泥混凝土材料也變的家喻戶曉，人們普遍會(huì)認(rèn)為混凝土是由石子、水泥、砂子、拌合水為基本成分的混合物，而且在實(shí)際生產(chǎn)中，專業(yè)人士對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)的方法常常歸結(jié)為假定容重法和絕對(duì)體積法。近十多年來，隨著混凝土施工工藝的發(fā)展，要求新拌混凝土具有大流動(dòng)性、可泵性、自流平、自密實(shí)等特點(diǎn)，同時(shí)，這對(duì)施工速度、經(jīng)濟(jì)、均勻性、安全使用均至關(guān)重要。結(jié)合今后混凝土的發(fā)展方向，解決好混凝土耐久性問題和發(fā)展綠色高性能混凝土的選擇，現(xiàn)代混凝土的提法，逐漸被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可。

什么叫現(xiàn)代混凝土？現(xiàn)代混凝土是由水泥、礦物細(xì)摻料、砂、石、水和外加劑等組成的多相聚集體，并能滿足“高工作性、高強(qiáng)度和高耐久性”的基本要求，是對(duì)目前高性能混凝土、高強(qiáng)混凝土、大體積混凝土、泵送混凝土、自流平自密實(shí)混凝土、抗凍混凝土、抗?jié)B混凝土、水下澆筑混凝土等混凝土的總概括。這些混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法以單純的強(qiáng)度為基礎(chǔ)的計(jì)算法，已然不能全面滿足其性能要求。只有綜合考慮混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性[1]，才能設(shè)計(jì)出符合實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)工程中對(duì)混凝土設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比。目前，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙里都會(huì)明確規(guī)定其設(shè)計(jì)要求，包括：環(huán)境作用等級(jí)、混凝土的工作性、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土的總堿含量評(píng)估、混凝土的氯離子含量、混凝土的抗水滲透性能、混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能以及抗凍性能等。這就要求在進(jìn)行現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮的因素包括：用水量、漿體和集料用量、漿體的塑性、集料的最大尺寸及其顆粒形態(tài)與表面特性、含氣量、砂石比例及其組合級(jí)配等。從而解決混凝土大坍落度與坍落度損失的矛盾，混凝土變形能力和抗離析性的矛盾，混凝土流動(dòng)性和黏聚性的矛盾，實(shí)現(xiàn)混凝土硬化后干縮收縮、抗裂縫能力強(qiáng)、密實(shí)抗?jié)B透性高的目的。

1　 現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)思路

1.1確定礦物細(xì)粉摻合料摻量

現(xiàn)代混凝土的膠凝材料除水泥中的硅酸鹽水泥外，還包括水泥中具有膠凝作用的混合材料（如粉煤灰、火山灰、礦渣、沸石粉等）以及配制混凝土?xí)r摻入的具有膠凝作用的礦物摻合料（如粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰等）。進(jìn)行現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)水泥及礦物摻合料用量的具體規(guī)定可參考中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》（2005 年修訂版）的表 4.0.3，并應(yīng)采用摻加礦物摻合料的膠凝材料膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)混凝土水膠比的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2水膠比的計(jì)算

對(duì)于傳統(tǒng)混凝土，其強(qiáng)度與水灰比成反比的保羅米公式應(yīng)該適用于使用硅酸鹽水泥、級(jí)配良好而潔凈的河砂、粒形勻稱的石子的配合比計(jì)算。但是對(duì)于現(xiàn)代混凝土的膠凝材料體系都為水泥與礦物細(xì)粉料摻合料復(fù)合體，這個(gè)保羅米公式需要改進(jìn)[2]。因此，JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中為了使混凝土水膠比計(jì)算公式更符合實(shí)際情況以及普遍摻加粉煤灰和?；郀t礦渣粉等礦物摻合料的技術(shù)發(fā)展情況，在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用摻加礦物摻合料的膠凝材料膠砂強(qiáng)度和相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析。調(diào)整了回歸系數(shù) αa、αb，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了粉煤灰影響系數(shù) γf和粒化高爐礦渣粉影響系數(shù) γs。水膠比的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

式中：γc——水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)；

fce,g——水泥強(qiáng)度等級(jí)值；

fcu,o——混凝土配制強(qiáng)度。

1.3漿骨比的選擇

在新拌混凝土中，水泥漿體主要起潤(rùn)滑作用，當(dāng)漿量占大多數(shù)時(shí)，混凝土的黏聚性、保水性、流動(dòng)性均良好，而且非常容易插搗，幾乎感覺不出骨料的阻力，但過多的漿量，致使混凝土抗早期開裂性能下降，干縮變形也明顯，不利于混凝土的耐久性。如果漿量過少，砂石表面包裹的漿量過少，混凝土的流動(dòng)性、黏聚性會(huì)很差，并且出現(xiàn)離析，這時(shí)靠增加減水劑用量對(duì)增大混凝土坍落度也幾乎沒有效果。因此，選擇漿量的原則是：在滿足混凝土和易性的前提下，盡量選擇最小的漿骨比。根據(jù)美國(guó) P.K.Matha 和 P.C.Aitcin 教授的觀點(diǎn)，要使高性能混凝土同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性和強(qiáng)度，其水泥漿和骨料的體積比應(yīng)為 35:65，計(jì)算骨料體積所使用的密度應(yīng)當(dāng)是飽和面干狀態(tài)下所測(cè)定的。對(duì)于現(xiàn)代混凝土，可按 GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄 B 中表 B.1.1 對(duì)最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌合物工作性確定，取盡量小的漿骨比值[3]。在試驗(yàn)室試配時(shí)，如果混凝土和易性不夠好，可以保持水膠比不變，提高漿體量。

1.4砂率的選取

砂率是影響混凝土和易性的重要因素。當(dāng)前，對(duì)砂率的選擇主要基于試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，也有根據(jù)石子的空隙率，砂的級(jí)配情況，初步確定砂率；還有用全計(jì)算法計(jì)算出砂率[4]。但是綜合考慮粗骨料在混凝土中充填體積率[5]、粗骨料的空隙率、粗骨料的最大粒徑、以及細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)來確定混凝土的砂率較為符合現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)的要求。

粗骨料在混凝土中的充填體積率用 kc表示，粗骨料振實(shí)后空隙率以 ki表示，則單方混凝土中粗骨料的體積可表示為kc(1-ki)m3。用 Vx表示單方混凝土中骨料的體積（可由漿骨比確定），則混凝土的砂率推導(dǎo)公式：

式中：ρS、ρG——分別表示細(xì)骨料的飽和面干表觀密度和粗骨料飽和面干表觀密度，kg/m3。

由公式 (2) 可知，在粗骨料空隙率一定的條件下，混凝土的砂率與粗骨料的充填體積率有關(guān)。且 Mario Collepard根據(jù)試驗(yàn)得出泵送混凝土粗骨料的充填體積率[6]見表 1。

表1　坍落度 150～200mm 的泵送混凝土粗骨料的充填體積率

經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，這與 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定“泵送混凝土的砂率宜為 35%～45%”是相符的。

2　配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)實(shí)例驗(yàn)證

天津津圍公路（寶坻武清界—潮陽(yáng)大道）拓寬改造工程潮白河橋灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40，坍落度為(200±20)mm，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)澆筑前坍落度為 (180±20)mm；環(huán)境作用等級(jí)為Ⅱ-E 級(jí)，最大水膠比為 0.45，膠凝材料用量為320～450kg/m3?；炷聊途眯灾笜?biāo)要求：混凝土氯離子含量不應(yīng)超過膠凝材料用量的 0.1%，總堿含量不宜超過 3kg/m3，混凝土抗凍耐久性系數(shù) DF≥70%。

提供的原材料條件，水泥：唐山冀東 P·O42.5 水泥，密度 3.1g/cm3，氯離子含量 0.01%，堿含量 0.60%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 28.4%。

粉煤灰：天津海得潤(rùn)滋 F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，45μm 篩篩余量16%，燒失量 2.36%，需水量比 98%，密度 2.2g/cm3，堿含量0.78%，氯離子含量 0.01%。

礦渣粉：天津市強(qiáng)力達(dá)輕型建筑材料有限公司的 S95 礦渣粉，密度 2.8g/cm3，堿含量 0.95%，氯離子含量 0.01%。

粗骨料：薊縣碎石，碎石 5～10mm 與 10～25mm 以3:7 合成級(jí)配，表觀密度為 2800kg/m3，振實(shí)后堆積密度為1480kg/m3，空隙率 40%。

細(xì)骨料：遼寧綏中河砂，細(xì)度模數(shù)為 2.8，表觀密度為2700kg/m3，振實(shí)后堆積密度 1480kg/cm3，空隙率 45%。

外加劑：引氣型聚羧酸高效減水劑，減水率 27%，含氣量 4.5%，推薦摻量 1.8%。

2.1礦物摻合料摻量選擇

按 GB/T 50476—2008《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明附錄 B，對(duì)Ⅱ-E的環(huán)境作用有：W/B=0.4 時(shí)，αf/0.3+αs/0.4≤1?？紤]普通硅酸鹽水泥中已摻有部分礦物摻合料，故取 αf=10%，αs=10%。按此摻量對(duì)膠凝材料進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，28d 抗壓強(qiáng)度為 44.4MPa。

2.2計(jì)算水膠比

混凝土配制強(qiáng)度 fcu,o≥40+1.645×5.0=48.2(MPa)。由公式W/B= αafb/(fcu,o+αaαbfb)，αa=0.53，αb=0.20；計(jì)算 W/B=0.44，滿足設(shè)計(jì)要求 W/B≤0.45，故取 W/B=0.44。

2.3選擇漿骨比

參考 GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)最小和最大膠凝材料的限定范圍，當(dāng) W/B=0.44 時(shí)，膠凝材料用量為 320～450kg/m3，可先選擇漿骨比 32:68 進(jìn)行試配，根據(jù)試試配情況，進(jìn)行漿量的調(diào)整。

2.4砂率的選取

由公式 (2)，Vx=0.68（L/m3），代入原材數(shù)據(jù)后，SP=(1836-1620kc)/(1836+60kc) ；參考表 1，kc=0.66，則 SP= 41%。

2.5初步配合比計(jì)算

由 W/B=0.44，漿量為 0.32（L/m3）可推得：

0.44B/1+0.8B/3.1+0.1B/2.2+0.1B/2.8+40=320，則mB=359kg/m3；進(jìn)而水 mW=158kg/m3；水泥 mC=287kg/m3；粉煤灰 mf=36kg/m3；礦渣粉 mk=36kg/m3；減水劑 m減水劑=6.46kg/ m3。

粗骨料的用量：mG=2800×0.66×(1-41%)=1109kg/m3；細(xì)骨料的用量：mS=771kg/m3。

2.6試配結(jié)果

混凝土配合比試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表 2。

表2　混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)束語(yǔ)

文章通過對(duì)現(xiàn)代混凝土的全面認(rèn)識(shí)，抓住現(xiàn)代混凝土的特點(diǎn)是普遍摻入礦物細(xì)粉摻合料和高效減水劑。從混凝土的各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響等方面入手，運(yùn)用混凝土各組成材料在滿足拌合物和易性的前提下緊密堆積的原理，理出了現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)中符合實(shí)際的設(shè)計(jì)思路。沿著思路的過程，應(yīng)用到實(shí)踐試驗(yàn)案例中，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路具有很強(qiáng)操作性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

最后，要說明的是任何混凝土配合比設(shè)計(jì)，都必須要經(jīng)過試拌試驗(yàn)。

[1] 馬保國(guó)，王信剛，李相國(guó)，王凱．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及其存在的問題[J]．混凝土，2005(2): 12-15．

[2] 王林，王棟民. 關(guān)于當(dāng)代混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的探討[J].新型建筑材料，2012(5): 73-76．

[3] 廉慧珍，李玉琳．關(guān)于混凝土配合比選擇方法的討論—關(guān)于當(dāng)代混凝土配合比要素的選擇和配合比計(jì)算方法的建議之二[J]．混凝土，2009(5): 1-3．

[4] 陳建奎，王棟民．高性能混凝土（HPC）配合比設(shè)計(jì)新法—全計(jì)算法[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000,28(2): 194-198．

[5] 趙尚傳，楊永順，梁奎基．考慮粗集料充填體積率與級(jí)配的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[J]．公路交通科技，2008,25(9): 188-192．

[6] Mario Collepardi, Silvia Collepardi. Concrete Mix Design, 混凝土配合比設(shè)計(jì)[M]．劉數(shù)華，等，譯．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2009：43-44．

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孫茂元（1983—），男，工程師，從事混凝土技術(shù)研究和咨詢工作。