混凝土配合比设计影响因素分析及设计优化

徐莅春，刘晓霞

（南通市建筑工程质量检测中心，江苏 南通 226000）

0 前言

随着材料科学的不断发展，混凝土应用领域越来越广，而无论是用于哪个领域的混凝土，其配合比设计的关键，都是以混凝土的和易性、力学性能、耐久性为目标，选择合适的原材料、优化配比参数，以达到设计的要求。本文从配合比设计的内在要求出发，探索不同因素影响下的配合比调整方向，对混凝土的设计、生产有着实际的指导意义。

1 混凝土配合比设计的技术要求

混凝土在进行配合比设计时，主要考虑满足和易性、力学性能和耐久性技术要求。在生产施工阶段，要满足混凝土拌合物的和易性，其性能主要包括流动性、粘聚性和保水性；在混凝土成型养护及后期使用阶段，要满足力学性能的要求，主要指混凝土的立方体抗压强度、抗折强度，抵抗混凝土变形（主要包括化学收缩、碳化收缩、干湿变形、温度变形、徐变等）的能力；在后期使用阶段，还要满足耐久性的要求，其性能主要包括抗渗、抗冻、碳化、钢筋锈蚀、抗侵蚀等。

2 混凝土配合比影响因素分析及调整

混凝土原材料的组成及选用、所处环境、结构部位、生产施工工艺等都对其技术要求有很大的影响，进而影响混凝土的配合比设计。

2.1 原材料

配制混凝土的原材料直接决定了混凝土的各项性能，如主要原材料的水泥的强度对混凝土的强度起了决定性的作用；水灰比、砂率、石子的空隙率、外加剂和掺合料都对混凝土的和易性有很大影响。

2.1.1 原材料对混凝土和易性的影响

水灰比：水灰比的大小影响了混凝土拌合物的流动度：水灰比越大，流动性越好，坍落度大，但水灰比过大，易造成拌合物分层离析；水灰比越小流动性越差，水灰比过小时，混凝土难以振捣密实。在配合比设计时，应尽量降低水灰比，减少水泥用量，节约成本。为达到要求的坍落度，可添加减水剂。

砂率：砂率过大，会导致混凝土的流动性降低，坍落度变小；砂率过小，混凝土的粘聚性和保水性变差，易产生泌水、离析和流浆。在配合比设计时应选择一个能够填满石子空隙的并有一定的富余量的砂率。

骨料：骨料的选择对混凝土的和易性影响较大，在骨料总量不变的情况下，采用卵石、河砂拌制的混凝土和易性较好，而使用碎石和机制砂拌制的混凝土和易性相对较差；选用骨料的细度模数过大或过小，都会导致混凝土拌合物的流动性变差。在配合比设计时，细度模数大导致流动性差的情况，可以适当提高砂率，或增加水泥用量来改善和易性；细度模数过小，可以降低砂率，提高用水量进行调节。

掺合料：掺合料粉煤灰、矿粉等可以代替一部分水泥，一方面可以减少水泥用量，降低成本，另一方面可以改善混凝土的和易性。对于大体积混凝土、高温施工混凝土，均可以掺入粉煤灰、矿粉等掺合料，调整混凝土的和易性。

外加剂：外加剂可以改善混凝土的和易性，如减水剂可以在不减少拌合用水量的前提下，显著提高拌合物的流动性，加入减水剂越多，混凝土流动性越大；泵送剂可用于改善混凝土泵送性能。

2.1.2 原材料对混凝土力学性能的影响

水泥的强度：水泥的强度等级越高，配制混凝土的强度也越高；相同水泥强度等级配制的混凝土，水泥用量越大强度也越高。

水灰比：水灰比过大，混凝土拌合物中水泥颗粒少、距离大，颗粒间会产生空隙，会导致混凝土强度低，后期变形大；水灰比变小，水泥颗粒间距小，颗粒间填充密实，混凝土强度就相对较高。

砂率：混凝土的抗压强度随着砂率的增加变动幅度较小。

骨料：骨料在混凝土结构中主要起着传递荷载的作用，骨料的选择，可以提高混凝土的强度和弹模，减小因荷载作用引起的变形，进而增强混凝土的抗变形能力，提高耐久性。

掺合料：掺入粉煤灰、矿粉等掺合料会减慢混凝土的水化速度，降低混凝土的早期强度，但掺合料中的活性成分可对混凝土的后期强度起促进作用，有利于后期强度发展和耐久性。

外加剂：外加剂的使用可以调节混凝土的强度，如在混凝土中掺入早强剂能够加快混凝土的硬化，可以使早期强度快速增加，因此可用于紧急抢修工程。在混凝土中掺入缓凝剂，可以延缓混凝土的水化速度，避免内外温差大导致的混凝土后期强度低、产生裂缝的现象，主要用于高温季节混凝土、大体积混凝土、泵送、远距离输送混凝土。减水剂在减水而不减少水泥的用量时，可提高混凝土的强度。

2.1.3 原材料对混凝土耐久性能的影响

水灰比：水灰比越大，水泥用量相对较小，混凝土在水化过程中产生的 Ca(OH)2也就越少，扩散的阻力就越小，碳化速度也就越快，同时，混凝土内部孔的总的体积和孔径越来越大，在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力变大，抗渗性、抗冻性也越差；反之，水灰比降低，混凝土密实度增强，孔隙率降低，碳化速度较慢，抗冻性、抗渗性越好。

砂率：合适的砂率便于振捣、密实，不仅可提高混凝土的密实性和抗渗性，而且提高了抵抗外部侵蚀性介质的破坏作用，降低侵蚀程度，延缓侵蚀速度。

骨料：混凝土在凝结硬化过程中，粗骨料的收缩值比水泥浆小得多，在一定程度上可以限制混凝土的收缩，粗骨料表面构造好，易于和砂浆基体粘结，可以有效提高骨料与浆体交界面的密实度，提高耐久性。

掺合料：粉煤灰的掺入可以使混凝土进行二次水化反应，生产水化硅酸钙，填充混凝土内部的空隙，提高混凝土的抗渗性。

外加剂：混凝土掺入减水剂可显著提高混凝土的耐久性。掺入引气剂可以均匀地引入大量稳定而封闭的微小气泡，能提高混凝土的抗冻性和抗渗性，同时，增加含气量，提高混凝土的抗裂性。

2.2 混凝土所处的环境

混凝土所处的环境主要指温度的影响（高温、高寒、冻融等）、湿度的影响、盐碱腐蚀。这些环境因素直接影响了混凝土的强度，及碳化、抗裂性、钢筋锈蚀等耐久性指标。

2.2.1 环境混凝土对和易性的影响

气温、相对湿度对混凝土拌合物的和易性有影响，当气温较高时混凝土在拌合过程中水分蒸发的快，会导致混凝土的流动性减小，坍落度降低，和易性差，应相应提高水灰比。

2.2.2 环境对混凝土力学性能的影响

温度越高、风速越大，会导致混凝土的水分蒸发速度大，能加速混凝土早期强度，因而导致后期强度的降低，同时造成混凝土收缩变形大，开裂面积大。在进行配合比设计时，可适当增加单位体积用水量。高寒、冻融环境，温度较低，水化速度慢，直接影响混凝土的早期强度及后期抗冻性、抗裂性。要保证混凝土力学性能，要求混凝土有较低的水灰比，在混凝土中要适量地加入粉煤灰掺合料和减水剂，从混凝土的早期硬化上限制水化热，这样后期硬化才能减少收缩变形。

2.2.3 环境对混凝土耐久性的影响

高温会使混凝土中自由水蒸发快，混凝土凝结速度快，导致混凝土的塑性收缩大，产生裂缝，尤其是钢筋混凝土结构，会进一步造成钢筋锈蚀。在进行混凝土配合比设计时，可在保证强度的基础上，适当增加水灰比，加入缓凝剂，减缓水化速度。在高寒地区，尤其是在有水接触的受冻环境下，降低水灰比，可使混凝土内部毛细孔，气泡变小，大大提高混凝土的抗冻能力。

潮湿、盐碱腐蚀环境会导致混凝土开裂，在进行配合比设计时，掺入矿物掺合料，能够改善混凝土孔结构，明显提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，进而提高混凝土的耐久性。同时，可以适当添加阻锈剂，防止混凝土结构后期钢筋锈蚀。

2.3 结构部位

混凝土工程的不同结构部位有不同的特点，其对混凝土的和易性、强度、耐久性就有不同的要求。在进行配合比设计时，应根据不同的结构部位特点进行调整。

2.3.1 结构部位对和易性的要求

对于结构部位尺寸较大的混凝土，对和易性要求较高，施工过程中，应充分考虑大体积混凝土配合比设计要求，使用大掺量活性掺合料和缓凝剂，可有效降低水泥的早期水化热。

对于设计标高较高的部位，需要泵送施工，就要求混凝土具有较好的泵送性，在进行配合比设计时，要加入泵送剂，调整混凝土的流动性。

2.3.2 结构部位对混凝土力学性能的要求

建筑工程中的垫层、梁、板、柱、基础混凝土强度要求不同，在建筑工程中柱子的强度高于同一层梁、板的强度；桥梁的不同部位如桥墩、桥台、钢梁混凝土强度要求也不同。在进行混凝土配合比设计时，可通过选择混凝土强度等级 1.5～2 倍的水泥强度等级，减少水灰比，选择级配良好的中砂和连续粒级的石子等方式，来提高混凝土的强度。

2.3.3 结构部位对混凝土耐久性的要求

不同结构部位受力不同，会对耐久性产生影响，如桥梁的索塔，要求混凝土具有良好的抗裂性能，在进行配合比设计时，考虑掺入粉煤灰等活性掺合料和缓凝减水剂，尽量降低胶凝材料的水化热，减少混凝土的化学收缩和干缩，提高其抗收缩性能；提高混凝土自身的抗变形、抗开裂性能。

2.4 其他因素

混凝土的运输方式、浇筑方法等生产、运输、施工工艺也对混凝土的和易性有较大的影响，进而影响了混凝土的配合比设计。比如远距离运输的混凝土，就要力求其凝结时间满足运输施工要求，泵送混凝土要求混凝土有较好的流动性等，应对相应的配合比设计进行调整，如对于泵送混凝土应相应加大砂率，加入适量泵送剂，来增加混凝土浇筑过程中的流动性，减少阻力。

3 结论

结构部位、环境、原材料、工艺等因素并不是独立的，而是相互影响的。比如同一个结构部位因所处环境不同，则配合比就不尽相同；同一个环境的不同结构部位，配合比也需要适当调整；而原材料的选用也需考虑结构部位特点和环境。在进行混凝土配合比设计时，需要根据工程的结构部位、其所处的环境、原材料的选择、工艺来确定混凝土的工作性能、结构强度、经受长期环境影响的耐久性指标，再进行水灰比、砂率、骨料级配、掺合料、外加剂量的试配，最终确定工程各个部位特有的配合比设计。