混凝土配合比设计及试验实例验证

黄少琼

摘 要：本文结合具体试验实例，对混凝土配合比进行优化设计，从混凝土材料之间的关系性质入手，确定了其各矿物掺合料、水胶比、砂率等材料比例，有效地改善了混凝土的工作性能，提高了混凝土的体积稳定性，实现了混凝土的设计目标，供相关人员参考借鉴。

关键词：混凝土；配合比；设计；试验

0 引言

水泥混凝土材料以其强度高、耐久性好、可塑性能优异、成本低廉、原材料储量大等优点，在建筑工程中起着极其重要的作用，是工程项目建设中使用量最大、应用最广泛的一种建筑材料。它是由石子、水泥、沙子、添加剂、拌合水混合逐渐硬化形成的人工石材，其质量性能对于原材料的种类、性质和用量等因素来讲关系甚重。当下混凝土配合比设计并没有统一的方法，都是基于各自试验的基础上计算具体的配合比，只有综合考虑混凝土的工作性、强度和耐久性，才能设计出符合实际混凝土结构工程中对混凝土设计要求的混凝土配合比，从而达到混凝土的使用要求，使混凝土具有较高的耐久性、抗裂性、体积稳定性、良好工作性和经济合理性，为建筑工程打下坚实的基础。

1 混凝土配合比设计

1.1 确定矿物细粉掺合料掺量

现代混凝土的胶凝材料除水泥中的硅酸盐水泥外，还包括水泥中具有胶凝作用的混合材料（如粉煤灰、火山灰、矿渣、沸石粉等）以及配制混凝土时掺入的具有胶凝作用的矿物掺合料（如粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等）。进行现代混凝土配合比设计时，对水泥及矿物掺合料用量的具体规定可参考中国土木工程学会标准CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（2005年修订版）的表4.0.3，并应采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度试验对混凝土水胶比的计算结果进行验证。

1.2 水胶比的计算

对于传统混凝土，其强度与水灰比成反比的保罗米公式应该适用于使用硅酸盐水泥、级配良好而洁净的河砂、粒形匀称的石子的配合比计算。但是对于现代混凝土的胶凝材料体系都为水泥与矿物细粉料掺合料复合体，这个保罗米公式需要改进。因此，JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中为了使混凝土水胶比计算公式更符合实际情况以及普遍掺加粉煤灰和粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料的技术发展情况，在试验验证的基础上，采用掺加矿物掺合料的胶凝材料胶砂强度和相应的混凝土强度进行回归分析。调整了回归系数αa、αb，并经过试验验证，给出了粉煤灰影响系数γf和粒化高炉矿渣粉影响系数γs。水胶比的计算公式变为：

（1）

式中：γc——水泥强度等级值的富余系数；

fce，g——水泥强度等级值；

fcu，o——混凝土配制强度。

1.3 浆骨比的选择

在新拌混凝土中，水泥浆体主要起润滑作用，当浆量占大多数时，混凝土的黏聚性、保水性、流动性均良好，而且非常容易插捣，几乎感觉不出骨料的阻力，但过多的浆量，致使混凝土抗早期开裂性能下降，干缩变形也明显，不利于混凝土的耐久性。如果浆量过少，砂石表面包裹的浆量过少，混凝土的流动性、黏聚性会很差，并且出现离析，这时靠增加减水剂用量对增大混凝土坍落度也几乎没有效果。因此，选择浆量的原则是：在满足混凝土和易性的前提下，尽量选择最小的浆骨比。根据P.K.Matha和P.C.Aitcin教授的观点，要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度，其水泥浆和骨料的体积比应为35：65，计算骨料体积所使用的密度应当是饱和面干状态下所测定的。对于现代混凝土，可按GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》附录B中表B.1.1对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌合物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。在试验室试配时，如果混凝土和易性不够好，可以保持水胶比不变，提高浆体量。

2 配合比设计试验实例验证

某公路工程混凝土强度等级为C40，坍落度为（200±20）mm，到达现场浇筑前坍落度为（180±20）mm；环境作用等级为Ⅱ-E级，最大水胶比为0.45，胶凝材料用量为320～450kg/m3。混凝土耐久性指标要求：混凝土氯离子含量不应超过胶凝材料用量的0.1%，总碱含量不宜超过3kg/m3，混凝土抗冻耐久性系数DF≥70%。

提供的原材料条件，水泥：冀东P·O42.5水泥，密度3.1g/cm3，氯离子含量0.01%，碱含量0.60%，标准稠度用水量28.4%。

粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，45μm筛筛余量16%，烧失量2.36%，需水量比98%，密度2.2g/cm3，碱含量0.78%，氯离子含量0.01%。

矿渣粉：S95矿渣粉，密度2.8g/cm3，碱含量0.95%，氯离子含量0.01%。

粗骨料：碎石，碎石5～10mm与10～25mm以3：7合成级配，表观密度为2800kg/m3，振实后堆积密度为1480kg/m3，空隙率40%。

细骨料：河砂，细度模数为2.8，表观密度为2700kg/m3，振实后堆积密度1480kg/cm3，空隙率45%。

外加剂：引气型聚羧酸高效减水剂，减水率27%，含气量4.5%，推荐掺量1.8%。

2.1 矿物掺合料掺量选择

按GB/T50476—2008《混凝土耐久性设计规范》条文说明附录B，对Ⅱ-E的环境作用有：W/B=0.4时，αf/0.3+αs/0.4≤1。考虑普通硅酸盐水泥中已掺有部分矿物掺合料，故取αf=10%，αs=10%。按此掺量对胶凝材料进行胶砂强度试验，28d抗压强度为44.4MPa。

2.2 计算水胶比

混凝土配制强度fcu，o≥40+1.645×5.0=48.2（MPa）。由公式W/B=αafb/（fcu，o+αaαbfb），αa=0.53，αb=0.20；计算W/B=0.44，满足设计要求W/B≤0.45，故取W/B=0.44。

2.3 选择浆骨比

参考GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》对最小和最大胶凝材料的限定范围，当W/B=0.44时，胶凝材料用量为320～450kg/m3，可先选择浆骨比32：68进行试配，根据试试配情况，进行浆量的调整。

2.4 初步配合比计算

由W/B=0.44，浆量为0.32（L/m3）可推得：

0.44B/1+0.8B/3.1+0.1B/2.2+0.1B/2.8+40=320，则mB=359kg/m3；进而水mW=158kg/m3；水泥mC=287kg/m3；粉煤灰mf=36kg/m3；矿渣粉mk=36kg/m3；减水剂m减水剂=6.46kg/m3。

粗骨料的用量：mG=2800×0.66×（1-41%）=1109kg/m3；

细骨料的用量：mS=771kg/m3。

2.5 试配结果

混凝土配合比试验验证结果见表1。

表1 混凝土配合比试验结果

3 结束语

总之，合理的材料配合比设计必须满足相关规范给出的包括强度、工作性、耐久性、经济性等要求，根据材料特性确定各种成分的用量，获得最经济和适用的混凝土，经过对水泥混凝土路面配合比设计深入系统的研究，使混凝土配合比設计体系更加科学合理、方便快捷，从而推动水泥混凝土科学的发展。

参考文献

[1]陈海红.高性能混凝土原材料的质量控制[J].漳州职业技术学院学报.2009（04）

[2]余燕妮、焦楚杰、张文华.高性能混凝土配合比智能化系统研究进展[J].混凝土.2011（07）