水泥混凝土配合比设计及其性能试验检测研究

伏永洪，滕龙祥

（四川华腾公路试验检测有限责任公司，四川 成都 611730）

0 引言

水泥混凝土因其良好的抗压强度、出色的耐久性、稳定的性能以及便捷的施工性，成为现代建筑行业中应用较多的建筑材料之一。但水泥混凝土的性能易受各种因素的制约，其中配合比设计最为关键。配合比设计是一个综合性的过程，需要根据具体的工程需求和材料特性，精准地选择和调配水泥、骨料、掺合料和水的比例，以获得性能最优的水泥混凝土[1]。配合比的合理性对混凝土的强度、耐久性、施工性能等多个方面起着决定性作用，进而对整个工程的质量和安全产生深远影响。因此，研究水泥混凝土配合比设计及其性能试验检测有重要意义。

1 水泥混凝土性能评价指标

1.1 强度性能

水泥混凝土的质量评估中，强度特性是一个至关重要的指标。主要包括抗压强度和抗弯强度。

抗压强度指的是在受到垂直于其表面的压力作用时混凝土能承受的最大应力，是判断混凝土结构负载能力的重要标准。抗折强度也被称为弯曲强度，指的是在弯曲力作用下混凝土能承受的最大应力。这一关键指标对于评价混凝土构件在承受应力时的抗裂能力至关重要。

1.2 耐久性能

耐久性是在不同环境条件下水泥混凝土长期稳定性的一种反映。主要评价指标有：抗渗性。混凝土对水分渗透的抵抗能力，抗渗性的良好与否直接关系到水分和有害物质是否能侵入混凝土内部，是保证其耐久性的重要指标；抗冻性。在低温环境下混凝土抵抗冻融循环的能力。在寒冷地区或需要冬季进行施工的项目，尤其需要考虑混凝土的抗冻性；抗碳化性。混凝土对二氧化碳侵蚀的抵抗能力。混凝土碳化后会降低其碱度，进而对其耐久性产生影响[2]。

1.3 工作性能

工作性能是衡量在施工过程中水泥混凝土质量均匀性和可操作性的重要指标。主要评价指标：①和易性。指在搅拌、运输和浇筑过程中混凝土能保持均匀性的能力。优良的和易性有助于保障混凝土在制备过程中质量均匀分布，达到紧密的结构。②流动性。指在外力作用下混凝土的流动特性。混凝土的流动性决定了施工时的难易程度，对于那些需要复杂浇筑结构的工程，混凝土流动性好也更便于施工。

2 水泥混凝土配合比设计优化

2.1 基于性能要求的配合比设计优化方法

水泥混凝土配合比的设计优化，首先需要根据工程的特定的强度、耐久性、工作性或其他性能指标确定最优目标。根据这些要求常用以下两种配合比设计优化方法[3]。

（1）正交试验法。正交试验法是一种通过正交表来规划实验方案的方法，能够全面而系统地探究多种不同因素对水泥混凝土性能的影响，进而更高效地找到水泥混凝土的最优配合比。

（2）数理统计法。利用如回归分析、方差分析等数理统计的原理和方法，可有效处理和分析试验数据，以探究对水泥混凝土产生影响的主要因素，以此为依据进行配合比优化设计。

（3）人工智能方法。如神经网络和遗传算法等先进的机器学习技术，能够模拟水泥混凝土性能与其配合比之间的复杂非线性关系，从而快速处理和分析大量数据，通过调整参数，寻找最优的混凝土配合比。

2.2 不同掺合料对水泥混凝土性能的影响及优化策略

在水泥混凝土中，掺合料发挥着至关重要的作用，其类型和掺入量对水泥混凝土的性能具有显著影响。例如，硅灰有增强混凝土强度和耐久性的作用，但掺量较多可能会影响混凝土的工作性。所以需要根据掺合料的不同采取针对性的优化策略。具体来讲需要根据材料特性和工程需求选择最适宜的掺合料，然后通过试验确定最佳掺量，最大程度发挥掺合料性能。如果需要用到多种掺合料，则需要考虑其协同性，以实现性能的最佳化。

2.3 配合比设计优化在实际工程中的应用案例

某高速公路工程要求使用具有高强度和良好的耐久性的混凝土。施工团队为了达到这些目的，对其配合比进行了设计优化。首先采用正交试验法对不同配合比下混凝土的性能表现进行了研究，采用数理统计法详细分析了试验结果，找出了主要影响混凝土性能的因素。最后对其配合比做了调整，并应用于具体工程实践中。结果发现，经过配合比优化后，混凝土的强度不仅达到了工程要求，还提高了工程质量和效率，节约了成本。

从稳中向好发展态势看我国经济良好前景……………………………………国家发展改革委国民经济综合司（6.4）

该案例说明，在实际工程中基于性能要求对配合比的设计进行优化应用前景较好。

3 水泥混凝土性能试验检测方法

3.1 水泥混凝土试样的制备与养护

水泥混凝土性能试验需以水泥混凝土试样的制备与养护为基础。需按照预定的配合比合理控制水泥、骨料、掺合料和水含量，搅拌机充分搅拌后倒入试模，通过密实振动避免试样内部产生空隙。试样制备好后需要在标准条件下养护28d[温度一般为（20±2）℃，相对湿度＞95%]，以保证混凝土可达到预期设定的强度并实现性能持续发展。

3.2 强度性能的试验检测

水泥混凝土的最基本性能之一是它的强度性能，一般通过进行立方体抗压强度试验和抗折强度试验来评价和测量。

立方体抗压强度试验主要用来测定在受压状态下混凝土立方体试件的极限强度。立方体试件的大小通常为150mm×150mm×150mm，以规定的速率在压力试验机上对其施加压力，直到试件出现破损。然后记录其最大破坏压力，计算出混凝土的抗压强度。抗折强度试验主要用来测量受到弯曲作用下混凝土的强度。一般是梁形试件，大小为150mm×150mm×550mm，在抗折强度试验机上施加集中载荷，使试样在弯曲状态下发生破坏。然后记录此时试件的尺寸和荷载，计算出混凝土的抗折强度[4]。

3.3 耐久性能的试验检测

水泥混凝土的耐久性是指其在长期使用过程中抵抗如水分、温度、化学侵蚀等外界环境因素的能力。为了评估这种耐久性，一般会进行抗渗透性测试、抗冻融性试验以及抗碳化性能测试等耐久性试验。

抗渗性试验主要用来对混凝土抵抗水分渗透的能力进行评估。即在特定水压下混凝土不发生渗透所能承受的最大水压值，一般会采用渗透仪法或渗水深度法进行检测。抗冻性试验主要用来对在冻融循环作用下混凝土的耐久性进行评估。通过一定次数的冻融循环后，通过比较试件的质量变化或强度损失情况来判断混凝土的抗冻性能。抗碳化性试验用来测量判断混凝土抵抗二氧化碳侵蚀的能力。即把试件放置在碳化试验箱内，暴露于特定浓度的二氧化碳环境中。经过一定的时间后，通过测量其碳化深度来评估混凝土的抗碳化性能。

3.4 工作性能的试验检测

工作性能指的是在施工过程中水泥混凝土的流动性和可操作性。例如，坍落度试验和维勃稠度试验均为常见的工作性能试验检测方法。

新拌混凝土的流动性测定一般采用坍落度试验，即把混凝土试样放置在坍落度筒中，把筒体提起后观察混凝土试验的坍落程度和扩展直径，以评估其流动性；新拌混凝土的稠度测定通常采用维勃稠度试验，主要用维勃稠度仪对振动作用下混凝土试样的稠度值进行测定，以判断其工作性能。

4 水泥混凝土配合比设计与性能试验检测的关系

4.1 配合比设计对水泥混凝土性能试验检测结果的影响

4.2 配合比设计调整与优化

性能试验检测结果是对混凝土配合比进行优化设计的关键指标。通过分析和比较试验结果，可以了解混凝土在一定配合下的性能，并根据具体情况做出合理优化调整。例如，当试验结果显示混凝土的抗压强度未达到预期时，可以考虑增加水泥的使用量，或者选择使用强度等级更高的水泥来提升其抗压强度；如果试验结果显示混凝土的耐久性较差，则可以添加适量的掺合料，提高其抗冻性、抗碳化性和抗渗性；对于工作性能较差的混凝土，可以通过改变骨料的粒径分布或适当调整水的添加量提高其性能。

另外，通过采用数学模型预测和对试验检测结果进行统计分析，可保证配合比设计的优化更加科学合理。工程师可以在满足工程需求的情况下借助这些方法高效、准确地确定水泥混凝土的配合比[5]。

5 工程实例分析

5.1 典型的桥梁或建筑工程案例

某座大型高速公路上的XX 大桥位于亚热带地区，该桥结构为预应力混凝土连续箱梁结构，设计使用寿命为100 年，主要用来承受繁重的交通压力，并抵御该地区高温、多雨、干湿交替等特有的气候。

5.2 水泥混凝土配合比设计的过程

项目部门根据交通流量预测和桥梁设计规范确定了混凝土所需的抗压强度、抗折强度，抗渗性、抗碳化性和坍落度。因为该地区的气候特点比较特殊，所以还考虑了混凝土的抗热、抗裂和抗化学侵蚀能力。最后决定采用早期强度高，具有较好的抗硫酸盐侵蚀性的硅酸盐水泥，使用级配良好、粒径合理分布的骨料，以提高混凝土的耐久性和密实度。在此过程中还考虑掺入适量的粉煤灰、硅灰等矿物掺合料，提升混凝土的抗裂性。

根据这些材料和工程实际需求，项目部通过分析初步确定了水泥、骨料和掺合料的比例，设定了水灰比。然后制备了多组配合比不同的混凝土试样，进行强度、耐久性和工作性能试验。并综合试验结果，对配合比进行了合理调整，促使混凝土的性能得到进一步优化。

5.3 性能试验检测结果与工程表现

通过立方体抗压强度试验得出，混凝土抗压强度符合甚至超出设计要求；抗折强度试验说明，混凝土的抗折性能较强，对于重载交通有良好的承载能力；耐久性试验得出，混凝土的抗渗性、抗碳化性和抗化学侵蚀能力较强；工作性能试验显示，混凝土坍落度适中，使得施工过程更加容易。

从桥梁建成投入使用后，经过多年运行，混凝土的性能仍然比较稳定，没有明显退化情况。相关部门重视定期检测和维护桥梁，结果显示混凝土的耐久性和强度较好。而且桥梁混凝土在高温、多雨季节等极端气候条件下也没出现明显的化学侵蚀或热裂损伤。XX 大桥水泥混凝土配合比设计综合考虑到桥梁的使用要求、材料性能和地区气候条件，保证混凝土具有良好的性能。性能试验检测验证了配合比设计的有效性。工程在实际应用混凝土的过程中表现出显著的耐久性，为桥梁长期安全使用奠定了坚实基础。这一案例充分说明了在桥梁工程中水泥混凝土配合比设计的重要性[6]。

6 结语

在水泥混凝土工程中，水泥混凝土的配合比设计及其性能试验检测研究具有不可忽视的作用，是确保工程质量与安全的关键因素。合理的配合比设计是混凝土性能达标的基础，而性能试验检测则是检验配合比设计有效性的关键环节。两者相互促进，共同保障水泥混凝土工程的高质量与安全性。未来随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，水泥混凝土的配合比设计及其性能试验检测研究将会面临更多的机遇与挑战。需要相关部门携手创新，共同促进水泥混凝土工程领域的技术发展与进步，为建设更加环保、安全的工程做出贡献。