混凝土配合比設(shè)計(jì)影響因素分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐蒞春，劉曉霞

（南通市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 南通 226000）

0 前言

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，混凝土應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，而無(wú)論是用于哪個(gè)領(lǐng)域的混凝土，其配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，都是以混凝土的和易性、力學(xué)性能、耐久性為目標(biāo)，選擇合適的原材料、優(yōu)化配比參數(shù)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。本文從配合比設(shè)計(jì)的內(nèi)在要求出發(fā)，探索不同因素影響下的配合比調(diào)整方向，對(duì)混凝土的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)有著實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 混凝土配合比設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

混凝土在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮滿足和易性、力學(xué)性能和耐久性技術(shù)要求。在生產(chǎn)施工階段，要滿足混凝土拌合物的和易性，其性能主要包括流動(dòng)性、粘聚性和保水性；在混凝土成型養(yǎng)護(hù)及后期使用階段，要滿足力學(xué)性能的要求，主要指混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，抵抗混凝土變形（主要包括化學(xué)收縮、碳化收縮、干濕變形、溫度變形、徐變等）的能力；在后期使用階段，還要滿足耐久性的要求，其性能主要包括抗?jié)B、抗凍、碳化、鋼筋銹蝕、抗侵蝕等。

2 混凝土配合比影響因素分析及調(diào)整

混凝土原材料的組成及選用、所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)部位、生產(chǎn)施工工藝等都對(duì)其技術(shù)要求有很大的影響，進(jìn)而影響混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

2.1 原材料

配制混凝土的原材料直接決定了混凝土的各項(xiàng)性能，如主要原材料的水泥的強(qiáng)度對(duì)混凝土的強(qiáng)度起了決定性的作用；水灰比、砂率、石子的空隙率、外加劑和摻合料都對(duì)混凝土的和易性有很大影響。

2.1.1 原材料對(duì)混凝土和易性的影響

水灰比：水灰比的大小影響了混凝土拌合物的流動(dòng)度：水灰比越大，流動(dòng)性越好，坍落度大，但水灰比過(guò)大，易造成拌合物分層離析；水灰比越小流動(dòng)性越差，水灰比過(guò)小時(shí)，混凝土難以振搗密實(shí)。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量降低水灰比，減少水泥用量，節(jié)約成本。為達(dá)到要求的坍落度，可添加減水劑。

砂率：砂率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性降低，坍落度變??；砂率過(guò)小，混凝土的粘聚性和保水性變差，易產(chǎn)生泌水、離析和流漿。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)能夠填滿石子空隙的并有一定的富余量的砂率。

骨料：骨料的選擇對(duì)混凝土的和易性影響較大，在骨料總量不變的情況下，采用卵石、河砂拌制的混凝土和易性較好，而使用碎石和機(jī)制砂拌制的混凝土和易性相對(duì)較差；選用骨料的細(xì)度模數(shù)過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致混凝土拌合物的流動(dòng)性變差。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，細(xì)度模數(shù)大導(dǎo)致流動(dòng)性差的情況，可以適當(dāng)提高砂率，或增加水泥用量來(lái)改善和易性；細(xì)度模數(shù)過(guò)小，可以降低砂率，提高用水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

摻合料：摻合料粉煤灰、礦粉等可以代替一部分水泥，一方面可以減少水泥用量，降低成本，另一方面可以改善混凝土的和易性。對(duì)于大體積混凝土、高溫施工混凝土，均可以摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，調(diào)整混凝土的和易性。

外加劑：外加劑可以改善混凝土的和易性，如減水劑可以在不減少拌合用水量的前提下，顯著提高拌合物的流動(dòng)性，加入減水劑越多，混凝土流動(dòng)性越大；泵送劑可用于改善混凝土泵送性能。

2.1.2 原材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

水泥的強(qiáng)度：水泥的強(qiáng)度等級(jí)越高，配制混凝土的強(qiáng)度也越高；相同水泥強(qiáng)度等級(jí)配制的混凝土，水泥用量越大強(qiáng)度也越高。

水灰比：水灰比過(guò)大，混凝土拌合物中水泥顆粒少、距離大，顆粒間會(huì)產(chǎn)生空隙，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度低，后期變形大；水灰比變小，水泥顆粒間距小，顆粒間填充密實(shí)，混凝土強(qiáng)度就相對(duì)較高。

砂率：混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加變動(dòng)幅度較小。

骨料：骨料在混凝土結(jié)構(gòu)中主要起著傳遞荷載的作用，骨料的選擇，可以提高混凝土的強(qiáng)度和彈模，減小因荷載作用引起的變形，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的抗變形能力，提高耐久性。

摻合料：摻入粉煤灰、礦粉等摻合料會(huì)減慢混凝土的水化速度，降低混凝土的早期強(qiáng)度，但摻合料中的活性成分可對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度起促進(jìn)作用，有利于后期強(qiáng)度發(fā)展和耐久性。

外加劑：外加劑的使用可以調(diào)節(jié)混凝土的強(qiáng)度，如在混凝土中摻入早強(qiáng)劑能夠加快混凝土的硬化，可以使早期強(qiáng)度快速增加，因此可用于緊急搶修工程。在混凝土中摻入緩凝劑，可以延緩混凝土的水化速度，避免內(nèi)外溫差大導(dǎo)致的混凝土后期強(qiáng)度低、產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，主要用于高溫季節(jié)混凝土、大體積混凝土、泵送、遠(yuǎn)距離輸送混凝土。減水劑在減水而不減少水泥的用量時(shí)，可提高混凝土的強(qiáng)度。

2.1.3 原材料對(duì)混凝土耐久性能的影響

水灰比：水灰比越大，水泥用量相對(duì)較小，混凝土在水化過(guò)程中產(chǎn)生的 Ca(OH)2也就越少，擴(kuò)散的阻力就越小，碳化速度也就越快，同時(shí)，混凝土內(nèi)部孔的總的體積和孔徑越來(lái)越大，在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的冰脹壓力和滲透壓力變大，抗?jié)B性、抗凍性也越差；反之，水灰比降低，混凝土密實(shí)度增強(qiáng)，孔隙率降低，碳化速度較慢，抗凍性、抗?jié)B性越好。

砂率：合適的砂率便于振搗、密實(shí)，不僅可提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性，而且提高了抵抗外部侵蝕性介質(zhì)的破壞作用，降低侵蝕程度，延緩侵蝕速度。

骨料：混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，粗骨料的收縮值比水泥漿小得多，在一定程度上可以限制混凝土的收縮，粗骨料表面構(gòu)造好，易于和砂漿基體粘結(jié)，可以有效提高骨料與漿體交界面的密實(shí)度，提高耐久性。

摻合料：粉煤灰的摻入可以使混凝土進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣，填充混凝土內(nèi)部的空隙，提高混凝土的抗?jié)B性。

外加劑：混凝土摻入減水劑可顯著提高混凝土的耐久性。摻入引氣劑可以均勻地引入大量穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，能提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性，同時(shí)，增加含氣量，提高混凝土的抗裂性。

2.2 混凝土所處的環(huán)境

混凝土所處的環(huán)境主要指溫度的影響（高溫、高寒、凍融等）、濕度的影響、鹽堿腐蝕。這些環(huán)境因素直接影響了混凝土的強(qiáng)度，及碳化、抗裂性、鋼筋銹蝕等耐久性指標(biāo)。

2.2.1 環(huán)境混凝土對(duì)和易性的影響

氣溫、相對(duì)濕度對(duì)混凝土拌合物的和易性有影響，當(dāng)氣溫較高時(shí)混凝土在拌合過(guò)程中水分蒸發(fā)的快，會(huì)導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性減小，坍落度降低，和易性差，應(yīng)相應(yīng)提高水灰比。

2.2.2 環(huán)境對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

溫度越高、風(fēng)速越大，會(huì)導(dǎo)致混凝土的水分蒸發(fā)速度大，能加速混凝土早期強(qiáng)度，因而導(dǎo)致后期強(qiáng)度的降低，同時(shí)造成混凝土收縮變形大，開(kāi)裂面積大。在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)增加單位體積用水量。高寒、凍融環(huán)境，溫度較低，水化速度慢，直接影響混凝土的早期強(qiáng)度及后期抗凍性、抗裂性。要保證混凝土力學(xué)性能，要求混凝土有較低的水灰比，在混凝土中要適量地加入粉煤灰摻合料和減水劑，從混凝土的早期硬化上限制水化熱，這樣后期硬化才能減少收縮變形。

2.2.3 環(huán)境對(duì)混凝土耐久性的影響

高溫會(huì)使混凝土中自由水蒸發(fā)快，混凝土凝結(jié)速度快，導(dǎo)致混凝土的塑性收縮大，產(chǎn)生裂縫，尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，會(huì)進(jìn)一步造成鋼筋銹蝕。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加水灰比，加入緩凝劑，減緩水化速度。在高寒地區(qū)，尤其是在有水接觸的受凍環(huán)境下，降低水灰比，可使混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔，氣泡變小，大大提高混凝土的抗凍能力。

潮濕、鹽堿腐蝕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，摻入礦物摻合料，能夠改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，明顯提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，進(jìn)而提高混凝土的耐久性。同時(shí)，可以適當(dāng)添加阻銹劑，防止混凝土結(jié)構(gòu)后期鋼筋銹蝕。

2.3 結(jié)構(gòu)部位

混凝土工程的不同結(jié)構(gòu)部位有不同的特點(diǎn)，其對(duì)混凝土的和易性、強(qiáng)度、耐久性就有不同的要求。在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

2.3.1 結(jié)構(gòu)部位對(duì)和易性的要求

對(duì)于結(jié)構(gòu)部位尺寸較大的混凝土，對(duì)和易性要求較高，施工過(guò)程中，應(yīng)充分考慮大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，使用大摻量活性摻合料和緩凝劑，可有效降低水泥的早期水化熱。

對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)高較高的部位，需要泵送施工，就要求混凝土具有較好的泵送性，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，要加入泵送劑，調(diào)整混凝土的流動(dòng)性。

2.3.2 結(jié)構(gòu)部位對(duì)混凝土力學(xué)性能的要求

建筑工程中的墊層、梁、板、柱、基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度要求不同，在建筑工程中柱子的強(qiáng)度高于同一層梁、板的強(qiáng)度；橋梁的不同部位如橋墩、橋臺(tái)、鋼梁混凝土強(qiáng)度要求也不同。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí) 1.5～2 倍的水泥強(qiáng)度等級(jí)，減少水灰比，選擇級(jí)配良好的中砂和連續(xù)粒級(jí)的石子等方式，來(lái)提高混凝土的強(qiáng)度。

2.3.3 結(jié)構(gòu)部位對(duì)混凝土耐久性的要求

不同結(jié)構(gòu)部位受力不同，會(huì)對(duì)耐久性產(chǎn)生影響，如橋梁的索塔，要求混凝土具有良好的抗裂性能，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，考慮摻入粉煤灰等活性摻合料和緩凝減水劑，盡量降低膠凝材料的水化熱，減少混凝土的化學(xué)收縮和干縮，提高其抗收縮性能；提高混凝土自身的抗變形、抗開(kāi)裂性能。

2.4 其他因素

混凝土的運(yùn)輸方式、澆筑方法等生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工工藝也對(duì)混凝土的和易性有較大的影響，進(jìn)而影響了混凝土的配合比設(shè)計(jì)。比如遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)幕炷?，就要力求其凝結(jié)時(shí)間滿足運(yùn)輸施工要求，泵送混凝土要求混凝土有較好的流動(dòng)性等，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，如對(duì)于泵送混凝土應(yīng)相應(yīng)加大砂率，加入適量泵送劑，來(lái)增加混凝土澆筑過(guò)程中的流動(dòng)性，減少阻力。

3 結(jié)論

結(jié)構(gòu)部位、環(huán)境、原材料、工藝等因素并不是獨(dú)立的，而是相互影響的。比如同一個(gè)結(jié)構(gòu)部位因所處環(huán)境不同，則配合比就不盡相同；同一個(gè)環(huán)境的不同結(jié)構(gòu)部位，配合比也需要適當(dāng)調(diào)整；而原材料的選用也需考慮結(jié)構(gòu)部位特點(diǎn)和環(huán)境。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)部位、其所處的環(huán)境、原材料的選擇、工藝來(lái)確定混凝土的工作性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、經(jīng)受長(zhǎng)期環(huán)境影響的耐久性指標(biāo)，再進(jìn)行水灰比、砂率、骨料級(jí)配、摻合料、外加劑量的試配，最終確定工程各個(gè)部位特有的配合比設(shè)計(jì)。