简析水运工程混凝土配合比设计

郑丽华，杨延恒

（上海航源港口工程质量检测有限公司，上海 201208）

引 言

混凝土是以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。它作为一种用量最大、范围最广的建筑结构材料，已经获得广泛的应用和发展。

混凝土的主要受力形式为抗压，所以抗压强度是其最主要力学指标，且以其以立方体抗压强度标准值划分混凝土强度等级。根据混凝土的定义可知，混凝土的强度在很大程度上是由原材料的性质及其相对含量决定的。所以在配制某强度等级混凝土前，需进行该混凝土配合比设计。由于身处水运工程行业，所以本文主要分析水运工程混凝土配合比设计。

1 水运工程混凝土配合比设计步骤

水运工程混凝土配合比设计是依照《水运工程混凝土施工规范》（JTS 202-2011）[1]执行。该规范明确了配合比设计的步骤以及基本参数的选取推荐值：

1）计算混凝土施工配制强度；

2）选择水胶比；

3）选择用水量；

4）确定砂率；

5）确定胶凝材料用量；

6）计算砂、石用量；

7）试拌并调整。

2 水运与建筑工程混凝土配合比设计对比

建筑工程混凝土配合比设计依照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[2]执行。

2.1 混凝土施工配制强度计算

水运工程中，混凝土施工配制强度按式（1）计算：

建筑工程中，指明当混凝土的设计强度等级小于C60时，配制强度按式（2）确定：

当设计等级不小于C60时，配制强度按式（3）确定：

由式（1）和式（2）可知，普通混凝土施工配制强度计算公式基本一致。不过，两者在标准差σ取值上有所不同。比较表1和表2可知，对于小于C20以及大于等于C50的混凝土，水运工程的标准差σ值偏低。对于常规C25、C30、C40混凝土，水运工程标准差σ值偏低；对于常规C20、C45混凝土，水运工程标准差σ值偏高。因此，水运工程的标准差σ值普遍偏低。

表1 水运工程标准差σ值 /MPa

表2 建筑工程标准差σ值 /MPa

2.2 水胶比确定

建筑工程中，《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）规定，当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算得出：

水运工程中，《水运工程混凝土施工规范》（JTS 202-2011）规定，用建立强度与水胶比关系曲线的方法求水胶比，按指定的坍落度，用实际施工应用的材料，拌制数种不同水胶比混凝土拌合物，并根据 28 d龄期的混凝土立方体试件的极限抗压强度绘制强度与水胶比的关系曲线，从曲线上查出与混凝土施工配制强度相应的水胶比。

根据这条要求，试验室在做配合比设计前，首先，要用委托的原材料成型3～5个水胶比的混凝土试件，养护 28天后得出混凝土抗压强度。然后，建立水胶比与混凝土抗压强度的关系，一般为线性关系。最后，可通过插入法或直接取值法，找到施工配制强度对应的水胶比。并将该水胶比与有耐久性要求规定的水胶比进行比较，得出最终的水胶比。至此，完成配合比设计第二步，至少需要 28天。

2.3 用水量选择

建筑工程与水运工程标准中均提供了用水量的推荐值，且用水量的选择均与坍落度范围、粗骨料品种、粗骨料最大粒径有关。以工程中常用的塑性混凝土为例，具体见表3。

表3数据显示，水运工程中的用水量推荐值略微大一点点。且随着坍落度和粒径增大，水运工程的用水量增加更显著。

表3 塑性混凝土用水量推荐值 /(kg·m-3)

2.4 砂率确定

建筑工程标准中提供了砂率的推荐值，其大小选择与水胶比、粗骨料品种、最大粒径有关。该推荐值为质量砂率，其计算公式见式（5）：

水运工程标准亦提供了砂率的推荐值，其大小选择与胶凝材料用量、粗骨料品种、最大粒径有关。该推荐值为体积砂率，其计算公式见式（6）：

由于砂的密度ρs一般比石的密度ρg小一点，所以体积砂率一般比质量砂率大一点。

依照水胶比、胶凝材料用量、用水量三者之间关系，将水运工程与建筑工程的砂率推荐值进行转换比较，具体见表4。

表4 水运工程与建筑工程的砂率选用值 /%

表4数据显示，水运工程中的砂率推荐值偏小。

建筑工程标准中指明，当坍落度为10～60 mm的混凝土，其砂率可按表中推荐值选取。

而水运工程标准中明确，需按照表中推荐范围或者经验选择数种不同的砂率，拌制混凝土，确定最佳砂率。根据这条要求，需要依据选定的水胶比、用水量，计算出胶凝材料用量，保持这三个参数不变，选择不同的砂率，计算出不同的砂、石质量，拌制混凝土，测坍落度，从而选择最佳砂率。

2.5 胶凝材料用量确定

建筑工程标准中，胶凝材料用量由已选择的水胶比和用水量、矿物掺量计算而来，并应进行试拌调整，在拌合物性能满足的情况下，取经济的胶凝材料用量。计算得出的胶凝材料总量是确定的，调整主要是针对矿物掺量而言。

水运工程标准中，胶凝材料用量的选择比较复杂：按选定的水胶比和已确定的最佳砂率，拌制数种胶凝材料用量不同的混凝土拌合物，测定其坍落度，并绘制坍落度与胶凝材料用量的关系曲线，从曲线上查出与施工要求坍落度相应的胶凝材料用量。

这条要求是比较令人费解的。因为从字面上理解，胶凝材料用量与坍落度直接相关。而实际上，众所周知，胶凝材料用量由用水量除以水胶比而得。且在第三步用水量选择时，就已经考虑了设计坍落度。所以与其说是建立胶凝材料与坍落度的关系，还不如说是建立用水量与坍落度之间的关系。如此，第三步用水量选择的作用就仅仅是用来计算砂率了。

根据这条要求，需保持水胶比、最佳砂率不变，选择不同的胶凝材料用量，即选择不同的用水量，计算出不同的砂、石质量，拌制混凝土，测坍落度，建立坍落度与胶凝材料用量的关系曲线，从而确定胶凝材料用量（与耐久性要求的最低胶凝材料用量比较后）、用水量。

2.6 砂、石计算

建筑工程标准中指明，可以按照质量法和体积法进行计算。在水胶比、用水量、砂率已选以及各材料的密度数据已有的情况下，计算出砂、石质量。

水运工程标准中规定，必须按照绝对体积法进行计算。在水胶比、胶凝材料用量、最佳砂率已确定以及各材料的密度数据已有的情况下，计算出砂、石质量。

2.7 试配并调整

建筑工程标准中指明，在计算配合比的基础上应进行试拌。计算水胶比宜保持不变，并应通过调整配合比其他参数使混凝土拌合物性能符合设计和施工要求，然后修正计算配合比，提出试拌配合比。在这个过程中，一般会调整用水量或者砂率，甚至两个参数都调整。

在试拌配合比的基础上应进行混凝土强度试验。通过绘制强度和胶水比的线性关系图或插值法确定略大于配制强度对应的胶水比。再根据确定的水胶比，调整用水量、外加剂用量、胶凝材料用量，以及粗、细骨料用量。最后校正混凝土拌合物的表观密度，得出最终的配合比。

水运工程标准中指明，经济合理的配合比应按计算配合比和施工要求的坍落度，经试拌校正后得出。确定的配合比应根据制定的要求制作试件进行试验校核。

3 结 语

1）建筑工程混凝土配合比计算逻辑是先选全部参数后调整再校核。水运工程混凝土配合比设计逻辑是逐个确定参数再校核。确定参数的过程，包含了调整的过程，且会涉及到后续步骤的计算。

2）水运工程混凝土配合比设计虽然基本参数选定更精确，但操作耗时长，比建筑工程混凝土配合比设计试验所耗时间至少延长 28天时间，会给工程开展带来不便。

3）水运工程配制强度计算σ值普遍偏小。

4）水运工程配制强度计算用水量推荐值普遍偏大。

5）水运工程配制强度计算砂率是体积砂率，且其推荐值普遍偏小。