混凝土的配合比设计

时间：2023-11-01 百科知识版权反馈

【摘要】：混凝土配合比设计任务就是确定单方混凝土中各组成材料的用量或各组成材料用量的质量比。设计混凝土配合比，就是根据原材料的技术性能及施工条件，合理选择原材料，确定出能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。另外，除配制C15及其以下强度等级的混凝土外，混凝土的最小胶凝材料用量应符合表4．19的规定。按初步配合比称取原材料进行试拌，测定和易性。

4．7．1 混凝土配合比设计基本要求

1）定义

混凝土配合比是指混凝土中各组成材料质量之间的比例关系，通常指水泥、砂、石子、水、掺合料和外加剂等的质量比。混凝土配合比常用表达方式有两种，一种是以每立方混凝土中各种材料的用量表示，如某强度等级的混凝土配合比为水泥350kg、砂670kg、石子1190kg、水190kg；另外一种是以混凝土中各种材料的质量比来表示（一般以水泥质量为1），如某强度等级的混凝土配合比为1∶1．91∶3．40∶0．54，对应关系为m水泥∶m砂∶m石子∶m水。

2）任务

混凝土配合比设计任务就是确定单方混凝土中各组成材料的用量或各组成材料用量的质量比。在实施过程中，一般通过确定水灰比、砂率、用水量3个参数来确定满足要求的配合比。水灰比是水与水泥质量比，反映水与水泥之间的比例关系，直接影响混凝土强度、和易性等性能；砂率是混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率，反映砂与石子之间的比例关系，对混凝土和易性、强度等性能有较大影响；用水量是指每立方米混凝土的用水量，一定程度上反映水泥浆与集料之间的比例关系，对混凝土和易性、强度、孔隙率等有较大影响。这3个参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系。

3）基本要求

设计混凝土配合比，就是根据原材料的技术性能及施工条件，合理选择原材料，确定出能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。混凝土作为主要的结构材料，主要性能要求有强度、和易性、耐久性等，因此，混凝土配合比设计的基本要求是：

①强度要求，满足混凝土结构设计的强度等级。

②施工性能要求，满足施工所要求的混凝土拌合物的和易性。

③耐久性要求，满足混凝土结构设计中耐久性要求指标，如抗冻等级、抗渗等级等。

④成本要求，尽量节约水泥和降低混凝土成本。

4．7．2 混凝土配合比设计步骤

混凝土配合比设计之前，应掌握原材料性能、混凝土技术要求及施工条件和管理水平等相关基本资料，具体如下：

①原材料的技术性能。包括水泥品种和实际强度、密度；砂、石的种类、表观密度、堆积密度和含水率，砂的粗细程度和级配、石子的级配和最大粒径；外加剂的品种、特性和适宜掺量。

②混凝土的技术要求。包括和易性要求、强度等级和耐久性要求（如抗冻、抗渗等性能要求），有些是结构设计文件明确提出的要求，有些是根据结构部位、气温、运输距离等确定。

③施工条件和管理水平。包括搅拌和振捣方式、构件类型、最小钢筋净距、施工组织和施工季节、施工管理水平等。

混凝土配合比设计步骤为：首先根据原始技术资料计算“初步计算配合比”；然后在实验室进行试配，调整和易性、校正表观密度、检验强度和耐久性，确定满足设计要求、施工要求和经济合理的“实验室配合比”；最后根据施工现场砂、石的含水率等原材料变化情况对配合比进行修正，获得“施工配合比”。

1）初步配合比计算

（1）混凝土配制强度的确定

当混凝土的设计强度等级小于C60时，配制强度按式（4．8）确定：

fcu，0≥fcu，k＋1．645σ（4．8）

当混凝土的设计强度等级不小于C60时，配制强度按式（4．9）确定：

fcu，0≥1．15fcu，k（4．9）

式中 fcu，0——混凝土配制强度，MPa；

fcu，k——混凝土立方体抗压强度标准值，这里取混凝土的设计强度等级值，MPa；

σ——混凝土强度标准差，MPa。

对于混凝土强度标准差，当具有近期同一品种同一强度等级混凝土强度资料时，通过计算获得。且对于强度等级不大于C30的混凝土，当标准差计算值小于3．0MPa时，应取3．0MPa；对于强度等级大于C30小于C60的混凝土，当标准差计算值小于4．0MPa时，应取4．0MPa。当没有近期的同一品种同一强度等级混凝土强度资料时，其强度标准差按表4．13取值。

表4．13 标准差σ值　单位：MPa

（2）计算水胶比

当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比按式（4．10）计算

式中 W／B——混凝土水胶比；

αa，αb——回归系数，按表4．14规定取值；

fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度，MPa，可实测，也可按式（4．11）确定。

表4．14 回归系数αa、αb取值表

当胶凝材料28d胶砂抗压强度值fb无实测值时，可按式（4．11）计算：

fb＝γfγsfce（4．11）

式中 γf，γs——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数，按表4．15选用；

fce——水泥28d胶砂抗压强度，MPa，可实测，也可按式（4．12）确定。

表4．15 粉煤灰影响系数γf和粒化高炉矿渣粉影响系数γs

注：①采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰宜取上限值；

②采用S75级粒化高炉矿渣粉宜取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0．05；

③当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经试验确定。

当水泥28d胶砂抗压强度值（fce）无实测值时，可按式（4．12）计算：

fce＝γcfce，g（4．12）

式中 γc——水泥强度等级富余系数，可按实际统计资料确定，当缺乏实际统计资料时也可按表4．16选用；粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数，按表4．17选用；

fce，g——水泥强度等级值，MPa。

表4．16 水泥强度等级值富余系数γc

（3）用水量和外加剂用量

当混凝土水胶比在0．40～0．80时，用水量按表4．17和表4．18选取；当混凝土水胶比小于0．40时，可通过试验确定。

表4．17 干硬性混凝土的用水量　单位：kg／m3

表4．18 塑性混凝土的用水量　单位：kg／m3

注：①本表用水量是采用中砂时的取值。采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5～10kg；采用粗砂时，可减少5～10kg；

②掺用矿物掺合料和外加剂时，用水量应相应调整。

当掺外加剂时，用水量按式（4．13）计算：

mw0＝m′w0（1－β）（4．13）

式中 mw0——计算配合比每立方米混凝土的用水量，kg／m3；

m′w0——未参加外加剂时推定的满足实际坍落度要求的每立方米混凝土用水量， kg／m3，以表4．18中90mm坍落度的用水量为基础，按每增大20mm坍落度相应增加5kg／m3用水量来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少。

β——外加剂的减水率，％，应经混凝土试验确定。

外加剂用量，按式（4．14）计算：

ma0＝mb0βa（4．14）

式中 ma0——计算配合比每立方米混凝土中外加剂用量，kg／m3；

mb0——计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量，kg／m3；

βa——外加剂掺量，％，应经混凝土试验确定。

（4）胶凝材料、矿物掺合料和水泥用量

①胶凝材料用量按式（4．15）计算，在拌合物性能满足要求的情况下，取经济合理的胶凝材料用量。另外，除配制C15及其以下强度等级的混凝土外，混凝土的最小胶凝材料用量应符合表4．19的规定。

式中 mb0——计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量，kg／m3；

mw0——计算配合比每立方米混凝土中的用水量，kg／m3；

W／B——混凝土水胶比。

表4．19 混凝土的最小胶凝材料用量

②矿物掺合料用量按式（4．16）计算。

mf0＝mb0βf（4．16）

式中 mf0——计算配合比每立方米混凝土中矿物掺合料用量，kg／m3；

βf——矿物掺合料掺量，％，应经混凝土试验确定并符合表4．20和表4．21的规定。

表4．20 钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量

注：①采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量超出20％以上的混合材量计入矿物掺合料；

②复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量；

③在混合使用两种或两种以上矿物掺合料时，矿物掺合料总掺量应符合表中复合掺合料的规定。

表4．21 预应力混凝土中矿物掺合料最大掺量

续表

注：①采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量20％以上的混合材量计人矿物掺合料；

②复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量；

③在混合使用两种或两种以上矿物掺合料时，矿物掺合料总掺量应符合表中复合掺合料的规定。

③水泥用量按式（4．17）计算。

mc0＝mb0－mf0（4．17）

式中 mc0——计算配合比每立方米混凝土中水泥用量，kg／m3。

（5）砂率的确定

砂率应根据集料的技术指标、混凝土拌合物性能和施工要求来确定，可通过试验确定合理砂率，或参考既有历史资料和表4．22选取砂率。

表4．22 混凝土的砂率　％

注：①本表适用于坍落度为10～60mm的混凝土；当坍落度小于10mm时，其砂率应经试验确定；当坍落度大于60mm时，可在本表基础上按坍落度每增大20mm、砂率增大1％的幅度予以调整。

②采用人工砂配制混凝土时，砂率可适当增大。

③只用一个单粒级粗集料配制混凝土时，砂率应适当增大。

（6）粗、细集料用量

当采用质量法计算混凝土配合比时，粗、细集料用量按式（4．18）计算，砂率按式（4．19）计算。

mf0＋mc0＋mg0＋ms0＋mw0＝mcp（4．18）

式中 mg0——计算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量，kg／m3；

ms0——计算配合比每立方米混凝土的细骨料用量，kg／m3；

βs——砂率，％；

mcp——每立方米混凝土拌合物的假定质量，kg，可取2350～2450kg／m3。

当采用体积法计算混凝土配合比时，粗、细集料用量按式（4．20）计算，砂率按式（4．19）计算。

式中 ρc——水泥密度，kg／m3，可按现行国家标准《水泥密度测定方法》（GB／T208—2014）测定，也可取2900～3100kg／m3；

ρf——矿物掺合料密度，kg／m3，可按现行国家标准《水泥密度测定方法》（GB／T208—2014）测定；

ρg——粗骨料的表观密度，kg／m3，应按现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）测定；

ρs——细骨料的表观密度，kg／m3，应按现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）测定；

ρw——水的密度，kg／m3，可取1000kg／m3；

α——混凝土的含气量百分数，在不使用引气剂或引气型外加剂时，α可取1。

至此，通过上述计算可获得初步配合比。

另外，对于混凝土生产及施工单位，也可不通过上述计算，直接参考既有生产配合比或相关配合比资料，根据经验直接确定初步配合比。

2）配合比的试配、调整与确定

通过以上步骤获得的初步配合比，是借助一些经验公式和数据计算出来的，或利用经验资料查得的，不一定能够符合实际情况。因此，计算出初步配合比后，需要进行试配调整和易性、校核表观密度、复核强度和耐久性等。

（1）调整和易性

按初步配合比称取原材料进行试拌，测定和易性。当拌合物坍落度（或维勃稠度）不能满足要求，或黏聚性和保水性不好时，应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量或砂率。具体调整措施为：当坍落度低于设计要求时，可保持水胶比不变，增加适量水泥浆，即同时增加水和胶凝材料，切忌单一增加用水量，否则强度等性能将显著下降；当坍落度太大时，可保持砂率不变，适量增加粗、细集料，切忌单一增加胶凝材料用量，否则收缩增大易导致开裂，强度富余度过大，且成本上升；如出现含砂不足，黏聚性和保水性不良时，可适当增大砂率，反之应减小砂率。每次调整后再试拌，直到符合要求为止。

（2）校核表观密度

和易性调整满足要求后，测试表观密度。如果与初步配合比计算时表观密度取值不一致，则应进行相应调整。具体调整方法为：如果初步配合比计算时表观密度取值为2400kg／m3，实测表观密度为2500kg／m3，则每立方米混凝土材料用量应乘以系数，配合比作相应调整；如果初步配合比计算时表观密度取值为2400kg／m3，实测表观密度为2300kg／m3，则每立方米混凝土材料用量应乘以系数，配合比作相应调整。

经过和易性调整、表观密度校核，满足要求的配合比称为基础配合比。

（3）复核强度和耐久性等

复核强度是在确定基础配合比基础上进行强度试验。采用3个不同配合比进行强度试验，一个配合比为上述基础配合比，另外两个配合比的水胶比较基础配合比分别增加和减少0．05，用水量应与基础配合比相同，砂率可分别增加和减少1％。当基础配合比强度满足要求时，则选择基础配合比；当基础配合比强度太高时，若水胶比增加0．05的配合比强度满足要求，则选择该配合比；当基础配合比强度太低时，若水胶比减少0．05的配合比强度满足要求，则选择该配合比；若这3个配合比都太高或都太低，则说明之前初步配合比计算或查阅过程中偏差太大，应重新设计。

对耐久性有设计要求的混凝土，应进行相关耐久性试验验证。

至此，得到满足和易性、表观密度、强度和耐久性等要求的混凝土配合比，称为实验室配合比。

3）施工配合比

实验室配合比是以干燥材料为基准的，而现场存放的砂、石材料都含有一定的水分，且原材料不断消耗、原材料批次发生变化等都会导致原材料性能波动，施工结构部位变化和天气情况变化也导致对混凝土施工性能要求的变化，这些都需要对混凝土配合比进行相应调整，调整后满足要求的配合比称为施工配合比。

下面仅考虑砂、石含水变化因素，计算施工配合比。假定工地测出砂的含水率为Ws、石子的含水率为Wg，则施工配合比按式（4．21）～式（4．25）计算。

＝mc（4．21）