混凝土配合比的設(shè)計(jì)與優(yōu)化選擇

王亞閣

（1.北京翔鯤水務(wù)建設(shè)有限公司，北京100085；2.北京碧波立業(yè)技術(shù)檢測有限公司，北京100085）

1 引言

混凝土作為重要的建筑施工材料，多用于建設(shè)工程的重要部位，優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土配合比，不僅對于保證工程質(zhì)量和便于工程施工具有重大意義，而且從節(jié)約材料方面具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)概述及原材料選擇

混凝土是由水泥、砂子、石子及水等構(gòu)成，混凝土中各組成材料之間的比例關(guān)系稱為混凝土配合比，確定這種數(shù)量比例關(guān)系的工作，稱為混凝土配合比設(shè)計(jì)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)預(yù)拌混凝土性能的一個(gè)重要過程，也是保證預(yù)拌混凝土質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。混凝土施工配合比是以試驗(yàn)配合比為基礎(chǔ)確定的，而試驗(yàn)配合比是在確定了混凝土試配強(qiáng)度后，按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)確定。

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)

混凝土配合比，參照現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]（JGJ55-2011），并應(yīng)通過設(shè)計(jì)和試配確定。試配時(shí)應(yīng)使用施工中實(shí)際采用的原材料，配制的混凝土拌合物的和易性、凝結(jié)時(shí)間等應(yīng)滿足《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]（GB/T 50080-2016）中相應(yīng)條款的要求，制成的混凝土試件應(yīng)符合強(qiáng)度、耐久性等質(zhì)量要求。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)要求

混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下四項(xiàng)基本要求[3]，即：①滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級要求和混凝土試配強(qiáng)度；②滿足混凝土施工所要求的坍落度、和易性；③滿足工程所處環(huán)境對混凝土耐久性的要求；④符合經(jīng)濟(jì)性原則，即節(jié)約水泥以降低混凝土成本。

2.3 原材料的選擇

2.3.1 水泥

水泥是決定混凝土強(qiáng)度等級的主要膠凝材料，具有粘結(jié)和填充粗骨料空隙的作用，同時(shí)為了降低成本，應(yīng)在強(qiáng)度滿足施工要求的條件下，盡量減少水泥用量。本次設(shè)計(jì)選用河北燕新P.O 42.5水泥，所檢指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范中的技術(shù)要求。

2.3.2 骨料

骨科必須堅(jiān)硬、致密、耐久、無裂隙?；炷恋募?xì)骨料：粒徑在0.16～5mm之間的骨料。按形成條件分為天然砂、人工砂；按細(xì)度模數(shù)分為粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂。本次設(shè)計(jì)選用的是淶水天然砂，中砂，含泥量≤3%。混凝土的粗骨料：粒徑大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。本次設(shè)計(jì)選用的是淶水5～25mm連續(xù)級配的碎石，含泥量≤1%。

2.3.3 摻合料

摻合料包括粉煤灰和礦粉，混凝土中加入摻合料能降低混凝土的水化熱，防止出現(xiàn)裂縫，同時(shí)還能減少膠凝材料中水泥用量，節(jié)約成本。本次設(shè)計(jì)選用的是Ⅱ級F類粉煤灰和S95級高爐礦渣粉。

2.3.4 外加劑

為了提高混凝土的施工性能、加快施工進(jìn)度，改善混凝土拌合物的和易性，可在混凝土中加入少量的外加劑。本次設(shè)計(jì)選用的是聚羧酸高性能減水劑。

2.4 混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

混凝土配合比設(shè)計(jì)就是確定水泥、水、砂與石用量之間的比例關(guān)系。水膠比、單位用水量和砂率是混凝土配合比設(shè)計(jì)的三個(gè)基本參數(shù)?；緟?shù)確定的原則：在滿足混凝土強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上，確定混凝土的水膠比，在滿足混凝土施工要求的和易性基礎(chǔ)上，根據(jù)粗骨料的種類和規(guī)格確定單位用水量；砂率應(yīng)以砂在骨料中的數(shù)量填充石子空隙后略有富余的原則來確定。

3 混凝土配合比計(jì)算

混凝土配合比設(shè)計(jì)，以計(jì)算1m3混凝土中各組成材料用量為基準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)骨料應(yīng)以干燥狀態(tài)為準(zhǔn)。本文以C25混凝土配合比為例進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算。

3.1 確定試配強(qiáng)度

當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級小于C60時(shí)，試配強(qiáng)度應(yīng)按下式確定：

式中：fcu,0——混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；

fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級值（MPa）；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）。

當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25時(shí)，σ取5.0，經(jīng)計(jì)算得，試配強(qiáng)度為33.2MPa。

3.2 計(jì)算水膠比

當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級小于C60時(shí)，混凝土水膠比宜按下式計(jì)算：

式中：W/B——混凝土水膠比；

αα，αb——回歸系數(shù)，按規(guī)范分別取0.53、0.20；

fb——膠凝材料28d膠砂抗壓強(qiáng)度（MPa）。

式中：γfγs——粉煤灰影響系數(shù)和?；郀t礦渣粉影響系數(shù)，查表分別取 0.85、1.00；

fce——水泥28d膠砂抗壓強(qiáng)度（MPa）。

當(dāng)水泥28d膠砂抗壓強(qiáng)度（fce）無實(shí)測值時(shí)，可按下式計(jì)算：

式中：γc——水泥強(qiáng)度等級的富余系數(shù)，查表取1.16；

fce,g——水泥強(qiáng)度等級值（MPa）。

經(jīng)計(jì)算，水膠比為0.59。

3.3 選取用水量（mw0）

3.4 膠凝材料用量（mb0）

經(jīng)計(jì)算得，mb0=292kg/m3

3.5 水泥及摻合料用量

粉煤灰摻量為20.0%，則粉煤灰用量=292×20.0%=58kg/m3

礦粉摻量為20.0%，則礦粉用量=292×20.0%=58kg/m3

則水泥用量為176kg/m3

3.6 外加劑用量

外加劑摻量：βa=2.0%，則

經(jīng)計(jì)算得，ma0=5.84kg/m3

3.7 選取砂率（βs）

根據(jù)碎石最大粒徑25mm，水膠比0.59，及以往試配經(jīng)驗(yàn)，選取砂率βs=44%。

3.8 確定砂石重量（質(zhì)量法）

式中：mf0——每立方米混凝土的摻合料用量；

mc0——每立方米混凝土的水泥用量；

mg0——每立方米混凝土的粗骨料用量；

ms0——每立方米混凝土的細(xì)骨料用量；

mw0——每立方米混凝土的用水量；

mcp——每立方米混凝土拌合物的假定重量，其值可取2350～2450kg/m3。

取mcp=2400 kg/m3，經(jīng)計(jì)算得，砂、石重量分別為852kg/m3、1084kg/m3。

3.9 設(shè)計(jì)理論配合比確定

表1 設(shè)計(jì)理論配合比

經(jīng)試配，混凝土拌合物和易性良好，無泌水、離析現(xiàn)象，坍落度滿足設(shè)計(jì)要求。因此，確定設(shè)計(jì)的理論配合比為基準(zhǔn)配合比。

4 試配調(diào)整與配合比確定

4.1 配合比試拌

混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)采用三個(gè)不同水膠比的配合比，另外兩個(gè)宜較基準(zhǔn)配合比的水膠比分別增加和減少0.05，用水量應(yīng)與基準(zhǔn)配合比相同，砂率可分別增加和減少1%，得到不同水膠比的配合比如表2所示。

表2 不同水膠比的配合比（單位：kg/m3）

4.2 試配結(jié)果

經(jīng)試配，三個(gè)水膠比的配合比，拌合物的和易性良好，試配結(jié)果如表3所示，不同水膠比的28d抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

根據(jù)試配結(jié)果，三組試配配合比抗壓強(qiáng)度與水膠比有很好的相關(guān)性，試配編號為01的配合比，28d齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)不到配制強(qiáng)度要求；試配編號為02的配合比略大于配制強(qiáng)度；試配編號為03的配合比，水泥用量較大，不利于節(jié)約工程成本。因此，選用試配編號為02的配合比作為工程實(shí)際施工配合比。

表3 不同水膠比配合比試配結(jié)果

圖1 不同水膠比的28d抗壓強(qiáng)度值

混凝土配合比是決定混凝土強(qiáng)度的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，合理的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)在符合相關(guān)規(guī)范中對強(qiáng)度、耐久性、和易性和經(jīng)濟(jì)性等要求的前提下，確定各種材料的用量，獲得最為經(jīng)濟(jì)、適用的混凝土配合比?；炷僚浜媳葍?yōu)化設(shè)計(jì)是在理論、經(jīng)驗(yàn)雙重指導(dǎo)下的實(shí)踐性過程，為了滿足不同工程所需混凝土的要求，還應(yīng)對混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，才能使其設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。