混凝土配合比快速设计办法

董 浩 王昱涵

（青岛鲁碧混凝土工程有限公司，山东 青岛 266100）

1 引言

为快速设计普通混凝土的配合比，满足工程设计和施工要求，保证混凝土工程质量，达到经济合理，制定了本混凝土快速设计办法。本设计办法适用于铁路、桥梁、公路、市政等工程结构物所采用的普通混凝土配合比设计。本设计办法的中心思想为：

（1）让从事混凝土行业的工作人员熟悉掌握混凝土配合比设计的整个流程，掌握混凝土配合比中每个因素的重要性（如水灰比、单方用水量、砂率、胶凝材料总用量、掺合料掺量、石子分级比例等）。

（2）通过配合比设计和试拌，让每个从事混凝土行业的工作人员清楚地知道每个因素变化对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能的影响，且必须将相关数据和分析结果详细地记录下来。

（3）如何将理论设计配合比（设计配比）转化成实际配合比（最终配合比或生产配合比），主要是如何将设计配合比和实际配合比两者中的相应数据对应起来。

（4）让从事混凝土行业的工作人员详细地理解混凝土配合比是否合理对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能的影响，使从事混凝土行业的工作人员能够找出各自企业或集团中影响混凝土性能的重要因素，并将相关信息详细地记录下来。

（5）本文的目标是使工作人员通过配合比快速设计掌握企业或集团混凝土的相关信息（如地材对混凝土性能的影响、外加剂使用情况等），从而对混凝土后期的生产过程提供技术支持。

（6）本文所有的数据和分析结果等需详细填写在《混凝土配合比快速设计记录表》中。

2 前期调查

（1）通过该企业或集团技术中心已有资料查找混凝土的有关试验数据，且仔细查看所有资料内容，包括混凝土配合比设计报告书、试验用材料信息、减水剂使用记录、各种工程实例报告、特殊工程各种事故解析及处理过程等，从而掌握大量信息。

（2）统计工程相应环境等级和环境条件，从而确定混凝土配合比设计过程中掺合料的掺量和水胶比的指标参数。

（3）统计工程中混凝土的实际用量、混凝土标号，便于配合比快速设计时调整外加剂的掺量，在特殊范围内尽可能将混凝土方量大的控制在适当掺量。

（4）统计混凝土配合比设计的数量、工程部位、混凝土标号，验证混凝土配合比时的试件成型组数、种类和试模数量，以便提前计划。

（5）确定相应混凝土各等级的初始坍落度和含气量指标，以确定坍落度损失要求和是否允许超出设计范围，以及含气量的规定范围。

（6）确定该企业或集团中所有试验用材料的产地、类型、规定，掌握各种试验用材料各项指标原始记录和试验结果分析报告（可以参照以前地材使用情况），并找出质量波动较大的一种或几种试验用材料。

3 混凝土配合比设计步骤

3.1 配制强度的计算过程

配制强度（混凝土）按以下公式计算：

当施工部位为水下桩混凝土时，根据国家标准《铁路混凝土施工质量验收标准》中“水下混凝土配合比设计要求，其混凝土配制强度应较普通混凝土的配制强度提高约15%”的规定，其配制强度（混凝土）按以下公式计算：

根据混凝土强度设计等级选取σ的相应数值。

3.2 混凝土水胶比的计算过程

混凝土水胶比按以下公式计算：

根据所用石的类型（碎石或卵石）选取αa和αb的数值。

fb为胶砂实测28d抗压强度的数值，如果无相关数据，可按以下公式计算：

λc为所用水泥的富余系数，λf、λk分别为粉煤灰或矿渣粉的取代系数，fce为所用水泥的强度标号。

根据实际经验可知：λc、λf或λk三者的取值应严格控制在行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）的规定范围内，适当情况下，λc、λf或λk三者的取值也可以根据计算需要进行调整（最终结果水灰比应接近实际经验值），并做好记录，如说明λc、λf或λk最终取值的根本原因。

最后，需要评定水灰比结果是否符合耐久性的规定。

3.3 混凝土单方用水量的确定方法

根据所用石子的类型、工程特点、结构类型、环境条件和类型、坍落度要求等，选取混凝土的单方用水量mw0。

根据经验可知：计算人员在确定混凝土单方用水量mw0时，一定要提前了解所有相关因素。例如，胶凝材料（水泥或粉煤灰）需水量发生变化时，砂含泥量偏高；断桩或级配不好时，需对混凝土单方用水量进行调整；当所用砂为机制砂或混合砂或铁尾矿砂时，由于其与河砂混凝土单方用水量有区别，在配制时要充分考虑石粉或泥块含量吸附水的因素，从而确定混凝土单方用水量是否需要提高，并将有关信息详细记录下来。

3.4 混凝土胶凝材料用量的计算过程

混凝土胶凝材料总用量按以下公式进行计算：

矿物掺合料粉煤灰（或矿渣粉）掺量的确定，粉煤灰用量按以下公式进行计算：

水泥用量按以下公式进行计算：

根据实际经验可知：矿物掺合料的掺量应严格按照行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），铁路、公路、市政相关的国家标准和行业标准，相关工程设计规定，年限设计、环境等级和混凝土耐久性规定等执行；当所用粉煤灰或矿渣粉质量非常差或质量波动较大时，尽量降低粉煤灰或矿渣粉的用量，并做好相关数据记录。

最后，评定水泥用量、粉煤灰或矿渣粉掺量是否符合相关工程设计、混凝土耐久性、环境类型和等级等规定。

3.5 混凝土砂率的计算过程

根据所用石的类型、粒径最大范围、混凝土水胶比，确定合适的混凝土砂率。

根据实际经验可知：混凝土配合比计算人员在确定混凝土砂率时，必须了解所有影响因素。例如，砂的细度模数大小、级配是否合理（是否断档）、含泥量或石粉含量、泥块含量、表观密度、坚固性、堆积密度和空隙率等指标信息；当砂为机制砂或混合砂或铁尾矿砂时，由于其含量较高、级配较差，故与河砂混凝土砂率取值有很大区别，在配制机制砂或混合砂或铁尾矿砂混凝土时，要充分考虑石粉（泥粉）含量、泥块含量、颗粒级配、颗粒形貌、细度模数、压碎值、坚固性、表观密度、堆积密度和空隙率等因素的影响，要详细记录河砂或机制砂或混合砂或铁尾矿砂的所有相关数据。

3.6 混凝土砂和石用量的计算过程

（1）体积法。砂石的用量分别按以下两个公式计算：

其中，ρc、ρf、ρs、ρg1、ρg2、ρw分别代表水泥、粉煤灰、砂、石1、石2、水的密度（表观密度），α为空隙率，通常根据混凝土含气量取值。

根据实际经验可知：所有材料的密度或表观密度一定为实测值，必须为混凝土技术人员亲自试验所得数据，尤其是砂石的表观密度必须真实，严禁使用其企业或资料里的试验数据；当所用石子的厂家或类型或产源有好几个时，需要分别对所有石子进行试验检测，并做好原始试验数据记录。

（2）质量法。砂石的用量按以下两个公式进行计算：

mcp代表单方混凝土拌合物的设定重量，一般取 2 350～2 450kg/m3。

根据实际经验可知：通常计算混凝土配合比时，大部分按体积法设计，在条件允许的情况下，可以同时使用体积法和质量法，最终将两者的计算结果结合起来。

最后，计算出砂（ms0）、石（mg10）、石（mg20）用量。

3.7 混凝土减水剂用量的计算过程

根据实际工程设计要求、混凝土强度标号、混凝土工程类型、环境类型和等级等，确定相应混凝土的减水剂掺量，减水剂的用量按以下公式进行计算：

最后，得出减水剂的用量。

3.8 得出混凝土初步配合比

通过以上计算，得出混凝土的初步配合比，详细情况记录见表1。

表1 混凝土初步配合比（kg/m3）

4 混凝土配合比试拌和调整过程

4.1 混凝土配合比所用原材料的再次确定

（1）确定所用水泥的种类、等级、生产厂家，以及各项性能指标是否合格。

（2）确定矿物掺合料的类型、等级、生产厂家，以及各项性能指标是否合格。

（3）为保险起见，计算试验所用砂石最好是干砂石（基本没有水）。

试验的所有原材料必须提前24h之前放在混凝土实验室保存，否则不可使用。

4.2 试拌混凝土

（1）记录试验室温、湿度。

（2）计算试拌试验所用混凝土用量，通常为15～25L之间，要在混凝土搅拌机控制范围内。

（3）试拌混凝土时的砂石最好全部干燥，以免影响试拌效果。

（4）试验前检查混凝土搅拌站是否正常工作。

（5）称量各种实验用原材料，并严格控制在计量误差范围内。

（6）先将粗、细骨料和胶凝材料放入搅拌机干拌10s以上，再加水和减水剂进行拌和。

（7）混凝土搅拌时间控制在120s以上。

（8）出机的混凝土需人工翻拌均匀，再测定混凝土各项指标（如坍落度及损失、含气量、流速、表观密度、压力泌水率等），最后对混凝土工作性能（流动性、柔和性、黏聚性、包裹性、是否泌水和巴底等）进行判断和记录。

4.3 混凝土配合比调整过程

（1）根据试拌混凝土的试验结果，找出混凝土不合格指标的影响因素。

（2）查看混凝土配合比是否有问题，如混凝土配合比中三大因素（水灰比、单方用水量和砂率的取值）是否有问题，可通过调整任何一个或两个因素，重拌混凝土，观看混凝土工作性能是否改善。

（3）根据上一过程的调整，确定基础混凝土配合比，然后对减水剂配方进行优化，如改变减水剂母液类型和比例搭配、更换引气剂、更换消泡剂、更换增稠剂、更换缓凝剂种类等，观看混凝土工作性能是否改善，最后综合分析确定减水剂的最佳配方。

（4）对基准混凝土配合比、减水剂最佳配方进行验证，测试混凝土工作性能（坍落度及损失、含气量、表观密度、流速、流动性、柔和性、黏聚性、包裹性等），并对混凝土配合比、减水剂最终配方进行微调，使混凝土工作性能（坍落度及损失、含气量、表观密度、流速、流动性、柔和性、黏聚性、包裹性等）都能满足相关工程、国家或行业标准规范等的规定。

（5）再次验证过程（1）～（4），对所有标号混凝土配合比进行试拌和确定工作，找出混凝土配合比和减水剂的最佳配方。

将混凝土配合比调整的问题和现象清楚、完整地记录下来，为混凝土生产和技术服务提供依据。

5 试件成型和结果评定

5.1 试件成型

首先，根据各标号混凝土所处环境等级、工程部位、设计年限等，确定各类型标号混凝土所需成型的试块类型和试块组数，如强度试块（1d、3d、7d、28d和56d等）、耐久性试块（弹性模量、抗渗、抗冻、碳化、抗硫酸盐腐蚀等）；然后，成型各类混凝土试块，并进行标准养护。

5.2 结果评定

首先，对混凝土试块各龄期的强度、耐久性进行测试，并将试验结果详细记录下来，其详细记录表格见表2。然后，对各性能试验结果进行结果判断，若各指标结果偏差较大，需要调整混凝土配合比的相关因素，重复进行试验，直至混凝土各性能指标试验结果都合格为止。

表2 各标号混凝土强度和耐久性试验结果

混凝土的各龄期强度和耐久性指标必须是真实值，其数值的真实性影响配合比的最终确定工作。

6 数据整理和分析

6.1 数据统计

统计出所有混凝土最终配合比，找出外加剂最佳配方，见表3。

表3 混凝土最终配合比和外加剂最佳配方（kg/m3）

6.2 数据分析

设计配合比的过程中，需要对一些数据进行分析，主要是配合比因素调整和外加剂配方调整的原因，并做好详细记录，如：

（1）混凝土出现泌水或巴底的原因及解决办法。

（2）混凝土和易性太差、含气量不合格的原因和解决办法。

（3）混凝土柔和性差的原因和现象。

（4）混凝土黏度不正常的原因和解决办法。

（5）混凝土坍落度损失大的原因和解决措施。

（6）减水剂配方调整的原因和调整后结果。

（7）混凝土中各因素变化的主要原因（如单方用水量变化）。

其混凝土配合比快速设计办法中，详细情况记录见表4。

表4 混凝土配合比快速设计记录表