現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算和試配調(diào)整的新方法（三）

鄧興才

（廈門市硅酸鹽學(xué)會(huì)，福建 廈門 361008）

（上接前文）

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 技術(shù)要求

某地下工程底板和外墻，設(shè)計(jì)使用年限為 70 年，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C35，抗?jié)B等級(jí) P8，地處一般環(huán)境下屬輕度腐蝕，即環(huán)境作用等級(jí)為：Ⅰ-B。按大體積混凝土設(shè)計(jì)，其抗壓強(qiáng)度按標(biāo)養(yǎng)齡期 60 天強(qiáng)度驗(yàn)收。夏季澆筑，施工方要求混凝土拌合物入模溫度不高于 30℃，澆筑體按大體積混凝土進(jìn)行溫度控制?；炷磷畲笏z比小于 0.5，最大膠凝材料用量 400kg，石子最大粒徑31.5mm，混凝土拌合物初始坍落度 180～200mm，一小時(shí)后坍落度不低于 170mm。

4.2 原材料選擇

（1）水泥：選用福建龍巖“十大”P·O42.5 水泥，表觀密度 3100kg/m3，比表面積 326m2/kg；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 26.8%；3 天和 7 天抗壓強(qiáng)度分別為 27.9MPa 和54.8MPa；抗折強(qiáng)度分別為 5.7MPa 和 9.4MPa；水化熱分別為 248.8kJ/kg 和 289.1kJ/kg（以上數(shù)據(jù)為福建省水泥監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測(cè)結(jié)果）。

另一種水泥是安徽蕪湖“海螺”P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥，3 天膠砂抗壓強(qiáng)度 35～37MPa ，28 天抗壓強(qiáng)度53～55MPa。

（2）粉煤灰：益材Ⅰ級(jí) F 類，45μm 篩篩余量8%，燒失量 1.5%，需水量比 93%，28 天抗壓強(qiáng)度比為75%，表觀密度 2250kg/m3。

（3）礦渣粉：福建三鋼“鋼松”S95，比表面積420m2/kg，7 天及 28 天活性分別為 75% 和 97%，表觀密度 2850kg/m3。

（4）粗骨料：花崗巖圓錐破碎石，粒徑 5～16mm與 16～31.5mm 以 4:6 兩級(jí)配后，其飽和面干表觀密度為 2650kg/m3，堆積密度 1610kg/m3，空隙率為 39%。

（5）細(xì)骨料：機(jī)制砂與河砂以 6:4 混合后，細(xì)度模數(shù) 2.74，Ⅱ 區(qū)中砂，飽和面干表觀密度 2640kg/m3，松堆密度 1450kg/m3。

（6）減水劑：科之杰高效中濃，固含量 15%，減水率 28%。

4.3 配合比四大要素的確定

4.3.1 水膠比及礦物摻合料摻量的確定

本設(shè)計(jì)擬分別選用 P·O 42.5 和 P·Ⅱ52.5 水泥配制同一強(qiáng)度等級(jí)（C35P8）的混凝土，且漿體體積相同而水膠比不同的六組配合比進(jìn)行比較，其中用 P·O 42.5水泥拌制四組，用 P·Ⅱ52.5 水泥拌制兩組。六組配比中，礦物摻合料的摻量各不相同，其具體摻量和膠凝材料強(qiáng)度及水膠比計(jì)算和調(diào)整詳見表 9。

表 9 摻合料摻量及水膠比的計(jì)算與調(diào)整值

附注：

① 表 9 中試配強(qiáng)度、膠材強(qiáng)度及水膠比計(jì)算值均按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的相關(guān)公式計(jì)算；

② 水膠比調(diào)整值是結(jié)合原材料品質(zhì)情況并參考日常生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定。

表 9 中，C35P8 的 6 組配合比中以編號(hào) 4# 為例計(jì)算其配合比的配制強(qiáng)度、膠凝材料強(qiáng)度及水膠比：

（1）配制強(qiáng)度：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ =35+1.645×5=43.2(MPa)

計(jì)算公式 JGJ 55（4.0.1-1）

（2）膠凝材料強(qiáng)度：

fb=γf·γk·fce=0.84×1.00×48= 40.3(MPa)

計(jì)算公式 JGJ 55（5.1.3）

（3）水膠比：計(jì)算公式 JGJ 55（5.1.1）

（實(shí)際水膠比調(diào)整為 0.43）

附注：其余編號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算方法相同，均按 JGJ 55—2011《普通混凝土配比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的相關(guān)公式計(jì)算。

4.3.2 漿骨比及砂率的確定

根據(jù)對(duì)混凝土技術(shù)要求，強(qiáng)度等級(jí) C35 是按標(biāo)養(yǎng)60 天強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)收，本著最小漿骨比的原則，可依據(jù)“廈門地區(qū)混凝土配合比四要素選擇參考表”，降低一個(gè)等級(jí)按 C30 選定每立方混凝土拌合物中漿體體積為0.300 立方米，若忽略空氣體積，骨料體積應(yīng)為 0.700立方米，則漿骨比可視為 3:7；但在具體試配時(shí)，商混企業(yè)試驗(yàn)室實(shí)測(cè)非引氣型混凝土拌合物的含氣量一般也都大于 2%，實(shí)測(cè)拌合物的表觀密度一般也比忽略含氣量所計(jì)算的拌合物表觀密度要小 50kg/m3以上，也就是說(shuō)，在選定漿體體積不變的情況下，每立方混凝土拌合物中，骨料的體積實(shí)際減小了 20 升，所以在具體設(shè)計(jì)計(jì)算配合比時(shí)，仍按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中規(guī)定，從每方拌合物體積中減去 1%（10升）的含氣量所占的體積，本應(yīng)按 3:7 的比例同時(shí)減小漿體體積和骨料體積，在此為簡(jiǎn)化計(jì)算，選擇固定漿體體積，只扣除 10 升骨料體積（即按 0.690 立方米計(jì)算）。

在砂石骨料總量中，砂率確定為 42%。另外，減水劑的含水量在試拌時(shí)應(yīng)從拌合水中扣除，其固體含量在拌合物中所占的體積忽略不計(jì)。

C35P8 的六組配合比主要相關(guān)參數(shù)計(jì)算及選擇詳見表 10。

4.4 C35P8 混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算及試配調(diào)整

4.4.1 C35P8 配合比計(jì)算步驟

以下是對(duì) C35P8/R60 的六組配合比中編號(hào) 4# 配比的具體計(jì)算過(guò)程：（至于其他各組配合比的單方材料用量，只要將相關(guān)計(jì)算公式輸入 Excel 電子表格，也很容易算出。）

（1）混合膠材密度 ρb，根據(jù)本文 3.1 中公式 (12) 計(jì)算：

ρb=1/(βc/ρc+βf/ρf+βk/ρk)

該公式中：4# 配合比的水泥、粉煤灰及礦渣粉在膠材總量中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：

βc=0.70、βf=0.21、βk=0.09

水泥、粉煤灰及礦渣粉的表觀密度分別為：

ρc=3100、ρf=2250、ρk=2850

將其代入公式 (12) 計(jì)算得混合后膠材密度：

ρb=1/(0.70/3100+0.21/2250+0.09/2850) =2850(kg/m3)

（注：其它各項(xiàng)配比中的膠材密度值詳見表 10，計(jì)算方法相同。）

（2）用水量和膠凝材料總量計(jì)算：

將漿體體積、水膠比和混合膠材及水的密度代入本文 3.1 中公式 (9) 即可

計(jì)算出單方混凝土用水量：

mw= Vp/[(B/W)/ρb+1/ρw]

=300/[(1/0.43)/2850+1/1000]=165(kg)

則膠凝材料總量為：

mb=mw/(W/B)=165/0.43=384(kg)；

或用本文 3.1 中公式 (11) 直接計(jì)算出膠凝材料總量：

表 10 C35P8 配合比主要相關(guān)參數(shù)計(jì)算及選擇

mb= Vp/[1/ρb+(W/B)/ρw]

=300/(1/2850+0.43/1000)=384(kg)

（3）水泥、粉煤灰、礦渣粉、減水劑質(zhì)量計(jì)算（均采用本文 3.1 中公式）：

水泥質(zhì)量：用公式 (13) 計(jì)算：

mc=384×0.70=269(kg)

粉煤灰質(zhì)量：用公式 (14) 計(jì)算：

mf=384×0.21=81(kg)

礦渣粉質(zhì)量：用公式 (15) 計(jì)算：

mk=384×0.09=35(kg)

減水劑質(zhì)量：用公式 (16) 計(jì)算：

mJ=384×1.8%=6.92(kg)

（4）砂石骨料混合后表觀密度 ρa(bǔ)根據(jù)本文 3.2 中公式 (21) 計(jì)算：

ρa(bǔ)=1/[βs/ρs+(1-βs)/ρg]

將砂率和砂、石 飽和面干狀態(tài)下的表觀密度代入該式中計(jì)算得：

ρa(bǔ)=1/[0.42/2620+(1-0.42)/2650]=2637(kg/m3)

（注：公式 (21) 中，ρs、ρg分別為砂、石級(jí)配后的表觀密度，可根據(jù)本文 3.2 中公式 (24)、(25) 計(jì)算，計(jì)算過(guò)程從略）

（5）砂石骨料總質(zhì)量及砂、石用量計(jì)算（用本文3.2 中公式）：

砂石骨料總質(zhì)量，利用公式 (19) 計(jì)算：

ma=2637×0.69=1820(kg)

砂用量，用公式 (22) 計(jì)算：

ms=1820×0.42=764 (kg)

石用量，用公式 (23) 計(jì)算：

mg=1820-764=1056 (kg)

C35P8/R60 六組配合比單方材料用量列于表 11。

附注：

① 表 11 中水泥、粉煤灰、礦渣粉及減水劑用量均依據(jù)漿體體積 VP和水膠比 W/B，先計(jì)算出膠凝材料總用量，再用膠材總量分別乘以各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)求得；

② 砂、石骨料用量，是用混合后的砂石飽和面干表觀密度乘以骨料體積 VA先計(jì)算出砂石總用量，再乘以砂率 βs求得砂用量，再?gòu)纳笆偭恐袦p去砂用量，求得碎石用量；

③ 拌合水用量可用膠凝材料總量乘以水膠比求得，或直接用本文 3.1 中計(jì)算公式 (9) 求得；

④ 表中的六組配合比，都是在保持漿體體積不變的情況下，只調(diào)整水膠比、膠凝材料用量、摻合料摻量或水泥強(qiáng)度而保證各項(xiàng)配比的混凝土強(qiáng)度基本相同；另外，在用水量不變情況下，其坍落度大小主要靠減水劑摻量調(diào)試。

4.4.2 混凝土性能試配結(jié)果記錄

C35P8 的六組配合比，經(jīng)廈門地區(qū)多家商品混凝土攪拌站用不同水泥和減水劑重復(fù)試配，其拌合物性能及標(biāo)養(yǎng)試塊各齡期抗壓強(qiáng)度在同一家攪拌站內(nèi)其結(jié)果基本相近，以廈門僑領(lǐng)華信混凝土公司試驗(yàn)室試配記錄為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄列于表 12。

附注：

① 表 12 中 6 組配合比，經(jīng)廈門華信混凝土公司、廈門僑領(lǐng)華信混凝土公司、廈門三泰混凝土公司、廈門日觀混凝土公司、廈門翔義混凝土公司等多家商混企業(yè)試驗(yàn)室試拌，其實(shí)測(cè)結(jié)果在同一家攪拌站內(nèi)基本相近；

② 從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，雖然 6 組配合比 60 天標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度都超過(guò)了試配強(qiáng)度 43.2MPa，但配合比中，單用水泥未摻加礦物摻合料的 1# 配合比和易性較差，1 小時(shí)坍落度損失也稍大，雖水泥用量比其它 5 組都多，但其抗壓強(qiáng)度卻最低；

③ 單摻加 15% 礦渣粉的 2# 配合比的和易性比 1#稍好，但也不理想；單摻 20%Ⅰ 級(jí)粉煤灰的 3# 配合比和復(fù)合摻加 30% 礦物摻合料的 4# 配合比的和易性更好一些；

④ 使用 P·Ⅱ52.5 水泥，復(fù)合摻加Ⅰ級(jí)粉煤灰和 S95礦渣粉，且總摻量分別達(dá)到 40% 和 38% 的 5# 和 6# 配合比，混凝土拌合物性能會(huì)更好一些。

表 11 混凝土配合比列表 kg/m3

表 12 C35P8 混凝土性能試配及強(qiáng)度檢驗(yàn)記錄

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 使用“新方法”設(shè)計(jì)混凝土配合比的步驟

（1）確定四大要素，即水膠比、漿骨比、砂石比（砂率）及膠材比。

（2）計(jì)算四個(gè)表觀密度，即：

① 根據(jù)膠凝材料各自所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和表觀密度，計(jì)算水泥與礦物摻合料混合以后的膠凝材料表觀密度（3.1 公式 (12)）；

② 砂與石先分別按不同的搭配比例計(jì)算其級(jí)配后各自的表觀密度（3.2 公式 (24)、(25)）；

③ 再根據(jù)不同砂率計(jì)算砂、石混合后的骨料表觀密度（3.2 公式 (21)）。

（3）計(jì)算兩個(gè)總質(zhì)量，即：

① 根據(jù)漿體體積和水膠比以及混合膠材和拌合用水的兩個(gè)表觀密度計(jì)算膠凝材料總質(zhì)量及拌合水用量；

② 根據(jù)骨料體積和砂率以及砂石混合后的表觀密度，計(jì)算砂石骨料總質(zhì)量和砂、石各自的單方用量。

（4）根據(jù)膠材總量和各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及減水劑摻量，計(jì)算配合比中水泥和各種摻合料及減水劑在單方混凝土中的用量。

5.2 影響現(xiàn)代混凝土性能的多種因素

從配合比的設(shè)計(jì)試配和調(diào)整過(guò)程可以說(shuō)明在多元膠凝材料體系下的現(xiàn)代混凝土，其混凝土強(qiáng)度不僅受到水膠比大小和水泥強(qiáng)度的影響，還要受到礦物摻合料及減水劑的品種、摻量影響，而且還更加凸顯了骨料品質(zhì)、顆粒大小、形狀和級(jí)配對(duì)其拌合物及硬化后混凝土性能的影響。還可以看到，在設(shè)計(jì)相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r，我們可以在保持漿體體積不變的情況下，通過(guò)調(diào)整礦物摻合料的摻量或水泥品種（強(qiáng)度），而在一定范圍內(nèi)改變水膠比的大小，也就是說(shuō)現(xiàn)代混凝土中，影響混凝土強(qiáng)度的因素眾多，已不再只與“水灰比”成單一的負(fù)線性關(guān)系，當(dāng)然也并沒有否定“水灰比”定則。

5.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)試配“新方法”的適用范圍

不僅可以用來(lái)設(shè)計(jì)中、低強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土配合比，還可以用來(lái)設(shè)計(jì)高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比；不僅可以用來(lái)設(shè)計(jì)大流動(dòng)性的自密實(shí)混凝土，甚至在設(shè)計(jì)低坍落度的透水混凝土?xí)r，也可以用漿體體積和水膠比來(lái)計(jì)算膠凝材料的用量。它們之間的最大區(qū)別無(wú)非是配合比中四大要素的選用不同而已。

5.4 使用 Excel 電子表格計(jì)算配合比

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，每組配合比不必要逐個(gè)計(jì)算，而是把相關(guān)數(shù)據(jù)按計(jì)算公式輸入 Excel 的單元格中，則即刻自動(dòng)算出單方混凝土中各種材料的用量，無(wú)論一次要算多少組配比也十分快速簡(jiǎn)便。（全文完）

衷心感謝：

在現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)試配“新方法”的實(shí)踐過(guò)程中，廈門相關(guān)商混企業(yè)試驗(yàn)室的同行們給予了積極協(xié)作和支持，在此衷心感謝廈門華信混凝土公司、廈門僑領(lǐng)華信混凝土公司、廈門三泰混凝土公司、廈門鴻銘建材公司、廈門翔義混凝土公司、廈門美益混凝土公司、廈門日觀混凝土公司、廈門天潤(rùn)錦龍混凝土公司等商混企業(yè)試驗(yàn)室在混凝土對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中所體現(xiàn)出的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的工作態(tài)度，還要特別感謝福建混凝土研究中心徐仁崇所長(zhǎng)和商混企業(yè)張遂彩、李志勇、黃紅柳、紀(jì)淑卿、顏廣、畢軍軍等總工程師和林昭輝、吳敬超、董佳兵、陳國(guó)建等主任和試驗(yàn)室全體砼人的鼎力協(xié)助。

依照本文內(nèi)容制作的“PPT”課件，我曾在小范圍內(nèi)給一些商混企業(yè)的技術(shù)人員講過(guò)，還被廈門科之杰新材料集團(tuán)分集做成視頻課件在網(wǎng)上播放過(guò)，在此一并謝過(guò)。

本文在撰寫過(guò)程中，得到中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)工程科研基地副總經(jīng)理?xiàng)钗目聘呒?jí)工程師和中國(guó)商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(huì)顧問(wèn)王永奎教授的熱情指導(dǎo)和幫助，還得到北京砼享未來(lái)工程技術(shù)研究院聞寶聯(lián)院長(zhǎng)的認(rèn)同，并按照他們的意見進(jìn)行過(guò)修改和補(bǔ)充，在此真誠(chéng)感謝！最后，還要特別感謝清華大學(xué)廉慧珍教授對(duì)本文的親自審閱和修改，讓本文得以和更多的砼行們見面。