混凝土配合比设计方法的研究进展

张 军

(内蒙古路桥集团有限责任公司，呼和浩特 010051)

混凝土配合比设计是混凝土工程中很重要的一个环节，混凝土配合比设计主要是根据规程及施工要求并结合现用材料的技术特性、生产工艺、质量控制水平、气候条件和历史经验判断矿物掺合量、用水量、外加剂掺量及砂率等重要参数。JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》确定用水量基于“固定用水量定则”，主要关注坍落度、抗压强度、水胶比、拌合物工作性以及砂率，为混凝土配合比设计提供指导。实际使用中可以直接确定目标坍落度和目标强度，按照国标中给定的方法计算出水灰比和砂率等参数，进而确定配合比。根据社会发展的要求，我们要求配合比设计不止是满足强度要求，更要满足耐久性要求以及环境要求，在此背景下就不能使用国标一概而论了，在具体工程上依然要进行具体配合比设计。

对于高性能混凝土，我们希望它能够易于浇捣而不离析，有高超的、能长期保持的力学性能，早期强度高、韧性好和体积稳定性优异，在恶劣的使用条件下寿命长。在实际配比中，P K Mehta建立了混凝土中粗集料、细集料、水和胶凝材料各组分之间的联系,提出了系统化的高性能混凝土配合比设计方法。该方法具有适用范围宽、简捷、准确和易于程序化的特点，该配合比设计方法所配制混凝土的抗压强度与期望值具有良好的一致性。高性能混凝土配合比设计方法由半定量向定量、由经验向科学发展已经逐渐成为一种趋势。配合比设计是混凝土的基础，也是混凝土领域的一个难点问题，为了实现混凝土配合比设计由经验向科学发展，找到其中一些共通的问题，将分别从配合比设计方法和发展趋势两方面介绍近几年国内外的研究进展。

1 混凝土配合比设计方法概述

传统的混凝土配合比设计一般是假定容重法或者绝对体积法，选定水泥标号，通过Bolomey公式可以计算并预测水灰比与强度的关系。下面几种配合比设计方法在此基础上发展或改进而来的。

1.1 基于强度的混凝土配合比设计方法

混凝土作为以力学性能为基础的结构材料，在其配合比设计中首要目标就是强度，由于高性能混凝土的强度较高，水灰比低，影响因素多，因此，通常作为混凝土配合比设计基础的Bolomey公式已不再适用，需要予以修正或者补充。张铁志等[1]在Bolomey公式的基础上，将砂率和设计强度系数作为变化因素，得出适用于C65、C70、C75和C90高强混凝土配合比的最佳砂率和最佳设计强度系数，并进行了验证。周万良等用单纯形重心设计法预测复合胶凝材料抗压强度，然后和设计要求的掺合料混凝土抗压强度一起代入Bolomy公式，就能得到较准确的掺合料混凝土水胶比，再通过体积法就可较准确地求得掺合料混凝土配合比。此法常常拟定预期强度，但设计出来的混凝土硬化强度跟预期容易有较大出入，这也是其不足之处。

1.2 全因子混凝土配合比设计方法

不同于半定量半经验的假定容重法和绝对体积法，全因子设计法的公式里包含所有组分的参数，包括各组分体积、各组分密度、各组分掺量、混凝土配制强度、水泥实测强度、水胶比、单位用水量和砂率，有的还需要加入外加剂掺量进入运算，有时候用到有限元分析的方法。目的是为探索规律，或为同类型的配合比设计提供参考。周梅等[2]利用全因子设计法研究免振捣混凝土，引入了水泥用量、粉煤灰掺量、水胶比、砂率、高效减水剂掺量等参数，得到了以流速、强度等为目标函数的回归方程。邓宗才等研究了水胶比、砂胶比、外加剂掺量、骨料粒径范围、普通水泥及矿物掺和料对超细水泥活性粉末混凝土抗压强度、孔隙率、拌和物流动度的影响。全因子设计法核心在于找齐所有关联参数的变化关系并构造公式，从而解决某一类混凝土的配合比设计问题，而对于组分不同或者用途不同的其余配合比设计，则用处不大。

1.3 基于致密堆积的混凝土配合比设计方法

混凝土各组分有体积相加性，粗骨料空隙由干砂浆填充，干砂浆由水泥、掺合料、砂和空隙组成，干砂浆空隙由水填充。以此建立颗粒的致密堆积模型，进行混凝土的配合比设计。陈晋栋等[3]基于可压缩堆积模型进行透水混凝土的配合比设计，建立了集料在透水混凝土中的堆积密实度与其干堆积密实度之间的关系，进而确定出单位体积透水混凝土的集料用量。Chang P K[4]通过致密混合物设计算法结合实验结果，发现了水固比对混凝土的体积稳定性有重要影响，为混凝土的耐久性设计提供参考。在自密实混凝土方向，王旭浩通过改善混凝土系统的颗粒堆积，在减少20%胶凝材料用量的情况下使混凝土保持同样的力学性能。Hettiarachchi优化了集料堆积模型，保证所生产混凝土砌块强度的同时优化其含水量。Thunuguntla等基于颗粒堆积理论进行了碱矿渣混凝土的配合比设计，骨料采用颗粒堆积理论进行配比，使得混凝土孔隙率较低，提高混凝土耐久性。采用致密堆积理论指导配合比设计，需要对原材料的堆积参数进行详细测试，同时对原材料的均匀度有较高要求，这点在实际工程中体现较为明显，因为不同批次的原材料容易出现不够均一的情况。

1.4 基于计算-试配的混凝土配合比设计方法

在有一定以往经验的基础上再进行配合比设计，一般先结合以往数据，根据设计目标进行试配，通过试配后发现某一个或者某几个性能有所偏差，再通过调整配合比予以修正，一般会用正交实验的方法，最终得到理想配合比。

由于不同流变类型混凝土胶结材浆体的流动性、黏性以及粗集料级配与用量差别很大，为方便设计，傅沛兴[5]提出了不同流变类型混凝土浆体量范围与拌和用水量的选取方法，建立了4个集料连续级配计算式，计算出各种流变类型混凝土的适宜粗集料用量。李铭等[6]通过参考以往工程配比，对矿渣基水泥混凝土路面修补材料进行不断的试配并优化，得出修补材料、水、细集料、粗集料和外加剂的最优配比。在沿海地区，需要采用高强度高性能混凝土来克服静、动荷载以及氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等不同情况下的环境荷载引起的劣化。这种先计算，再试配调整，最终得到合适配比的方法应用较多，为半定量半经验式方法，优点是可以在基准配合比的基础上变通，其不足之处在于较为繁琐，需要时间成本和人力成本，且对操作人员的技术水平有一定要求。

1.5 基于骨料裹浆厚度的混凝土配合比设计方法

混凝土的性能受骨料表面裹浆厚度的影响较大，裹浆太薄则影响混凝土工作性能和力学性能，太厚同样会影响力学性能。在理想的混凝土设计模型中，骨料外围包裹的水泥浆体厚度应当适宜。

基于骨料裹浆厚度，贺图升等[7]根据强度要求设定骨料裹浆厚度与水灰比，再计算出水泥浆体体积与水泥用量，最后用减水剂来调整透水砖拌和物的工作状态，提出了一种水泥基透水砖配合比设计方法。随着水胶比的增大，骨料裹浆厚度受减水剂用量的影响越大；在水胶比一定时，骨料裹浆厚度随减水剂用量的增加而变小。黄凯健等[8]在基于粗骨料紧密堆积理论的基础上采用了考虑粗骨料包裹层厚度的配合比设计方法，使混凝土强度及工作性能表现更佳。基于裹浆厚度的设计方法出发点多为混凝土流动性，核心在于计算使混凝土达到目标流动性的最低裹浆厚度，然后通过调整裹浆厚度平衡流动性和硬化强度。

2 配合比设计前沿进展

2.1 功能性混凝土配合比设计

出于用途需要，混凝土在设计时需要考虑某些功能性参数，诸如以自流平为主要设计目的，或者以耐久性为设计目的等等。陈瑜等[9]根据多孔混凝土路用性能和功能性要求，提出了基于目标孔隙率的多孔混凝土配合比设计方法，推荐了配合比参数的合理范围。施惠生研究认为水灰比为机场道面混凝土配合比设计中的首要考虑因素，并发现水灰比与混凝土抗折强度具有良好的线性关系。自密实混凝土是近30年来发明和得到广泛应用的混凝土，由于其优越的工作性能和良好的耐久性而在土木工程各个领域受到越来越多的重视。配制自密实混凝土的关键是使其流动性和抗离析性相统一，即保证混凝土拌合物在大流动性条件下,骨料能够悬浮于水泥浆中，使整体具有较好的和易性。

为使混凝土满足某特定使用性能，对其配比进行针对性设计是现今发展趋势，从设计源头对混凝土进行功能性分类，可以极大方便混凝土的实际使用。

2.2 基于使用环境的配合比设计

在进行混凝土配合比设计时，往往都采用适宜的温度、适宜的养护条件等较为标准的条件，然而在混凝土的施工过程中，环境条件是多变的甚至极端的，此时就需要考虑混凝土在不同环境下的设计问题。

我国北方地区气候寒冷，通过模拟冬季施工环境，调整混凝土配合比，在满足混凝土强度要求前提下，找出最适宜的干混抗冻混凝土配合比。在高原冻土地区施工，对混凝土的抗冻性提出更严格的要求，胡佐平等[10]研究了水胶比、胶凝材料用量、矿物掺合料种类和掺量等配合比关键参数对C30桩基混凝土抗压强度和抗冻性能的影响规律，建议水胶比不大于0.45，胶凝材料用量不低于380 kg/m3，并采用10%粉煤灰和5%硅灰复掺。而铁路混凝土配合比设计更为复杂，不仅要考虑抗冻性，还要考虑抗裂性、耐磨性、抗碱-骨料反应、耐蚀性、抗渗性等性能。应选择骨料级配最大粒径、选择孔隙率较小密度最大的级配组合并适当加入掺合料。

在炎热环境下，考虑到高温对水化反应速率的影响，以及高温带来的水分快速蒸发，必须对混凝土配合比进行适应性调整。研究水胶比、骨胶比和砂率的不同变化，通过适宜的配合比来消除炎热天气对抗压强度的不利影响，Soudki等在三个温度水平下对48个组分进行排列组合(共432个配合比)进行全因子试验，在统计分析的基础上，对不同温度下的最佳混凝土配合比以及对温度变化最不敏感的配合比提出了建议。基于使用环境，对混凝土进行因地制宜、因时制宜的设计调整是必要的，通过对这一类问题的研究，可以更好地服务于混凝土在不同地区的实际使用。

2.3 利用数学工具辅助配合比设计

利用以往的配合比数据绘制拟合图表，或提炼出拟合公式，可以为将来的配比提供较可靠参考。马士宾等运用数理统计软件对试验数据进行相关性分析和回归分析并建立各变量的回归方程，根据所需浆体性能指标对各回归方程进行寻优处理，得出浆体的最优配合比。Nazari通过规范化的非线性权重函数，使得抗压强度与配合比设计时的某一个参数线性相关，探索规律指导配合比设计。Qasrawi等[11]使用和易性分散粘结法设计混凝土配合比，建立和易性分散系数与和易性粘聚力系数，为配合比设计中遇到的变量建立简单的线性关系。科学利用数学工具参与到混凝土配合比设计，这是进行科学设计的必然要求，探索理论内核并选取合理的数学工具指导配合比设计，是混凝土配合比设计的科学发展方向。

2.4 基于新算法的配合比设计与预测

随着计算机技术的发展进步，各领域都在应用计算机来辅助自身发展。将混凝土各组分及其性能量化成参数，设计算法并利用计算机的运算能力模拟合适的配合比。通过模糊逻辑系统来进行混凝土配合比设计，模糊逻辑系统是一种用取值区间代替具体取值的计算系统，系统的输入数据为坍落度、骨料最大粒径、混凝土抗压强度和细度模数，输出数据为水、水泥、细骨料和粗骨料的用量。柯杨等[12]选用合适模型，建立起相应的程序来辅助推导混凝土设计。Lim等[13]利用遗传算法这一以生物进化过程自然选择和自然遗传学为基础的全局优化技术，提出了高性能混凝土配合比的设计方法。Phan基于贝叶斯概率方法建立了混凝土配合比设计性能的满意度概率曲线(0～100%)，作为指定性能标准值和指定材料参数的函数，用于结构抗震设计和损伤评估。

混凝土配合比设计的发展要跟计算机的发展紧密结合起来，利用好计算机在计算方面的独特优势，可以通过计算机的庞大分析能力，探索到人力无法发现的规律。

3 结 语

a.配合比设计方法众多，可大致分类为基于强度设计、全因子设计、基于致密堆积设计、基于计算-试配设计以及基于骨料裹浆厚度设计五个种类，每一种方法都有其相应的优缺点，要合理选择。

b.配合比设计有着较丰富的前沿发展方向，包括功能性设计、基于环境设计、利用数学工具设计以及运用新算法设计等，在更贴近工程实际的同时又更具有科学性。

综上分析，各混凝土配合比方法或多或少存在一些缺点，使得混凝土配合比设计更贴近工程实际，混凝土配合比设计有更统一的理论指导以及混凝土配合比设计更为科学简便是现代混凝土发展所亟待解决的问题。