关于现代混凝土配合比设计的思路

孙茂元，陈方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

关于现代混凝土配合比设计的思路

孙茂元，陈方亮，李萍

（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）

通过对现代混凝土的全面认识，抓住现代混凝土普遍掺入矿物细粉掺合料和高效减水剂的特点，本文从混凝土的各组成材料的关系和性质及其作用和影响等方面入手，运用混凝土各组成材料在满足拌合物和易性的前提下紧密堆积的原理，理出了现代混凝土配合比设计思路。沿着设计思路，确定水胶比、浆骨比、砂率和矿物掺合料在胶凝材料中的比例，结果表明该设计思路具有很强操作性和现实指导意义。

现代混凝土；矿物细粉掺合料；水胶比；浆骨比；砂率；配合比设计

0　概述

水泥混凝土材料的发展及应用，对近代人类社会的发展起到了非常重要的作用。同时，水泥混凝土材料也变的家喻户晓，人们普遍会认为混凝土是由石子、水泥、砂子、拌合水为基本成分的混合物，而且在实际生产中，专业人士对混凝土配合比设计的方法常常归结为假定容重法和绝对体积法。近十多年来，随着混凝土施工工艺的发展，要求新拌混凝土具有大流动性、可泵性、自流平、自密实等特点，同时，这对施工速度、经济、均匀性、安全使用均至关重要。结合今后混凝土的发展方向，解决好混凝土耐久性问题和发展绿色高性能混凝土的选择，现代混凝土的提法，逐渐被业内人士所认可。

什么叫现代混凝土？现代混凝土是由水泥、矿物细掺料、砂、石、水和外加剂等组成的多相聚集体，并能满足“高工作性、高强度和高耐久性”的基本要求，是对目前高性能混凝土、高强混凝土、大体积混凝土、泵送混凝土、自流平自密实混凝土、抗冻混凝土、抗渗混凝土、水下浇筑混凝土等混凝土的总概括。这些混凝土的配合比设计方法以单纯的强度为基础的计算法，已然不能全面满足其性能要求。只有综合考虑混凝土的工作性、强度和耐久性[1]，才能设计出符合实际混凝土结构工程中对混凝土设计要求的混凝土配合比。目前，混凝土结构设计图纸里都会明确规定其设计要求，包括：环境作用等级、混凝土的工作性、混凝土强度等级、混凝土的总碱含量评估、混凝土的氯离子含量、混凝土的抗水渗透性能、混凝土抗氯离子扩散性能以及抗冻性能等。这就要求在进行现代混凝土配合比设计时，要充分考虑的因素包括：用水量、浆体和集料用量、浆体的塑性、集料的最大尺寸及其颗粒形态与表面特性、含气量、砂石比例及其组合级配等。从而解决混凝土大坍落度与坍落度损失的矛盾，混凝土变形能力和抗离析性的矛盾，混凝土流动性和黏聚性的矛盾，实现混凝土硬化后干缩收缩、抗裂缝能力强、密实抗渗透性高的目的。

1　 现代混凝土配合比设计思路

1.1确定矿物细粉掺合料掺量

现代混凝土的胶凝材料除水泥中的硅酸盐水泥外，还包括水泥中具有胶凝作用的混合材料（如粉煤灰、火山灰、矿渣、沸石粉等）以及配制混凝土时掺入的具有胶凝作用的矿物掺合料（如粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等）。进行现代混凝土配合比设计时，对水泥及矿物掺合料用量的具体规定可参考中国土木工程学会标准 CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（2005 年修订版）的表 4.0.3，并应采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度试验对混凝土水胶比的计算结果进行验证。

1.2水胶比的计算

对于传统混凝土，其强度与水灰比成反比的保罗米公式应该适用于使用硅酸盐水泥、级配良好而洁净的河砂、粒形匀称的石子的配合比计算。但是对于现代混凝土的胶凝材料体系都为水泥与矿物细粉料掺合料复合体，这个保罗米公式需要改进[2]。因此，JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中为了使混凝土水胶比计算公式更符合实际情况以及普遍掺加粉煤灰和粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料的技术发展情况，在试验验证的基础上，采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度和相应的混凝土强度进行回归分析。调整了回归系数 αa、αb，并经过试验验证，给出了粉煤灰影响系数 γf和粒化高炉矿渣粉影响系数 γs。水胶比的计算公式变为：

式中：γc——水泥强度等级值的富余系数；

fce,g——水泥强度等级值；

fcu,o——混凝土配制强度。

1.3浆骨比的选择

在新拌混凝土中，水泥浆体主要起润滑作用，当浆量占大多数时，混凝土的黏聚性、保水性、流动性均良好，而且非常容易插捣，几乎感觉不出骨料的阻力，但过多的浆量，致使混凝土抗早期开裂性能下降，干缩变形也明显，不利于混凝土的耐久性。如果浆量过少，砂石表面包裹的浆量过少，混凝土的流动性、黏聚性会很差，并且出现离析，这时靠增加减水剂用量对增大混凝土坍落度也几乎没有效果。因此，选择浆量的原则是：在满足混凝土和易性的前提下，尽量选择最小的浆骨比。根据美国 P.K.Matha 和 P.C.Aitcin 教授的观点，要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度，其水泥浆和骨料的体积比应为 35:65，计算骨料体积所使用的密度应当是饱和面干状态下所测定的。对于现代混凝土，可按 GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》附录 B 中表 B.1.1 对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌合物工作性确定，取尽量小的浆骨比值[3]。在试验室试配时，如果混凝土和易性不够好，可以保持水胶比不变，提高浆体量。

1.4砂率的选取

砂率是影响混凝土和易性的重要因素。当前，对砂率的选择主要基于试验和经验，也有根据石子的空隙率，砂的级配情况，初步确定砂率；还有用全计算法计算出砂率[4]。但是综合考虑粗骨料在混凝土中充填体积率[5]、粗骨料的空隙率、粗骨料的最大粒径、以及细骨料的细度模数来确定混凝土的砂率较为符合现代混凝土配合比设计的要求。

粗骨料在混凝土中的充填体积率用 kc表示，粗骨料振实后空隙率以 ki表示，则单方混凝土中粗骨料的体积可表示为kc(1-ki)m³。用 Vx表示单方混凝土中骨料的体积（可由浆骨比确定），则混凝土的砂率推导公式：

式中：ρS、ρG——分别表示细骨料的饱和面干表观密度和粗骨料饱和面干表观密度，kg/m3。

由公式 (2) 可知，在粗骨料空隙率一定的条件下，混凝土的砂率与粗骨料的充填体积率有关。且 Mario Collepard根据试验得出泵送混凝土粗骨料的充填体积率[6]见表 1。

表1　坍落度 150～200mm 的泵送混凝土粗骨料的充填体积率

经过计算验证，这与 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的规定“泵送混凝土的砂率宜为 35%～45%”是相符的。

2　配合比设计试验实例验证

天津津围公路（宝坻武清界—潮阳大道）拓宽改造工程潮白河桥灌注桩，混凝土强度等级为 C40，坍落度为(200±20)mm，到达现场浇筑前坍落度为 (180±20)mm；环境作用等级为Ⅱ-E 级，最大水胶比为 0.45，胶凝材料用量为320～450kg/m³。混凝土耐久性指标要求：混凝土氯离子含量不应超过胶凝材料用量的 0.1%，总碱含量不宜超过 3kg/m³，混凝土抗冻耐久性系数 DF≥70%。

提供的原材料条件，水泥：唐山冀东 P·O42.5 水泥，密度 3.1g/cm³，氯离子含量 0.01%，碱含量 0.60%，标准稠度用水量 28.4%。

粉煤灰：天津海得润滋 F 类Ⅱ级粉煤灰，45μm 筛筛余量16%，烧失量 2.36%，需水量比 98%，密度 2.2g/cm³，碱含量0.78%，氯离子含量 0.01%。

矿渣粉：天津市强力达轻型建筑材料有限公司的 S95 矿渣粉，密度 2.8g/cm³，碱含量 0.95%，氯离子含量 0.01%。

粗骨料：蓟县碎石，碎石 5～10mm 与 10～25mm 以3:7 合成级配，表观密度为 2800kg/m³，振实后堆积密度为1480kg/m³，空隙率 40%。

细骨料：辽宁绥中河砂，细度模数为 2.8，表观密度为2700kg/m³，振实后堆积密度 1480kg/cm³，空隙率 45%。

外加剂：引气型聚羧酸高效减水剂，减水率 27%，含气量 4.5%，推荐掺量 1.8%。

2.1矿物掺合料掺量选择

按 GB/T 50476—2008《混凝土耐久性设计规范》条文说明附录 B，对Ⅱ-E的环境作用有：W/B=0.4 时，αf/0.3+αs/0.4≤1。考虑普通硅酸盐水泥中已掺有部分矿物掺合料，故取 αf=10%，αs=10%。按此掺量对胶凝材料进行胶砂强度试验，28d 抗压强度为 44.4MPa。

2.2计算水胶比

混凝土配制强度 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；计算 W/B=0.44，满足设计要求 W/B≤0.45，故取 W/B=0.44。

2.3选择浆骨比

参考 GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》对最小和最大胶凝材料的限定范围，当 W/B=0.44 时，胶凝材料用量为 320～450kg/m³，可先选择浆骨比 32:68 进行试配，根据试试配情况，进行浆量的调整。

2.4砂率的选取

由公式 (2)，Vx=0.68（L/m³），代入原材数据后，SP=(1836-1620kc)/(1836+60kc) ；参考表 1，kc=0.66，则 SP= 41%。

2.5初步配合比计算

由 W/B=0.44，浆量为 0.32（L/m³）可推得：

0.44B/1+0.8B/3.1+0.1B/2.2+0.1B/2.8+40=320，则mB=359kg/m³；进而水 mW=158kg/m³；水泥 mC=287kg/m³；粉煤灰 mf=36kg/m³；矿渣粉 mk=36kg/m³；减水剂 m减水剂=6.46kg/ m³。

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

2.6试配结果

混凝土配合比试验验证结果见表 2。

表2　混凝土配合比试验结果

3　结束语

文章通过对现代混凝土的全面认识，抓住现代混凝土的特点是普遍掺入矿物细粉掺合料和高效减水剂。从混凝土的各组成材料的关系和性质及其作用和影响等方面入手，运用混凝土各组成材料在满足拌合物和易性的前提下紧密堆积的原理，理出了现代混凝土配合比设计中符合实际的设计思路。沿着思路的过程，应用到实践试验案例中，结果表明该设计思路具有很强操作性和现实指导意义。

最后，要说明的是任何混凝土配合比设计，都必须要经过试拌试验。

[1] 马保国，王信刚，李相国，王凯．高性能混凝土配合比设计及其存在的问题[J]．混凝土，2005(2): 12-15．

[2] 王林，王栋民. 关于当代混凝土配合比设计方法的探讨[J].新型建筑材料，2012(5): 73-76．

[3] 廉慧珍，李玉琳．关于混凝土配合比选择方法的讨论—关于当代混凝土配合比要素的选择和配合比计算方法的建议之二[J]．混凝土，2009(5): 1-3．

[4] 陈建奎，王栋民．高性能混凝土（HPC）配合比设计新法—全计算法[J]．硅酸盐学报，2000,28(2): 194-198．

[5] 赵尚传，杨永顺，梁奎基．考虑粗集料充填体积率与级配的混凝土配合比设计方法[J]．公路交通科技，2008,25(9): 188-192．

[6] Mario Collepardi, Silvia Collepardi. Concrete Mix Design, 混凝土配合比设计[M]．刘数华，等，译．北京：中国建材工业出版社，2009：43-44．

[通讯地址] 天津市中北工业园（北园）阜锦路外环实业公司院内新增 2 号院（300112）

孙茂元（1983—），男，工程师，从事混凝土技术研究和咨询工作。