探讨混凝土配合比设计方法的比较

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摘 要：配合比是保证商品混凝土性能的一个重要方面，是混凝土质量控制的首要问题，是向客户交付满足合同要求产品的关键环节之一，也是判定产品是否经济合理的基本依据之一。本文提出了优化混凝土配合比的几种方法。

关键词：混凝土；配合比；设计

中图分类号：TQ178 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）05-（页码）-页数

随着材料科学的不断发展，混凝土的用途也越来越广泛，己成为跨行业、跨学科、互相渗透的领域。混凝土配合比设计涉及到几个方面的内容：一要保证混凝土硬化后的强度和所要求的其他性能及耐久性；二要满足施工工艺，易于操作而又不遗留隐患的工作性；三要在符合上述两项要求下选用合适的材料和计算各种材料的用量；四要对上述设计的结果进行试配、调整，使之达到工程的要求；五要在达到上述要求的同时，设法降低成本。传统的配合比设计方法已很难满足上述需要，本文即是对几种优化混凝土配合比设计方法的比较。

1 调整浆骨比法

普通混凝土是由胶凝材料、水、砂、石和外加剂组成的，混凝土配合比设计就是解决这几种材料用量的三个比例，即水灰比、砂率（砂石比）、浆骨比。浆骨比是混凝土胶凝材料中水泥、水、矿物掺和料的体积总和与骨料所占体积的比值。P.K.Metha和P.C.Aitcin教授对混凝土的研究认为，要使混凝土同时达到最佳的施工和易性与力学性能指标，其胶凝材料浆体与骨料含量之间应有一个最佳体积比，即是最佳浆骨比。

强度方面，混凝土的早期强度随浆骨比降低而增大，而浆骨比大的混凝土强度发展趋势相对浆骨比小的要快；干缩变形方面，收缩值随混凝土的浆骨比增加明显变大；渗透性方面，混凝土随浆骨比增加其抗氯离子渗透性明显降低。因此在选择最佳浆骨比时，一定要兼顾早期低浆骨比各方面性能的优越性和后期的发展趋势。

通过进行混凝土强度、变形、氯离子渗透性等试验调整混凝土浆骨比，寻找在现有水泥、骨料、外加剂等原材料的基础上的混凝土的最佳浆骨比，它的值一般在35∶65左右。

2 全计算法

“全计算法”进行水泥混凝土配合比设计的观点最初由陈建奎、王栋民教授于2000年发表于《硅酸盐学报》，某教授在2000年巴黎的国际混凝土学术会议上宣读了有关“全计算法”的论文，引起了极大关注。该法从鲜为人知的创建初期到逐渐被人们所接受，经过了10年的推广，在应用上取得了良好的技术经济效益。

2.1 基本观点

全计算法的基本观点是：

1. 混凝土各组成材料（包括固、气、液3相）具有体积加和性；

2. 石子的空隙由干砂浆来填充；

3. 干砂浆的空隙由水来填充；

4. 干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。

依据这一基本观点可得：

浆体体积 Ve=Vw+Vc+Vf+Va集料体积 Vs+Vg=1000-Ve干砂浆体积 Ves=Vc+Vf+Va+Vs式中：Ve为浆体体积（L）；Ves为干砂浆体积（L）；V。为用水量（L）；Vc，Vf，Va，Vs和Vg分别为水泥、细掺料（如粉煤灰）、空气、砂子和石子的体积用量（L）。

正如前面提到的，P.K.Metha 和P.C.Aitcin 教授在对高性能混凝土（HPC）进行了大量的研究后认为，要使HPC同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其胶凝材料浆体与骨料应有一个最佳体积比即Ve∶（Vs+Vg）=35∶65。这一认识事实上是确定了HPC配合比设计中胶凝材料浆体体积与骨料体积的定量关系。

2.2 计算步骤

混凝土由水泥、矿物掺和料、砂、石子、水和外加剂等多种成分按严格的比例关系组成，传统配合比设计方法很难得到优化的配合比，而“全计算法”在设定的条件下能比较准确地计算出每个组分的用量和比例。配制强度、水胶比、用水量、胶凝材料组成与用量，砂率及粗、细集料及外加剂等均可以通过公式计算而定量确定，最终确定混凝土配合比。与传统配合比设计中大量参数经过查表取值的经验方法比较，其科学性有了一定的提高。

3 高密实配合比方法

高密实配合比方法是一种科学的配合比设计方法。通过控制骨料的比例，以混凝土中固体材料的最大单位重，有效地获得混凝土的最小空隙率，从而获得最佳级配。所配制的混凝土具有较好的工作性、较高的强度及优异的耐久性。高密实配合比方法最早由台湾科技大学的黄兆龙教授提出，吴中伟院士曾提出的简易配合比设计方法，其原理与高密实配合比方法基本相同。

3.1 高密实混凝土配合比设计方法

混凝土配合比设计的任务是确定获得预期性能而又经济且性能优良的各组成材料用量。骨料因占混凝土体积约2/3以上，所以直接控制骨料的比例会有效获得混凝土的最小空隙率。混凝土中颗粒的堆积方式对于宏观力学行为有很大影响，就像土壤颗粒材料一样，颗粒结构堆积越致密，空隙越小，接触点越多，则密度越大，理论上应能获得较高的强度。另外，以相同的水灰比而言，骨料在最佳堆积下总浆体用量也会随之减少，相对的拌和水用量也会降低，因而可减少混凝土中弱界面的形成几率及降低浆体本身产生收缩裂缝的可能，从而提高混凝土的耐久性。

3 骨料拨开系数法

3.1 骨料拨开系数的理论基础

混凝土要求具有一定的流动性和良好的粘聚性，要求混凝土能够在自身重力或外力的作用下克服剪切力和粘滞阻力，即砂浆层拨开了石子之间的咬合，极大程度地减少了粗骨料内部的机械咬合作用力，使混凝土拌和物达到了一定的流动性；同时，对于砂浆层来说，一定的浆体填满并拨开分散了砂粒之间的作用，降低了颗粒之间的摩擦力。因此混凝土拌和物是否具有良好的工作性能，取决于粗骨料拨开系数Kg（砂浆拨开粗骨料程度）、细骨料拨开系数Ks（浆体拨开细骨料程度）。

3.2 骨料拨开系数法的计算过程Kg取值与粗骨料最大粒径直接相关，最大粒径越小，则取值Kg越大。根据经验（以碎石规格为5.0mm～31.5mm为例）选择Kg= 2.3～2.5，在此围内，Kg值与混凝土强度等级、粗骨料的粒形与级配、细骨料的细度模数有关。混凝土强度等级越高，则Kg则往下限取值；细骨料的细度模数越小，则Kg往下限取值；粗骨料的粒形越圆，则Kg越往下限取值；粗骨料的级配越好，则Kg越往下限取值。

对应粗骨料体积计算公式：Vg= 1000/[〔Kg+1〕·Pg +1]mg= Vg·γg

（1）式中：Pg—粗骨料堆积空隙率，无量纲；γg为粗骨料表观密度，单位为kg/m3

对应细骨料体积的计算公式：Vs=〔1000- Vg〕/[〔Ks+1〕·Ps+1]ms= Vs·rs

（2）式中：Ps—细骨料堆积空隙率，rs为细骨料表观密度浆体体积按以下公式计算：Ve= 1000-Vg-Vs

（3）根据试验所确定的水胶比、掺和料比例、密度就可以计算出用水量、各种胶凝材料的用量、外加剂的用量。计算公式如下：1. 根据式（3）转化为：mW/rW+mB/rB+ε=Ve

（4）式中：rB=rc·rf·rk/[（1-a-b）·rf·rk+a·rc·rk+b·rc·rf] （5）mW为用水量，rW为水密度；mB为胶凝材料总量，rB为胶凝材料密度，rc为水泥密度，rf为粉煤灰密度，rk为粒化高炉矿渣粉密度，a为粉煤灰比例，b为粒化高炉矿渣粉比例，ε为空气体积，取15L。

2. mc=（1-a-b）mBmf=amBmk=bmB（6）式中：mc为水泥用量，mf为粉煤灰用量，mk为粒化高炉矿渣粉用量。

3. 先求减水率μ：按照式（4）计算出实际的mw值，并根据JGJ 55-2000中的方法计基准用水量mw0，减水率的公式：μ=[〔mw0-mw〕/ mw0] ·100% （7）再根据外加剂减水率与掺量关系曲线的试验结果确定外加剂掺量δ，从而确定外加剂用量ma。ma=δ·mB（8）配合比计算完成后，必须在实验室中进行试配，并根据混凝土拌和物工作性能要求对外加剂和用水量进行调整，在调整中应保持水胶比不变。当工作性能不能满足要求时，在外加剂与水泥适应性正常的前提下，改变骨料拨开系数进行调整。

5 结论

通过进行混凝土拌合试验调整混凝土浆骨比，寻找在现有水泥、骨料、外加剂等原材料的基础上的混凝土的最佳浆骨比，它的值一般在35∶65左右。 “全计算法”在设定的条件下能比较准确地计算出每个组分的用量和比例。通过公式计算而定量确定混凝土最终配合比，但必须进行实验室试拌调整。高密实配合比方法是另一种比较科学的配合比设计方法，所配制的混凝土具有较好的工作性、较高的强度及优异的耐久性。使用骨料拨开系数法进行配合比设计，配制的混凝土符合对拌和物具有较高工作性的要求。