配合比設(shè)計改-廉慧珍

1、關(guān)于混凝土配合比選擇方法的討論之二：關(guān)于當(dāng)代混凝土配合比要素的選擇和配合比計算方法的建議廉慧珍 李玉琳清華大學(xué)土木水利學(xué)院 北京中宏盛建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司摘要： 當(dāng)代混凝土配合比選擇的內(nèi)容實際上是水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻和料在膠凝材料中的比例等四要素的確定，以及按照滿足施工性要求的前提下緊密堆積的原理的最后計算方法。對于有耐久性要求的混凝土，這四要素的原則都能以混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計給出的混凝土技術(shù)要求為根據(jù)來確定。調(diào)整配合比時，應(yīng)采用等漿體體積法，以保證混凝土的體積穩(wěn)定性不變。關(guān)鍵詞：混凝土配合比 水膠比、砂石比、漿骨比、摻和料 等漿體體積法1 前言 多年來多數(shù)混凝土工作者習(xí)慣于

2、根據(jù)自己的經(jīng)驗，用最簡單的方法計算混凝土配合比?；炷恋闹谱鞴に嚳此坪唵危绻粷M足強度和拌和物流動性要求，“怎么都能配出來”。但是對單方混凝土各組成材料質(zhì)量和進行簡單化的假定，實際上當(dāng)原材料組成變化后，按假定的單方質(zhì)量所計算的混凝土不是“脹方”就是“虧方”；只滿足流動性要求的拌和物離析、泌水現(xiàn)象普遍?；炷帘緛砭褪且环N從細觀到粗觀都是高度非均質(zhì)的多項復(fù)雜體系，由于原材料的變化和對混凝土性能要求的提高，現(xiàn)今的混凝土越來越復(fù)雜，現(xiàn)行簡單化的方法已不再適用，需要進一步科學(xué)化。盡管混凝土配合比不能決定混凝土的最終質(zhì)量，而得到高質(zhì)量的混凝土配合比畢竟是當(dāng)前人們所追求的。什么是“高質(zhì)量”？按1999年A

3、CI對高性能混凝土的定義，應(yīng)是“符合特定工程性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土”1。這個定義當(dāng)然指的是最終質(zhì)量，然而，高質(zhì)量的配合比卻是前提。“符合特定工程性能組合”是不言而喻的，勻質(zhì)性則是很高的要求，不僅拌和物不離析、不泌水，而且硬化后也具有較高的體積穩(wěn)定性，能較長期地抵抗環(huán)境作用引起的劣化，按照傳統(tǒng)方法難以做到。任何新的觀念和技術(shù)的提出，總是會遭到習(xí)慣思維的抵抗，只有改變思維方法和觀念，才能使我們“與時俱進”。誰先做到誰領(lǐng)先。現(xiàn)行當(dāng)代混凝土的特點是普遍摻入礦物摻和料和高效減水劑?；炷林兴?、水泥、砂、石四種原材料中增加了礦物摻和料，因此傳統(tǒng)的配合比三要素水灰比、漿骨比、砂石比，就成為水膠比、漿骨

4、比、砂石比和礦物摻和料用量等四要素。配合比中需要求出的未知數(shù)由傳統(tǒng)的4個變成5個。最后由各材料在滿足施工要求的前提下緊密堆積的原理，用絕對體積法計算出各材料用量。不考慮外加劑占據(jù)混凝土的體積，則各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響可用圖1來描述。圖1 混凝土各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響由圖可看出，混凝土配合比四要素都影響拌和物與硬化混凝土性能，當(dāng)決定混凝土強度和密實性的水膠比確定之后，所有要素都影響拌和物施工性能。施工是保證混凝土質(zhì)量的最后的和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，則考慮漿體濃度的因素、按拌和物的施工性能選擇拌和物的砂石比與漿骨比，就是混凝土配合比選擇的主要因素。其中漿骨比是保證硬化前后混凝土

5、性能的核心因素。無論是改變水膠比，還是礦物摻和料用量，調(diào)整配合比時應(yīng)使用等漿體體積法，以保持漿骨比不變。我國混凝土年產(chǎn)量可占到全世界的一半，質(zhì)量卻相對落后。例如，全世界只有我國使用“假定容重法”計算混凝土配合比，也只有我國使用絕干基的砂石生產(chǎn)混凝土，造成我國混凝土質(zhì)量控制的困難。由于混凝土原材料的波動和使用環(huán)境和條件的不確知性與不確定性，并不存在普遍適用的配合比，在本文中所介紹的方法只是一種推薦，相信會有更多方法可以使用，但是原理和原則應(yīng)當(dāng)是更科學(xué)與更便于質(zhì)量控制的2。和施工技術(shù)一樣，“混凝土配合比設(shè)計”不適于制訂成規(guī)范。設(shè)計提出的混凝土性能技術(shù)要求所要求的也只是性能而不是組成（perform

6、ance based specification）。希望與大家為不斷為提高混凝土的技術(shù)與質(zhì)量而共同努力，在實踐中不斷修正已有的知識、觀念和方法，不僅在產(chǎn)量上，而且在技術(shù)和管理水平上盡快走向先進。相信目前“做不到”的事，只要大家齊心努力，外國人能做到的，我們也都能做得到。為便于與讀者溝通，給出所推薦配合比選擇與計算的實例，共參考和討論。2 確定混凝土配合比的原則2.1按具體工程提供的混凝土技術(shù)要求選擇原材料和配合比2.2 注重骨料級配和粒形，按最大松堆密度法優(yōu)化級配骨料，但級配后空隙率應(yīng)不大于42%；2.3 按最小漿骨比(即最小用水量或膠凝材料總量)原則，盡量減小漿骨比，根據(jù)混凝土強度等級和最小

7、膠凝材料總量的原則確定漿骨(體積)比，按選定的漿骨比得到1m3混凝土拌和物漿體體積和骨料體積；計算骨料體積所使用的密度應(yīng)當(dāng)是飽和面干狀態(tài)下所測定的；2.4按施工性要求選擇砂石比，按混凝土技術(shù)要求中的混凝土目標(biāo)性能確定礦物摻和料摻量和水膠比。2.5 分別按絕對體積法用漿體體積計算膠凝材料總量和用水量；用骨料體積計算砂、石用量。調(diào)整水膠比時，保持漿體體積不變。2.6 根據(jù)工程特點和技術(shù)要求選擇合適的外加劑，用高效減水劑摻量調(diào)整拌和物的施工性。2.7 由于水泥接觸水時就開始水化，拌和物的實際密實體會積略小于各材料密度之和，則當(dāng)未摻入引氣劑時，可不考慮攪拌時挾入約1%的空氣。3 混凝土配合比四要素的選

8、擇3.1 水膠比 對有耐久性要求的混凝土，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工給出混凝土技術(shù)要求中的最低強度等級，按保證率95%確定配制強度；以最大水膠比作為初步選水膠比，再依次減小0.050.1百分點取35個水膠比試配，得出水膠比和強度的直線關(guān)系，找出上述配制強度所需要的水膠比，進行再次試配。或按無摻和料的普通混凝土強度-水灰比關(guān)系選擇一個基準(zhǔn)水灰比，摻入粉煤灰后再按等漿骨比調(diào)整水膠比。一般，有耐久性要求的中等強度等級混凝土，摻用粉煤灰超過30%時（包括水泥中已含的混合材料），水膠比宜不超過0.44。3.2 漿骨(體積)比 在水膠比一定的情況下的用水量或膠凝材料總量，或骨料總體積用量即反映漿骨比。對于泵送混凝

9、土，可按表1選擇，或按GB/T 50746-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范對最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌和物工作性確定，取盡量小的漿骨比值。水膠比一定時，漿骨比小的，強度會稍低、彈性模量會稍高、體積穩(wěn)定性好、開裂風(fēng)險低，反之則相反。表1 不同等級混凝土最大漿骨比強度等級漿體百分率（漿骨體積比）用水量（kg/m3）C30C50（不含C50） 0.32（12）175C50C60（含C60）0.35（11.86）160C60以上（不含C60）0.38（11.63）1453.3 砂石比 通常在配合比中的砂石比，以一定漿骨比（或骨料總量）下的砂率表示。對級配良好的石子，砂率的選擇以石子松堆空

10、隙率與砂的松堆空隙率乘積為0.160.2為宜。一般，泵送混凝土砂率不宜小于36%，并不宜大于45%。為此應(yīng)充分重視石子的級配，以不同粒徑的兩級配或三級配后松堆空隙率不大于42%為宜。石子松堆空隙率越小，砂石比可越小。在水膠比和漿骨比一定的條件下，砂石比的變動主要可影響施工性和變形性質(zhì)，對硬化后的強度也會有所影響（在一定范圍內(nèi)，砂率小的，強度稍低，彈性模量稍大，開裂敏感性較大，拌和物粘聚性稍差，反之則相反）。3.4 礦物摻和料摻量 礦物摻和料的摻量應(yīng)視工程性質(zhì)、環(huán)境和施工條件而選擇。對于完全處于地下和水下的工程，尤其是大體積混凝土如基礎(chǔ)底板、咬合樁或連續(xù)澆注的地下連續(xù)墻、海水中的橋梁樁基、海底隧

11、道底板或有表面處理的側(cè)墻以及常年處于干燥環(huán)境（相對濕度40%以下）的構(gòu)件等，當(dāng)沒有立即凍融作用時，礦物摻和料可以用到最大摻量（礦物摻和料占膠凝材料總量的最大摻量粉煤灰為50%，磨細礦渣為75%）；一年中環(huán)境相對濕度變化較大(冷天處在相對濕度為50%左右、夏季相對濕度70%以上）無化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)一般環(huán)境中的構(gòu)，對斷面小、保護層厚度小、強度等級低的構(gòu)件（如厚度只有1015cm）的樓板)，當(dāng)水膠比較大時（如大于0.5），粉煤灰摻量不宜大于20%，礦渣摻量不宜大于30%（均包括水泥中已含的混合材料）。不同環(huán)境下礦物摻和料的摻量選擇見GB/T 50746-2008附錄B和條文說明附錄B。如果采取延長

12、濕養(yǎng)護時間或其他增強鋼筋的混凝土保護層密實度措施，則可超過以上限制。4 混凝土配合比選擇的步驟4.1確認混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中混凝土技術(shù)要求提出的設(shè)計目標(biāo)、條件及各項指標(biāo)和參數(shù)：混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型、保護層最小厚度、所處環(huán)境、設(shè)計使用年限、耐久性指標(biāo)（根據(jù)所處環(huán)境選擇）、最低強度等級、最大水膠比、膠凝材料最小和最大用量、施工季節(jié)、混凝土內(nèi)部最高溫度（如果有要求）、骨料最大粒徑、拌和物坍落度、一小時坍落度最大損失（如果有）。4.2根據(jù)上述條件選擇原材料4.3確認原材料條件：Ø 水泥：品種、密度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、已含礦物摻和料品種及含量、水化熱、氯離 子含量、細度、凝結(jié)時間。Ø 石子：

13、品種、飽和面狀態(tài)的表觀密度、松堆密度、石子最大粒徑、級配的比例和級配后的空隙率；Ø 砂子：篩除5mm以上顆粒后的細度模數(shù)、5mm以上顆粒含量、飽和面狀態(tài)的表觀密度、自然堆積密度、空隙率、來源；Ø 礦物摻和料：品種、密度、需水量比、燒失量、細度Ø 外加劑：品種、濃度（對液體）、其它相關(guān)指標(biāo)（如減水劑的減水率、引氣劑的引氣量、堿含量、氯離子含量、鉀鈉含量等）4.4 混凝土配合比各參數(shù)的確定：Ø 各材料符號：質(zhì)量：水泥C，礦渣SL，粉煤灰F，砂S，石G，水W，膠凝材料B，漿體P，骨料A，水膠比WB膠凝材料的組成：水泥占膠凝材料的質(zhì)量百分比c，礦渣粉占膠凝材料的

14、質(zhì)量百分比SL，粉煤灰占膠凝材料的質(zhì)量百分比F ，用表示體積用量。 密度：水泥，礦渣 ，粉煤灰，砂，石，水，膠凝材料密度體積：水泥VC，礦渣VSL ，粉煤灰Vf ，砂VS，石VG，水VW，膠凝材料VB，骨料體積VA，將體體積VP，漿骨(體積)比VPVAØ 按混凝土技術(shù)要求選取最低強度等級，并按保證率大于95%計算配制強度Ø 根據(jù)環(huán)境類別和作用等級、構(gòu)件特點（例如構(gòu)件尺寸）、施工季節(jié)和水泥品種，確定礦物摻和料摻量，根據(jù)礦物摻和料摻量，以混凝土技術(shù)要求的最大水膠比為限，調(diào)整水膠比（即，水膠比隨礦物摻和料摻量增大而減?。?#216; 級配骨料，得到最小的骨料松堆空隙率Ø

15、 根據(jù)骨料級配和粒形和混凝土技術(shù)要求中的混凝土強度等級要求的最小和最大漿骨比，以漿體與骨料絕對密實體積最小漿骨比的原則選定漿骨(體積)比，分別用漿體體積中的水膠比計算用水量和膠凝材料總量，用骨料體積中砂石比計算粗細骨料用量。4.5 混凝土配合比各參數(shù)及材料用量的計算Ø 按表1選定體積漿骨比VPVA (1)Ø 混凝土拌和物總體積為1m3，則由(1)可知VA 和VP，按級配骨料所用砂率和砂石表觀密度計算砂石用量S、G。Ø VP=VB+VW (2)Ø 參考GB/T 50746-2008條文說明附錄B，根據(jù)環(huán)境條件和和構(gòu)件尺寸確定膠凝材料組成：B=C+ F+ S

16、L (3)Ø 計算各材料占膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù)為：、 (4)Ø 設(shè)各材料占膠凝材料的百分數(shù)為 (5)Ø 由式(4)和式(5)以及各自相應(yīng)的密度，計算膠凝材料的密度： (6)Ø 為了消除難以測定的，將 代入式(6)得： (7)Ø 按混凝土技術(shù)要求選取試配用的最大水膠比(WB)1 ，水的密度近似為1，由式(7)已知膠凝材料密度為，計算體積水膠比： (8)Ø 由式(5)和式(6)，計算膠凝材料用量B和用水量W。4.6 試配和配合比的確定Ø 在所選用高效減水劑的推薦摻量的基礎(chǔ)上，按混凝土的施工性調(diào)整為合適的摻量。Ø 在混凝

17、土技術(shù)要求最大水膠比的基礎(chǔ)上，依次減小水膠比，選取35個值，計算各材料用量后進行試配，檢測所指定性能指標(biāo)值，從中選取符合目標(biāo)值的水膠比，再次進行試配。根據(jù)實測試配結(jié)果得出配合比的拌和物密度，對計算密度進行配合比的調(diào)整。5 混凝土配合比選擇實例5.1 技術(shù)條件：某濱海城市地下水位為-2m, 地下水中硫酸根離子和氯離子含量具有對混凝土結(jié)構(gòu)中等腐蝕程度；商住樓地下兩層，底層車庫墻體厚度為350mm，設(shè)計使用年限為70年，保護層厚度為50mm，設(shè)計強度等級為C40/P8，；混凝土澆筑季節(jié)最高氣溫33，最低氣溫21。要求施工期間每次連續(xù)澆筑100m3，寬度不大于0.1mm的縱向裂縫不多于3條?；炷磷畲?/p>

18、水膠比為0.45，最小膠凝材料用量最小320kg/m3，最大450kg/m3；骨料最大粒徑25mm。混凝土坍落度180200mm，到達現(xiàn)場澆筑前坍落度應(yīng)為160180mm。5.2 技術(shù)要點 確認混凝土技術(shù)要求提供的工程所處環(huán)境為V-C級，對處于地下的350mm墻體熱天施工來說，應(yīng)按大體積混凝土考慮，以控制溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫為重點。5.3 原材料選擇 水泥： 振興P.O.42.5，已摻入粉煤灰20%，水化熱262KJ/kg，密度3.0g/m3 ，氯離子含量0.6%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27%； 粉煤灰；0.045mm篩篩余量17%，燒失量4.5%，需水量比103%； 粗骨料510mm和1025mm以2

19、8級配后，表觀密度2.69 g/m3，自然堆積密度1620kg/m3，空隙率40%；細骨料：篩除5mm以上顆粒的河砂，表觀密度2.6 g/m3，松堆密度1432kg/m3，空隙率為45%。外加劑：略5.4 配制強度的確定：略5.5 混凝土配合比參數(shù)選擇 水膠比：按技術(shù)要求最大值選用WB為0.44； 砂石比：按最緊密堆積原則，根據(jù)石子空隙率，選取砂率為40%，則砂石比為 40: 60 漿骨比：選擇漿骨比為VpVA=0.30 粉煤灰摻量：按GB/T 50746-2008混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范條文說明附錄B，對V-C 的環(huán)境作用有： 下限：， 上限： 因擬摻入膨脹劑，為控制混凝土溫升，不宜再摻入礦渣粉

20、；則上述限定中，單摻粉煤灰的摻量限定范圍為2550%，鑒于P.O.425水泥中已摻入粉煤灰20%，現(xiàn)選擇粉煤灰摻量=30%。5.6初步配合比計算Ø 由材料條件知=0.68，并SG=0.67則計算得G=1 080 kg/m3，S=724kg/m3Ø 最大(W)10.44 (1)Ø B=C+ F ，則： (2)Ø 1m3中VpVA=3070，則Vp =0.32 m3VB+VW=Vp = 0.32 (3)Ø =2.77×0.44=1.22 (4)由(3)、(4) 得：W=176kg/m3, B=400kg/m3，由設(shè)定的粉煤灰摻量為30%，

21、得知粉煤灰用量為120kg/m3。5.7初試配合比示于表2。表2 初試配合比水(WB)1P.O.42.5普通水泥粉煤灰砂石高效減水劑1760.4428012030%7241080略5.8 試配、調(diào)整：略5.9 按上述步驟另外分別計算出(WB)2=0.42、(WB)3=0.40的配合比，取得3組(BW)- 性能關(guān)系，從中優(yōu)選出生產(chǎn)配合比。6 改變水膠比時計算混凝土配合比的等漿體體積法舉例 按第5節(jié)的步驟另外分別計算出(WB)2=0.42、(WB)3=0.40的配合比，與(WB)1=0.44一起，共取得3組(BW)-性能關(guān)系，以備優(yōu)選生產(chǎn)配合比。 改變水膠比后漿體量發(fā)生變化，會影響到施工性，應(yīng)按等

22、漿體體積進行調(diào)整如表3所示。調(diào)整說明：· 水膠比0.42時，漿量減小了9升，可能影響施工性，如增加9kg粉煤灰和4 kg水，則漿體體積可增加到311升，可視為不變； · 水膠比0.40時，漿量減小了17升，如增加19kg粉煤灰和9kg水，則漿體量增加到320升，可視為不變； · 調(diào)整后質(zhì)量水膠比不變，漿骨體積比不變，則砂石用量可不作調(diào)整，施工性不受影響；· 如果調(diào)整水膠比后漿骨比減小，則拌和物體積會不足，從而影響施工性，可按新調(diào)整的水膠比增加漿量（即同時增加水和水泥用量）骨料用量而不改變漿骨比；· 盡管漿骨比不變，而漿體濃度可能有變化，可視膠凝

23、材料的需水性，調(diào)整減水劑用量。表3 改變水膠比后按等漿體體積進行調(diào)整配合比的計算原材料膠凝材料(B)水(W)漿體數(shù)量W/B砂石密度（g/cm3）2.712.602.69原配合比用量(kg/m3)4001765760.447241080體積(m3m3)0.1480.1760.3230.2780.401改變水膠比后的配合比 計算用量(kg/m3)4001685680.42體積(m3m3)0.1480.1680.316調(diào)整用量(kg/m3)4091725810.42體積(m3m3)0.1510.1720.323計算用量(kg/m3)400160560 0.40體積(m3m3)0.1480.1600.

24、308調(diào)整用量(kg/m3)4191695780.40體積(m3m3)0.1550.1690.3247、改變礦物摻和料摻量時計算配合比的等漿體體積法舉例如果已有一無摻和料的硅酸鹽水泥混凝土的配合比，當(dāng)摻入粉煤灰后，需用等漿體體積法，保持原配比的漿骨比不變，以保持混凝土的體積穩(wěn)定性。假定混凝土原配合比如表中所示，摻入粉煤灰30%，按粉煤灰特性，摻入粉煤灰的混凝土水膠比必須不大于0.5。計算配合比步驟見表4。 表4 等漿體體積法計算過程舉例原材料水泥(c)水(w)FA(30%)漿體數(shù)量W/B砂石密度（g/cm3）3.1012.42.612.67原配合比用量(kg/m3)34719805450.57

25、6811151體積(m3m3)0.1120.19800.3100.2610.431 簡單等量取代摻入粉煤灰用量(kg/m3)243198104545體積(m3m3)0.0780.1980.0430.319摻粉煤灰后保持漿骨比計算用量(kg/m3)243188104545 0.546811151體積(m3m3)0.0780.1880.0430.3100.2610.431按耐久性要求水膠比為0.44用量(kg/m3)243153104500 0.44體積(m3/ m3)0.0780.1530.0430.274按保持原漿骨比調(diào)整需增加體積(m3 / m3)0.0100.0200.0060.036用量

26、(kg/m3)273173118564 0.446811151體積(m3 / m3)0.0880.1730.0490.3100.2610.431計算說明：Ø 實測各原材料密度計算1 m3中原漿體體積 Vp=Vc+Vw=0.112+0.198=0.310 m3 ；Ø 摻入粉煤灰30%等量取代水泥后：粉煤灰用量為347×0.3=104kg，實測粉煤灰密度為2.4 g/cm3 則漿體體積為104/2400=0.043 m3Ø 水泥用量為347-104=243kg, 實測水泥密度為3.1g/m3，則體積為243/3100=0.078 m3漿體體積為：0.078+

27、0.043+0.198=0.319 m3；Ø 要保持漿體體積仍為0.310 m3不變，需減水0.01 m3，用水量從198 kg/m3減為188 kg/m3，則水膠比應(yīng)為188/345=0.54；摻粉煤灰的混凝土水膠比應(yīng)不大于0.5，并隨粉煤灰摻量的增加而降低，現(xiàn)摻量為30%時，按耐久性要求設(shè)水膠比為0.44，用水量為347×0.44 =153 kg。漿體體積為0.173+0.078+0.043=0.274 m3，則漿體體積不足。Ø 為保持原漿骨比，需增加漿體0.036m3。按漿體中原比例調(diào)整，增加水(0.036/0.274) ×0.153=0.02m3

28、， 增加水泥(0.036/0.274) ×0.078=0.10 m3，增加粉煤灰(0.036/0.274) ×0.043=0.006 m3計算結(jié)果摻30%粉煤灰的混凝土配合比計算結(jié)果見表3 摻30%粉煤灰的混凝土配合比計算結(jié)果（kg/m3）：材料水泥水粉煤灰漿體總量水膠比砂石拌和物表觀密度用量質(zhì)量kg/m32701731175600.4568111512392體積m3/m30.0870.1730.0490.3090.450.2610.4311結(jié)果，膠凝材料總用量從347 kg/m3增加到387 kg/m3，但因用水量減少，故漿體體積不變，即漿骨比保持不變。8、無論是經(jīng)過優(yōu)選

29、還是經(jīng)過調(diào)整得出的配合比，都必須再經(jīng)過試拌。參考文獻1 ACI TAC( Technical activities Committee)，Definition on High performance concrete，CONCRETE INTERNATIONALFeb. 1999. 2 廉慧珍，李玉琳，關(guān)于混凝土配合比選擇方法的討論之一：當(dāng)前混凝土配合比“設(shè)計”存在的問題，混凝土2009年第三期DISCUSSION ON METHOD FOR SELECTING MIX PROPORTION OF CONCRETE2 Proposal on Selection of Factors and Method for Calculating Mix Proportion of Current ConcreteLIAN HuizhenSchool of Civi Eng