混凝土配合比的合理設計方法概述

混凝土配合比的合理設計方法概述根據(jù)混凝土這種多元多相水泥基復合材料特點提出科學合理設計混凝土配合比的原則，即應由水泥基膠結(jié)材漿體體積、空氣體積與砂、石體積組成配合比，并著重論述水泥基膠結(jié)材漿體的設計配制方法以及按堆積密實原則設計砂、石量的方法。將國內(nèi)外常用的兩種連續(xù)級配計算式，針對混凝土拌合物稠度類型，增加為五種計算式；并明確每種稠度類型的石子量基本穩(wěn)定在一定量值上；以及不論哪種類型混凝土，其砂率均必然隨膠結(jié)材漿體量變化而改變的規(guī)律。從而將國內(nèi)一向以砂率為主要設計參數(shù)的混凝土配合比設計方法改變?yōu)橐阅z結(jié)材漿體量與石子量為主要參數(shù)的設計方法。混凝土以其能配制從C10至C100以上的強度，能澆筑進任何形狀尺寸的模型，并能用鋼筋、纖維直至預應力筋進行增強的優(yōu)勢，已廣泛應用于房屋建筑、道橋、涵洞、海港、空港，直至海上采油平臺，原子反應堆等所有土建工程。在混凝土技術發(fā)展與應用過程中，世界各國曾有無數(shù)工程技術人員對混凝土配制的技術進行研究探索，取得相當豐富的經(jīng)驗，許多國家的相關標準中，也曾針對某些情況提出過若干配制參考數(shù)據(jù)。l混凝土配合比設計原則混凝土是以水泥為主，摻用若干種粉狀礦物摻合料加水和外加劑配制成的膠結(jié)材漿體，將散落的砂、石拌和均勻，澆筑在梁、柱、板等各種模型中，牢固地粘結(jié)成一個整體的工程材料?；炷猎谂渲粕a(chǎn)過程中，除要求水泥基膠結(jié)材漿體本身均勻外。還要求通過攪拌將每個砂、石顆粒用漿體包裹分割開來，再通過振搗等施工工藝，使砂、石獲得最緊密的堆積。被膠結(jié)材牢固地粘結(jié)在一起。泵送大流動性混凝土和自密實混凝土還要求膠結(jié)材漿體有足夠的粘性和流動性，施工時能將砂石均勻懸浮在膠結(jié)材漿體中?；炷猎谏a(chǎn)攪拌過程中會由砂、石帶進一部分空氣，由于耐久性的要求，還會通過摻人引氣劑引進一部分氣體。因而混凝土是一種含多種原材料，含固、液、氣三相的多元多相水泥基復合材料。為此，設計配制優(yōu)質(zhì)混凝土必須遵守以下原則：(1)混凝土由膠結(jié)材漿體(膠結(jié)材+水+減水劑)體積、空氣體積、砂體積、石體積四部分組成，應按這四部分體積比進行混凝土配合比設計：(2)水泥基膠結(jié)材漿體是決定混凝土施工工作性和混凝土強度、耐久性的關鍵組分，因此應首先按施工工藝及強度、耐久性要求，盡可能科學合理地選定水泥品種、水灰比(水膠比)，單方水量與高效減水劑品種、用量，以及摻合料品種、用量，配制出適用的膠結(jié)材漿體：(3)所有砂、石和粉狀固體顆粒應有最密實的堆積：(4)新拌混凝土必須具備施工工藝要求的施工性能；(5)混凝土澆筑后經(jīng)振搗、養(yǎng)護等工藝應能滿足結(jié)構(gòu)設計要求的各種性能，如抗壓強度、彈性模量、抗?jié)B、抗凍融等性能。本文主要就混凝土配合比的合理設計方法加以論述。2設計符合要求的膠結(jié)材漿體普通混凝土從施工工作性可區(qū)分為干硬性混凝土(坍落度小于10mm)、低塑性混凝土(坍落度1O～4Omm)、塑性混凝土(坍落度(5O～90mm))、流動性混凝土、(坍落度100～150mm)和大流動性混凝土(坍落度大于160mm)五種類型。干硬性混凝土漿體只要將膠結(jié)材與水混合均勻即可，低塑性和塑性混凝土漿體則應適當添加塑化劑或普通減水劑，流動性混凝土和大流動性混凝土漿體則需要添加高效減水劑并在膠結(jié)材中摻含大量玻璃微珠的粉煤灰組分。以利于施工和易性。各種類型混凝土依據(jù)施工工藝及強度、耐久性等要求，可適當添加礦物摻合料。鑒于混凝土為工程結(jié)構(gòu)材料，混凝土配合比除考慮施工工作性外，更重要的是要根據(jù)結(jié)構(gòu)強度、耐久性要求進行設計。為此首先應按強度等級選定適宜的水泥品種與水灰比?；同時按施工工藝要求設計單方水量以及與之相適應的減水劑品種、用量；再按施工工藝和硬化混凝土耐久性要求選擇摻合料品種、取代水泥量等。以配制出符合要求的水泥基膠結(jié)材漿體。在高效減水劑廣泛應用的今天，混凝土單方拌和水量，在水膠比大于0．5時，不宜多于190kg；在水膠比小于0．4時，則宜以配出的膠結(jié)材漿體量不大于0．36m3(自密實混凝土不大于0．4m遵照中央提出的科學發(fā)展觀、建設循環(huán)經(jīng)濟與節(jié)約型社會和有利于環(huán)境的指導思想，在設計混凝土配合比時應采取大量摻用工業(yè)廢渣，減少水泥用量的原則l21，礦物摻合料取代水泥量不宜低于50％。配制出的膠結(jié)材漿體要有一定的流動性和粘性。漿體流動性大小主要與高效減水劑的性能、摻量以及單方水量大小相關，漿體的粘性則與膠結(jié)材粉體數(shù)量、水膠比和外加劑性能相關。宜按施工工藝要求對漿體的流動性和粘性適當調(diào)整。3按堆積密實原則設計單方砂、石量在設計出符合混凝土強度、耐久性和施工工作性要求漿體的基礎上，在每m混凝土中除去漿體體積和空氣體積外，剩余部分便是砂、石體積。如前所述，在設計混凝土配合比時所有砂、石及粉狀固相顆粒應有最密實的堆積。怎樣才能獲得最密實的堆積呢，方法有二。一是種著名的富勒氏連續(xù)級配理論【3】，其方程式如式(1)：另一種獲得密實堆積的方法為間斷級配。以間隔三個以上篩號的小顆粒填充大顆?？障?。鑒于目前國內(nèi)建筑工程施工混凝土的石子最大粒徑多為25mm和20mm，下面用(1)式計算石子最大粒徑為25mm和20mm的砂、石最密實堆積級配數(shù)據(jù)如表所示(略)。筆者經(jīng)反復多次試驗，最大粒徑為25mm和2Omm的石子，如按表內(nèi)兩級配復配，空隙率均可降至38％以下，如按三級配、四級配復配，則空隙率可降至36％以下。鑒于砂、石來源與材質(zhì)不同，在配制混凝土時。不宜用與石子統(tǒng)一的連續(xù)級配要求砂子。一般均用砂率表述砂、石配合關系。從計算數(shù)據(jù)看，石子最大粒徑為25mm的普通混凝土的連續(xù)級配砂率約為40％，石子最大粒徑為2Omm的普通混凝土的連續(xù)級配砂率約為45％。但由于最大粒徑為25mm的石子用(1)式計算的密實堆積狀態(tài)的砂子偏粗，比粒度[41為4，若換用比粒度為5的偏粗中砂，則砂量變?yōu)?9．9×4／5=31．9％，加上石子的60．1％，砂石合計為31．9+60．1=92％，則砂率變?yōu)?1．9／92．0=34．7％，較原計算砂率降低5．2％(5％左右)。同樣，同(2)式計算的堆積密實狀態(tài)的砂子比粒度為4．63，已屬于偏粗的中砂，如改用比粒度為5的中砂，砂率約降低2％。對于砂率，日本建設省提出的“新RC計劃”I51認為，最大堆積密實度理論對于骨料比表面積與多余的起潤滑作用的漿體數(shù)量的影響考慮得不夠，提出有利于新拌混凝土流動性的砂率降低值。筆者經(jīng)試驗證明，在膠結(jié)材量較多時適當減少砂率，確有利于混凝土的流動性。表1為筆者探索自密實混凝土配合比過程中的部分試驗數(shù)據(jù)。表1的數(shù)據(jù)說明，對于膠結(jié)材多的混凝土，按堆積密實曲線適當減少砂率，不僅有利于流動性，而且有利于漿體與骨料的總體密實性，在表3中體現(xiàn)為強度也有一定程度的提高。另外從堆積密實原則看水泥及摻臺料粉體與砂石的堆積關系，由于水泥、S95磨細礦渣粉的粒徑多在1～80／μm之間，一級粉煤灰稍細一些，二級粉煤灰稍粗一些。如按d2=d1／2的篩孔縮減規(guī)律看，膠結(jié)材粉體或漿體與砂、石混拌均勻，也符合間斷級配堆積密實規(guī)律。綜上所述．設計混凝土配合比必須按強度、耐久性與施工工作性要求，設計出合乎要求的膠結(jié)材漿體。有了膠結(jié)材漿體體積，則在每m3混凝土拌合物中，除去漿體體積和空氣體積就是砂、石體積。然后根據(jù)石子最大粒徑按堆積密實及有利于流變性原則選擇合適的砂率，即應得出符合要求的混凝土配合比。4對堆積密實型連續(xù)級配的進一步研究按前述規(guī)律通過反復多次試驗與探索，發(fā)現(xiàn)堆積密實型連續(xù)級配曲線，僅(1)式不能涵蓋各種類型混凝土的實際情況。經(jīng)反復試驗認為，宜按干硬性混凝土(坍落度小于10mm)、低塑性混凝土(坍落度10～40mm)、塑性混凝土(坍落度50～90mm)、流動性混凝土(坍落度100～150mm)和大流動性混凝土(坍落度大于160mm)五種類型分別建立適用的連續(xù)級配計算式。前述(1)式適用于塑性混凝土的骨料連續(xù)級配。流動性混凝土的骨料連續(xù)級配則宜采用(2)式。通過用(2)、(3)、(4)、(5)式計算，石子最大粒徑為25mm時，流動性混凝土的連續(xù)級配砂率約為45％，低塑性混凝土的連續(xù)級配砂率約為3l％．干硬性混凝土的連續(xù)級配砂率約為20％；石子最大粒徑為20mm時，流動性混凝土的連續(xù)級配砂率約為50％，低塑性混凝土的連續(xù)級配砂率約為37％，干硬性混凝土的連續(xù)級配砂率約為24％。鑒于中、低塑性混凝土石子最大粒徑有時用至31．5mm，用同樣方法計算得出，石子最大粒徑為31．5mm時，塑性混凝土的連續(xù)級配砂率約為34％，低塑性混凝土的連續(xù)級配砂率約為27％，干硬性混凝土的連續(xù)級配砂率約為l5％。此前，曾用(1)式，用最大粒徑為25mm的石子，采取經(jīng)驗上常用的膠結(jié)材量和用水量配制膠結(jié)材漿體，并參照日本新RC計劃降低砂率規(guī)律探求膠結(jié)材漿體與砂、石單方用量關系時，計算如表2。從表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當砂率隨膠結(jié)材用量的增加而降低時，粗骨料用量大體穩(wěn)定在某一量值上。其規(guī)律是混凝土拌合物的稠度愈干，石子最大粒徑愈大，則堆積密實型連續(xù)級配所用的石子量愈多；反之則石子用量愈少。參照此現(xiàn)象，將五種類型混凝土按堆積密實連續(xù)級配公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)進行計算。將5~25mm與5~20mm石料分別按5~15mm與15~25mm以及5—15mm與15—20mm兩個粒級復配，計算出砂率與石子量關系，如表3所示。表3的數(shù)據(jù)給人們以啟示，從中得出了混凝土科學配合方面的一些重要信息和規(guī)律。(1)不同類型混凝土、不同石子最大粒徑的單方石子用量大體穩(wěn)定在一定數(shù)量上。如要求配制的混凝土拌合物稠度硬一些(坍落度小一些)，可將單方石子用量較表3的數(shù)量稍增一些：如要求配制的混凝土拌合物稠度軟一些(坍落度大一些)，則可將單方石子用量較表5的數(shù)量減少一些。(2)從表1的連續(xù)級配計算可以看出，石子最大粒徑為25mm時。粒徑小于0．16mm的粉狀顆粒占8％~9％；石子最大粒徑為20mm時，粒徑小于0．16mm的粉狀顆粒占18％~20％。故表3所列連續(xù)級配砂率均為低膠結(jié)材(單方膠結(jié)材量為250~300kg)砂率，隨著單方膠結(jié)材量的增加，砂率相應降低。不論是大流動性混凝土或其他任何類型的混凝土，砂率都是隨膠結(jié)材數(shù)量變化而改變的，即使是干硬性混凝土也符合這一規(guī)律，砂率都不是一成不變的。(3)要取得堆積密實效應，粗骨料必須采取兩個以上粒級混拌的方法，才能使混拌后的粗骨料空隙率小于38％。表3將石子最大粒徑為25mm和20mm分別按25~15mm與15~5mm以及20~15mm與15~5mm兩個粒級復合的比例列出。從表上數(shù)據(jù)看，混凝土拌合物的稠度愈軟(流動性大)，5~15mm較小顆粒石子用量愈多，但只要在攪拌機進料口處按兩個以上粒級復配，即可配出級配優(yōu)良的混凝土拌合物。對此，美國ACI211．1標準關于單方石子用量的規(guī)定161可資借鑒。表4為ACI211．1標準關于單方粗骨料體積的數(shù)據(jù)。以表4中兩個數(shù)據(jù)為例，用細度模數(shù)為2．8的偏粗中砂，表4中石子最大粒徑為25mm時，單方石子量為干搗實體積0．67m3n：石子最大粒徑為20mm時，單方石子量為干搗實體積0．62m3。美國的骨料均為規(guī)?；笊a(chǎn)，粒形與級配均較好，石子空隙率一般均小于36％。按空隙率為36％計，干搗實體積0．67m3相當于石子實體積0．67×(1—0．36)=0．日本JASS5也有類似推薦石子用量的數(shù)據(jù)(解說表4．4)[71，此處不一一贅敘。參照ACI211．1標準，說明本文將國際上常用的富勒氏連續(xù)級配計算式發(fā)展為五個計算式．以及設計混凝土配合比時按不同類型混凝土與石子最大粒徑先選定單方石子量而不采取固定砂率的方法是有利于正確設計優(yōu)質(zhì)混凝土配合比的。另外，通過多次拌和試驗發(fā)現(xiàn)同樣的砂漿量，膠結(jié)材漿體多，砂子少的砂漿較膠結(jié)材漿體少，砂子多的砂漿有利于包裹，分割較多一些石子。因此，在設計混凝土配合比時，當膠結(jié)材用量大于4OOkg／m3。時，單方石子量可較表3的數(shù)據(jù)增加3~5L；當膠結(jié)材用量大于500kg／m3時，石子用量則可增加5~l0L。至于自密實混凝土，我國《自密實混凝土應用技術規(guī)程》(CECS203：2006)[61和《自密實混凝土歐洲指南》【9】明確規(guī)定石子最大粒徑為20mm，單方石子用量為280—350L；日本建筑學會《自密實混凝土施工指南》【0I也明確規(guī)定單方石子用量為280~350L，但石子最大粒徑可用到25mm。這些標準均規(guī)定膠結(jié)材(含惰性摻合料)的粉體體積不少于I60L，以確保膠結(jié)材漿體的粘聚性。均未規(guī)定砂率指標。因而自密實混凝土配合比設計也同樣是，先根據(jù)結(jié)構(gòu)物強度、耐久性和自密實施工工藝要求，選擇適宜的水泥品種、水灰比，選擇高效減水劑品種、用量和單方水量．再選擇摻合料(含惰性摻合料)品種、數(shù)量，配制出符合要求的漿體；再根據(jù)鋼筋間距和模板形狀、尺寸，選定石子最大粒徑及單方用量，進行試拌，通過工藝性試驗、調(diào)整后提出生產(chǎn)配合比。5建議建筑工程混凝土粗骨料由名義上的連續(xù)級配改為多粒級復配目前我國建筑工程每年開復工面積以億m2計．混凝土施工量也達數(shù)億m3。而混凝土配合比卻處于嚴重落后狀況，不僅落后于歐、美、日本等發(fā)達國家，也落后于國內(nèi)的水利、交通等行業(yè)。我國水利工程混凝土的粗骨料多為三級配、四級配，道橋工程混凝土多為二級配、三級配，惟獨建筑工程混凝土至今從南方到北方仍以連續(xù)級配的名義進行多粒級混合料的生產(chǎn)、銷售。事實上，任何混凝土均不可能在骨料生產(chǎn)地拌制。粗骨料經(jīng)過運輸、倒運，必定打亂了原來的級配。經(jīng)倒運后的粗骨料不論大顆粒集中的部分或小顆粒集中的部分，其空隙率均大于原級配，從而導致所配制的混凝土不但談不上密實堆積，而且漿體忽多忽少．極易離析泌水，不僅影響施工性，而且影響混凝土強度不均勻，抗?jié)B性、耐久性降低，漿體搭配不穩(wěn)定，導致增加裂縫的幾率。鑒于國內(nèi)建筑業(yè)的砂、石生產(chǎn)．遠沒有達到發(fā)達國家的規(guī)?；笊a(chǎn)，多處于一家一戶的小生產(chǎn)狀況，而且多采用顎式破碎機。石子粒形很差，更談不上科學的級配，只能供應最大粒徑為25mm或最大粒徑為20mm名義上稱為連續(xù)級配的混合石料。對于這種混合石料，如果采取二級配，例如5~25mm的混合石子在攪拌機進料口處改用5~15mm與l5~25mm二級配，將5~20mm混合石料在攪拌機進料口處改用5~15mm與l5~筆者曾訪問過一些混凝土公司．對目前這種5~20mm和5~25mm混合料對混凝土質(zhì)量的不利影響均感頭疼，若將供貨石子改為5~15mm、15~20mm和l5~25mm三種規(guī)格，攪拌站料場布置并不困難，而對混凝土質(zhì)量則有較大的改善。至于砂、石生產(chǎn)商則完全可以按規(guī)定規(guī)格生產(chǎn)、供貨，不存在任何困難。為此，建議通過修訂混凝土配合比設計規(guī)程。明確規(guī)定石子最大粒徑大于20mm時．必須用兩個以上粒級復配，以改變建筑工程混凝土質(zhì)量落后于水利、交通、市政工程的現(xiàn)狀。6結(jié)語在上世紀50年代以前．混凝土配合比主要是水泥、砂、石和水的比例，而且當時施工的基本上都是低塑性混凝土，水灰比為0．6~1．1，因而配合比問題比較簡單，由料斗計量改為重量比已是一大進步。隨著高效減水劑的誕生，降低水灰比提高混凝土強度成為必然發(fā)展趨勢。在水灰比逐漸降低的過程中．以大量摻合料提高混凝土密實性的高性能混凝土隨之出現(xiàn)。進一步發(fā)展出現(xiàn)自密實混凝土，影響混凝土配合比規(guī)律的因素較前復雜多了。今天來思考混凝土這種多元多相非勻質(zhì)水泥基復合工程材料的配合比問題．主