水利工程建设中混凝土的配合比设计方法及实践

□ 吴存锡（浙江省瑞安市水利局）

1 混凝土配合比设计的影响因素分析

混凝土标号是反映混凝土强度的指标，按照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定，普通混凝土划分为14个等级，即:C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。例如，强度等级为C30的混凝土是指30MPa≤fcuk<35MPa。影响混凝土强度等级的因素主要与水泥等级和水灰比、集料、龄期、养护温度和湿度等有关。目前一些小型水利工程常使用的普通混凝土，由于考虑商品混凝土的供给、交通运输等不便，数量又不多等，仍采取传统混凝土的配制方式组织施工，在设计配合比时除上述因素外，重点还需考虑下列3点因素:①组成混凝土的骨料（砂、石子）的强度；②水泥石的强度及其与骨料的粘结力；③混凝土浇捣的密实度。

组成混凝土的各原料中，水泥浆是填充砂子的空隙的，而水泥砂浆是填充石子空隙的，因此石子最大颗粒越大、级配越好，即石子的空隙越少，则水泥砂浆越省。同理，砂子最大颗粒越粗，级配越好，孔隙越少，所需的水泥浆也越省，这都可以节省水泥用量，另外在混凝土浇捣后，如果浇捣得不密实，内部有空隙，或者在拌制水泥浆时水、灰比太大，待日后水分蒸发以后混凝土中都将留有空隙，那么混凝土的强度都会降低。拌制和浇捣混凝土，要达到设计的标号，又要水泥用量最省，最好是使:①水灰比尽量少；②水泥浆正好包裹砂子并充满砂子的空隙；③水泥砂浆正好包裹石子并充满石子空隙；④搅拌均匀，振捣密实；做到以上四点，这就是混凝土配合比设计与混凝土施工任务的主要目的。

2 混凝土配合比设计的具体操作方法与实践

在了解混凝土配合比设计原理后，就可以进行混凝土的配合比设计了。在此，笔者结合实践经验，就配合比设计的具体方法与步骤分述如下。

2.1 首先确定水灰比

如果浇捣后经过28d养护的混凝土的试样强度为:R28（注意:试样必须是有代表性的和规定尺寸的，R28的单位是每平方厘米多少公斤）。R灰是水泥标号，C/W是灰水比，即水泥用量与水用量之比，则它们之间有下列关系:R28=AR灰（C/W－B）。

式中经验系数，根据石子及水泥的种类确定:

卵石混凝土:普通硅酸盐水泥A=0.444,B=0.459；矿碴硅酸盐水泥A=0.501,B=0.666。

碎石混凝土:普通硅酸盐水泥A=0.525,B=0.569；矿碴硅酸盐水泥A=0.503,B=0.581此外，还要考虑混凝土的抗渗性要求。

混凝土的抗渗性,用抗渗等级（P）或渗透系数来表示。我国标准采用抗渗等级。抗渗等级是以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力来确定。《混凝土质量控制标准》（GB50164）根据混凝土试件在抗渗试验时所能承受的最大水压力，将混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时不同的最大水压力。试配要求的抗渗水压值应比设计提高0.20MPa。试配时应采用水灰比最大的配合比作抗渗试验:抗渗等级最大水灰比C20～C30C30以上P60.600.55P8～P120.550.50>P120.500.45；根据以上混凝土抗压与抗渗的标号求出的水灰比，取其较少者，即可初步确定水灰比。

2.2 第二步确定加水量

每立方米混凝土的加水量是根据石子的最大粒径及混凝土熟料的坍落度来确定的，实践中参考值见表1:

表1 混凝土加水量的参考值表

石子最大粒径应按混凝土构件断面的最小尺寸的四分之一和钢筋最小净距的三分之一为限，坍落度为保障混凝土浇捣密实的坍落度厘米数，它实际上反映了混凝土的和易性。确定坍落度的数值要看构件（是小体积还是大体积）、施工方式（是手工拌和还是搅拌机拌和）、振捣方式（是人工插捣还是机械振捣）的不同来确定，还要注意根据表1确定的加水量只适用于卵石、中砂拌制混凝土。如果是细砂，则用水量要酌加5～10kg；使用碎石时，用水量还需要酌加10～15kg，使用火山灰质水泥时，用水量需酌加10～20kg，使用人工砂时，用水量需酌加6～9kg;掺用加气剂或减水剂时，用水量可酌减10～20kg。确定了每立方米混凝土的用水量W，就可很容易地算出每立方米混凝土的水泥用量C。

C=W÷（W/C）=W×（C/W），其中括号中的C/W就是第一步求出的灰水比。

2.3 初定砂率

砂率是表示砂与石子之间的组合关系，影响最优砂率的因素很多，可概括为:①石子最大粒径较大、级配较好、表面较圆滑时其表面积和空隙率较小，故砂率可较小；②砂的细度模数较小时，由于砂的细颗粒较多，混凝土拌和物的粘聚性容易得到保证，故砂率可较小；③水灰比较小时水泥浆较稠，混凝土拌和物的粘聚性也容易保证，砂率可较小；④施工要求的流动性较大时，粗骨料常易离析，为保证混凝土粘聚性，须加大砂率；⑤当掺用加气剂或减水剂时，可适当减少砂率，由于影响因素较多，一般只能按经验初定砂率。

2.4 用假定容积法初定混凝土配合比

假定新浇筑的混凝土是振捣密实的，那么它每立方米原料的总重量可按表2估计:

表2 混凝土配合比总重量估算参考值表

设每立方米混凝土的水用量为W，水泥用量为C，砂用量为S，石子用量为G，混凝土重量比为N，则在第二步确定了W和C以后可以算出骨料的用量S＋G，S＋G=N－W－C。知道了每立方米混凝土的骨料用量S＋G以后，可根据第三步初定的砂率分别算出砂与石子的用量:S=（S＋G）×砂率 G=（S＋G）－S

至此每立方米混凝土的水用量W，水泥用量C，砂用量S和石子用量G均已初步求出。

2.5 试拌与调整

按上面算出的比例称取20L混凝土的原料用量，进行试拌，若观察粘聚性基本良好，说明选用的砂率是基本合适的，若粘聚性不理想，则要适当增加砂率，若砂率感到太多，可以适当减少，再用专门的工具测量坍落度，若不符合要求，可以调整水和水泥的用量，但水灰比率仍维持不变，经调整合适后再重新计算每立方米混凝土的原料用量。

2.6 注意事项

在工地实际施工中，在填写每天的混凝土配料单时，若原料的品种不变，而露天堆放的砂石料含有水分时，则用水量应当相应扣除，而含水的砂、石料应称取适当的增加数，它们分别是:

含水的砂=S×（1＋料场砂子含水量）

含水的石子=G×（1＋料场石子含水量）

水的用量=W－（含水的砂－S）－（含水的石子－G）

3 结论

混凝土中砂、石料的强度直接影响混凝土的强度，砂、石料的强度越大，混凝土的强度也大，反之亦然，不过一般砂、石料本身的强度总是比混凝土强度大得多，所以从这个意义上讲，混凝土中水泥浆的比例越多（水泥用量越多），混凝土的强度不见得高，有时甚至反而不高。因此，为了节省水泥，又要使混凝土达到设计强度，要求砂、石料不但有足够的强度，还要求它们的总表面积最少，空隙最小，因而要求它们的最大粒径较大，而且大、中、小颗粒级配良好，但石子最大粒径受到混凝土构件尺寸及钢筋密度的制约，不能太大。

水泥浆在混凝土中起胶结作用，因此它必须有足够的数量，以便完全包裹砂子的所有表面积和完全充填砂子的所有空隙，同理水泥砂浆也必须完全包裹石子的所有表面积和完全充填石子的所有空隙，并且以此为度，再多就没有好处了。

水泥浆中的水在与水泥起水化作用后，多余部分日后都将蒸发，从而在混凝土中留下空隙，这就降低了混凝土的强度，因此，为了施工（拌和和浇捣）方便需要增加用水量时，必须同时增加水泥用量，务使水灰比保持不变，因为上述水灰比也直接影响混凝土的强度。

每立方米混凝土的用水量也不是越少越好，因为用水量太少，混凝土太稠，坍落度不够，混凝土的和易性不好，就不能拌透，对浇捣密实带来影响，这样混凝土的强度也会降低。

总之，混凝土配合比是一个既简单又复杂的问题，影响因素很多，不是一句话可以说得清楚的，一旦定下来以后也不能是一成不变的，如果影响因素之一有了变化，上述混凝土的配合比也必须相应调整，以便用最省的原料浇筑成质量最高的混凝土。