混凝土配合比的方法與探討

王烜

（蘭州瑞原混凝土有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

改革開放后，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)生了日新月異的變化，不斷的加強(qiáng)了現(xiàn)代化的發(fā)展步伐，與此同時，建筑業(yè)得到了快速的發(fā)展。由于建筑施工是一項比較復(fù)雜的施工體系，在其施工過程中難免會存在一些質(zhì)量問題，這也成為制約建筑企業(yè)發(fā)展的主要因素。然而，商品混凝土的出現(xiàn)有效的緩解了這一問題，混凝土不僅具有超高的耐久性、工作性以及強(qiáng)度性，而且還是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑施工材料。

假定容重法是現(xiàn)階段全國普遍采用的混凝土配合比設(shè)計方法，本方法是借鑒和利用西方國家最初配合比設(shè)計方法。這種設(shè)計方法憑經(jīng)驗假定不完全科學(xué)、經(jīng)濟(jì)。數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計方法，根據(jù)不同材料實(shí)事求是地測定出各種原材料的用量、狀態(tài)，從而確定各種原材料的重量，既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)，避免浪費(fèi)和質(zhì)量波動，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的準(zhǔn)配合比。

本文以某一具體的混凝土配合比設(shè)計為例，同時使假定容重法與數(shù)字量化法對其進(jìn)行設(shè)計，將兩種方法進(jìn)行對比分析。

1 假定容重法

1.1 準(zhǔn)備工作

（1）通過單位或公司試驗室現(xiàn)有資料查詢混凝土的相關(guān)數(shù)據(jù)，并詳細(xì)查閱所有相關(guān)資料（包括配合比設(shè)計報告書、原材料情況、外加劑使用情況記錄、相關(guān)工程實(shí)例報告、部分工程各種事故分析及解決辦法等），從而掌握相關(guān)信息。

（2）統(tǒng)計各種環(huán)境等級和環(huán)境類型，以便在配合比設(shè)計過程中確定摻合料的摻量和控制水膠比。

（3）統(tǒng)計混凝土的工程用量、強(qiáng)度等級，用于快速設(shè)計配合比時適當(dāng)控制減水劑的摻量。

（4）統(tǒng)計混凝土配合比設(shè)計的數(shù)量、部位、強(qiáng)度等級以及混凝土配合比成型試件組數(shù)、種類和試模，以便安排工作。

（5）確定各強(qiáng)度等級混凝土的坍落度和含氣量要求。

（6）確定單位或公司中所有各種原材料的產(chǎn)地、種類、等級，掌握各種原材料各項指標(biāo)原始記錄和結(jié)果分析報告（參照以前地材使用情況）；找到其中質(zhì)量波動較大的一種或幾種原材料。

1.2 混凝土配合比計算過程

1.2.1 計算混凝土的配制強(qiáng)度

混凝土的配制強(qiáng)度按公式 (1) 計算：

當(dāng)混凝土施工部位為水下樁時：根據(jù) TB 10424—2010《鐵路混凝土施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》中“水下混凝土配合比設(shè)計，其配制強(qiáng)度應(yīng)較普通混凝土的配制強(qiáng)度提高 10%～20%”的規(guī)定，其混凝土的配制強(qiáng)度按公式

(2) 計算：

根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計等級選取 σ 的值。

1.2.2 計算水膠比

水膠比按公式 (3) 計算：

根據(jù)石子的類型選取 αa、αb的取值。

?b為膠凝材料膠砂 28d 的實(shí)測抗壓強(qiáng)度，如果沒有數(shù)據(jù)，可按公式 (4) 計算：

λc為水泥的富余系數(shù)，λf、λk分別為粉煤灰和礦粉的取代系數(shù)，?ce為水泥強(qiáng)度等級。

經(jīng)驗所得：λc、λf、λk三者的取值嚴(yán)格控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，λc、λf、λk三者的取值可以根據(jù)計算需要進(jìn)行調(diào)整（目的是為了讓水灰比計算結(jié)果接近經(jīng)驗值），并做好詳細(xì)記錄，如說明 λc、λf、λk取值的原因。

判斷水膠比是否符合耐久性的要求。

1.2.3 確定單方用水量

根據(jù)粗骨料的類型、工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境類型及等級、混凝土坍落度等，選取混凝土單方用水量 mw0。

經(jīng)驗所得：各從事混凝土行業(yè)的相關(guān)人士在確定混凝土單方用水量 mw0時，一定要充分考慮所有相關(guān)影響因素，如當(dāng)水泥或粉煤灰需水量偏大時，或當(dāng)?shù)厣爸泻嗔科邥r，需確定混凝土單方用水量是否需要調(diào)高一些。當(dāng)使用細(xì)骨料為機(jī)制砂時，由于機(jī)制砂與天然砂混凝土單方用水量有差別，配制機(jī)制砂混凝土?xí)r，要充分考慮石粉含量吸附水的影響，確定混凝土單方用水量是否需要調(diào)高一點(diǎn)。并把相關(guān)信息詳細(xì)記錄下來。

1.2.4 計算膠凝材料用量

按公式 (5) 計算膠凝材料總用量 m0：

確定摻合料粉煤灰（或礦粉）的摻量 βf，并按公式

（6）計算粉煤灰用量 mf0：

經(jīng)驗所得：摻合料的摻量取值要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、鐵路或公路或市政相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且滿足工程設(shè)計（設(shè)計年限、環(huán)境類型和耐久性等）要求；當(dāng)粉煤灰或礦粉質(zhì)量較差或質(zhì)量波動較大時，盡量降低其摻量，并作好記錄。

判斷水泥用量、粉煤灰或礦粉摻量是否符合工程設(shè)計、耐久性、環(huán)境等的要求。

1.2.5 確定吵率

由石子的類型、最大粒徑、水膠比，選取混凝土合適的砂率（βs）。

經(jīng)驗所得：混凝土技術(shù)人員在確定混凝土砂率時，一定要把一切影響因素考慮完全，如砂的細(xì)度模數(shù)、級配（是否斷檔）、含泥量、泥塊含量、表格密度和空隙率等指標(biāo)的情況；當(dāng)細(xì)骨料為機(jī)制砂時，由于機(jī)制砂石粉含量較高和級配稍差，機(jī)制砂與天然砂混凝土砂率取值有差別，配制機(jī)制砂混凝土?xí)r，要充分考慮石粉（泥粉）含量、顆粒級配、細(xì)度模數(shù)、壓碎值、表觀密度和空隙率等因素的影響，要詳細(xì)記錄天然砂或機(jī)制砂的一切相關(guān)性能指標(biāo)。

1.2.6 計算砂 ms0、石 mg10和石 mg20用量

（1）體積法

按公式 (8) 和 (9) 計算砂石的用量：

其中，ρc，ρf，ρs，ρg1，ρg2，ρw分別為水泥、粉煤灰、砂、石 1、石 2、水的密度（表觀密度），α 為空隙率，根據(jù)混凝土含氣量取值。

經(jīng)驗所得：所有材料的密度必須為真實(shí)值（實(shí)測值），且需以混凝土技術(shù)人員親自試驗測得的結(jié)果為準(zhǔn)，特別是粗、細(xì)骨料的表觀密度（ρs和ρg1、ρg2）數(shù)據(jù)必須真實(shí)可靠，嚴(yán)禁使用其他資料或其它單位或公司提供的數(shù)據(jù)；兩種或三種石子的分級顆粒級配、混合顆粒級配需經(jīng)試驗測得，需進(jìn)行多次試驗對比，以便確定分級石子之間的比例；當(dāng)所用石子廠家或產(chǎn)地較多時，所有石子都需要進(jìn)行試驗，并記好原始試驗記錄。

（2）質(zhì)量法

按公式 (10) 和 (11) 計算砂石的用量：

mcp為每立方米混凝土拌合物的假定質(zhì)量，一般取2350～2450kg/m3。

經(jīng)驗所得：在混凝土配合比計算時，主要以體積法為主，在時間允許條件下，兩種方法可以結(jié)合在一起使用，但要想辦法把兩者的計算結(jié)果保持一致。

1.2.7 外加劑用量

根據(jù)設(shè)計要求及混凝土強(qiáng)度等級、混凝土工程類型、環(huán)境條件等，確定各種強(qiáng)度等級混凝土相對應(yīng)的外加劑摻量 A，按公式 (12) 計算外加劑的用量 mj0：

1.3 混凝土配合比的試拌及調(diào)整

1.3.1 再次確認(rèn)混凝土配合比所用原材料

（1）確定水泥的品種、標(biāo)號、廠家是否符合要求，以及是否受潮結(jié)塊。

（2）確定摻合料的品種、等級、廠家是否符合要求，以及是否受潮結(jié)塊。

（3）測定砂石含水率，為保證起見，需翻 3 遍或以上，以便均勻，從而正確計算試驗用砂石用量，若為風(fēng)干骨料可以直接使用。

另外，試驗用所有原材料，必須確保在試驗室內(nèi)保持 24h 以上，方可使用。

1.3.2 混凝土配合比試拌

（1）記錄試驗室環(huán)境溫濕度。

（2）通過單方混凝土配合比計算出試驗室試拌混凝土的數(shù)量，一般為 15～25L 為主，但要控制在攪拌機(jī)容量的 20%～80% 范圍內(nèi)。

（3）當(dāng)砂石含水時，需要通過詳細(xì)計算而算出實(shí)際砂、石、水的實(shí)際用量。

（4）試驗前，混凝土攪拌站需先試運(yùn)行，確保正常，并進(jìn)行潤濕，潤濕標(biāo)準(zhǔn)方法為用試拌所需同比例的砂漿進(jìn)行試拌。

（5）原材料計量，嚴(yán)格稱取各種原材料，并控制在計量誤差范圍內(nèi)。

（6）投料順序為粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料，需干拌 30s 以上后，同時加水和外加劑，進(jìn)行拌合。

（7）攪拌時間控制：夏季以 120s，冬季或含氣量高時最低控制在 150s。

（8）混凝土出機(jī)后，需人工翻拌 2 遍以上，確保混凝土均勻，方可進(jìn)行混凝土性能（坍落度、含氣量、坍落度損失、容重、泌水率等）的測定，并對混凝土工作性（流動性、粘聚性、包裹性、是否泌水和扒底等）進(jìn)行判斷和描述，并試驗結(jié)果詳細(xì)記錄下來。

1.3.3 混凝土配合比調(diào)整

（1）通過混凝土的工作性能測試結(jié)果，找出混凝土工作性能指標(biāo)不合格等問題出現(xiàn)的具體原因。

（2）考慮混凝土配合比是否合理，如配合比中水灰比、單方用水量和砂率的取值是否合適，可以通過改變單個因素或兩個因素的大小，重拌混凝土，觀看混凝土工作性變化如何；在調(diào)整配合比的同時，考慮每個原材料的情況（參考每個原材料的主要性能指標(biāo)），尤其是對混凝土工作性能影響較大的原材料，需經(jīng)進(jìn)行多次試拌和對比試驗。

（3）通過步驟（2）的調(diào)整過程，確定一個基礎(chǔ)配合比，然后進(jìn)行外加劑調(diào)整試驗，通過改變外加劑母液比例變化、引氣劑種類或摻量、消泡劑的種類或摻量、增稠劑種類或摻量、緩凝劑種類及摻量等，觀看混凝土工作性的變化和性能指標(biāo)的改變，然后進(jìn)行綜合分析，最后確定外加劑的配方。

（4）對通過的混凝土配合比、外加劑最終配方進(jìn)行驗證，對混凝土工作性（坍落度、含氣量、容重、坍落度損失、粘聚性、包裹性等）進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果，對混凝土配合比、外加劑最終配方進(jìn)行一定的微調(diào)，使混凝土工作性能滿足要求。

（5）最后，重復(fù)（1）～（4）的過程，對所有強(qiáng)度等級混凝土的配合比進(jìn)行拌合確定工作，并且外加劑的配方需根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)變化，找出最終混凝土配合比和外加劑最佳配方。

經(jīng)驗所得：需要詳細(xì)記錄的現(xiàn)象或問題，如在混凝土配合比調(diào)整過程中各因素（如水灰比波動、砂率變化、膠凝材料用量、摻合料摻量、石子比例等）變化對混凝土性能的影響，外加劑確定過程中所調(diào)整的原因和調(diào)整后的現(xiàn)象（各種小料用量變化、保坍劑比例等），以及做混凝土配合比過程中用的所有外加劑配方，并作一定的對比分析；此信息的記錄一定要清楚和完整，可為后期混凝土生產(chǎn)及跟蹤服務(wù)做指導(dǎo)。

1.4 數(shù)據(jù)整理和分析

對配合比設(shè)計過程中的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是配合比調(diào)整過程中因素調(diào)整的原因，外加劑配方調(diào)整的原因，并作一定的詳細(xì)記錄，如：

① 混凝土泌水或滯后出現(xiàn)的原因及解決的辦法。

② 混凝土和易性不好、含氣量偏大或偏低的原因及解決的方式。

③ 混凝土包裹性差存在的原因和現(xiàn)象。

④ 混凝土粘度大或小的原因和解決的辦法。

⑤ 混凝土坍落度損失大的原因，采用的措施。

⑥ 外加劑配方變化過程中調(diào)整的原因和調(diào)整后的結(jié)果。

2 數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計

2.1 試驗內(nèi)容

為了解決混凝土氣泡和外觀質(zhì)量問題，處理近期出現(xiàn)的各種混凝土質(zhì)量事故，我們進(jìn)行了相關(guān)試驗，主要內(nèi)容是通過水泥和粉煤灰的用量、密度和需水量（比）計算，確定單方混凝土中最佳用水量的計算方法、膠凝材料漿體體積的計算方法、外加劑摻量的調(diào)整方法，及砂石骨料的檢測方法以及設(shè)計用技術(shù)參數(shù)的計算。本次試驗以現(xiàn)場的原材料為準(zhǔn)，列出了一種砂子和三種石子的測量數(shù)據(jù)以及砂石骨料計算的公式和步驟，然后到試驗室進(jìn)行實(shí)際操作。首先對三種石子進(jìn)行測量，主要掌握石子堆積密度、空隙率和吸水率的測量方法，以及表觀密度的計算方法。對一種砂子進(jìn)行測量，主要是掌握砂子緊密堆積密度測量壓力值 72kN 確定的依據(jù)、采用壓力機(jī)測試的過程，用 4.75mm 篩子確定含石率的測量方法。在配制混凝土的時候，掌握了壓力吸水法確定砂子用水量的過程。然后進(jìn)行實(shí)際操作檢測砂石，根據(jù)砂石檢測出來的參數(shù)，采用數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計方法進(jìn)行配合比調(diào)整計算，得到兩組采用不同砂石的 C30和 C50 混凝土配合比。針對兩組不同配合比，先進(jìn)行外加劑摻量調(diào)整試驗，然后進(jìn)行配合比試驗。

2.2 骨料檢測性能（以景泰地區(qū)砂石為例）

2.2.1 砂的測量（表 1）

根據(jù)現(xiàn)場情況，為了計算方便，初步確定砂子的緊密堆積密度取值 1844kg/m3，含石率取值 10%，壓力吸水率取值 7%。

表1 砂性能檢測結(jié)果 k g

2.2 石子的測量（表 2）

表2 石性能檢測結(jié)果 k g

2.3 C 30 配合比調(diào)整

2.3.1 調(diào)整目的

原配比中膠凝材料：水泥 331kg，需水量 28.2kg，密度 3140kg/m3；粉煤灰 59kg，密度 2200kg/m3，需水量比 1.02；調(diào)整后外加劑摻量 1.3%。石子采用由 1、2、3 號三種石子按照 2:5:3 混合形成的 4 號石子。

2.3.2 膠凝材料體積的計算

2.3.3 膠凝材料用水量的計算

2.3.4 膠凝材料拌合用水量體積的計算

2.3.5 膠凝材料漿體體積的計算

2.3.6 砂子用量及用水量

2.3.7 石子用量及用水量

2.3.8 骨料用水量

2.3.9 調(diào)整后的配合比（表 3）

表3 調(diào)整后配合比k g/m3

2.4 C 50 配合比調(diào)整

2.4.1 調(diào)整目的

原配比中膠凝材料：水泥 447kg，需水量 28.2kg，密度 3140kg/m3；粉煤灰 50kg，密度 2200kg/m3，需水量比 1.02；調(diào)整后外加劑摻量 1.5%，石子采用 1、3 按照 25:75 混合形成的 5 號石子。

2.4.2 膠凝材料體積的計算

2.4.3 膠凝材料用水量的計算

2.4.4 凝材料拌合用水量體積的計算

2.4.5 膠凝材料漿體體積的計算

2.4.6 砂子用量及用水量

2.4.7 石子用量及用水量

2.4.8 骨料用水量

2.4.9 調(diào)整后的配合比（表 4）

表4 調(diào)整后配合比k g/m3

2.5 試配

根據(jù)現(xiàn)場測量和調(diào)整計算配合比，用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行采用預(yù)濕骨料工藝進(jìn)行試配，兩盤混凝土全部一次試配成功，解決了混凝土離析、抓地和扒底的難題。由于配合比合理，在攪拌機(jī)中停止攪拌即可實(shí)現(xiàn)自流平，卸料流速平穩(wěn)，拌合物表面有光澤，停止流動后頂部沒有石子外露的現(xiàn)象，用鏟子鏟混凝土拌合物很輕，漿體本身的流動性很好。

3 結(jié)論

本文用假定重法和數(shù)字量化法兩種設(shè)計方法對混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計，列出具體的設(shè)計流程與計算過程。通過對比可知，數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計能準(zhǔn)確依據(jù)材料狀態(tài)，設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理的混凝土配合比，從而能夠生產(chǎn)滿足要求的混凝土，并且能夠減少試拌次數(shù)，更加經(jīng)濟(jì)、高效。