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1、O概述混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最重要的一个问题。多年来多数混凝土工作者习惯于根据自己的经验，用最简单的方法计算混凝土配合比。混凝土是一种高度非均质的多项复杂体系，由于原材料的变化和对混凝土性能要求的提高，现今的混凝土越来越复杂，现行简单化的方法已不再适用，需要进一步科学化。现行当代混凝土的特点是普遍掺入矿物掺和料和高效减水剂。混凝土中水、水泥、砂、石4种原材料中增加了矿物掺和料，因此传统的配合比3要素一一水灰比、当方用水量、砂石比，逐渐演变成为水胶比、浆骨比、砂石比和矿物掺和料用量等4要素，以4要素为配合比设计思路的方法在当代混凝土配合比设计中非常常见。目前国内外有多种HP
2、C配合比设计方法，国外的有：美国推荐的方法，法国路桥中心建议的方法，日本阿部道彦方法，以及基于最大密实度理论的方法。笔者最为熟悉的还是国内几位知名专家的配合比设计方法。譬如简易配合比设计方法，早在1955年提出的简易配合比设计方法，遵循绝对体积设计原理，以试拌调整法为主。基本原则是要确定砂石最小的混合空隙率，即普通混凝土中砂石为一体系，水、水泥为另一体系。根据两者的互补关系，在充分考虑流动性的基础上，确定合理的水泥浆富余系数。通过确定砂石最低砂石空隙率（实际为最佳砂率）、最小水泥浆量等参数，来配制符合性能要求而又经济合理的混凝土。另外，对于浆骨比、水胶比、砂率、矿物细粉掺合料4因素的选择进行了
3、科学的选择和推导。指出：对于水胶比，对有耐久性要求的混凝土，按照结构设计和施工给出混凝土技术要求中的最低强度等级，按保证率95%确定配制强度；以最大水胶比作为初选水胶比，再依次减小0.050.10百分点，取35个水胶比试配，得出水胶比和强度的直线关系，找出上述配制强度所需要的水胶比，进行再次试配，该方法对于水胶比的确定进行了科学的选择。全面定量地确定混凝土各组成材料用量的方法，建立的混凝土体积模型推导砂率的方法有特点而且较为合理。台湾科技大学教授依据多年从事研发的经验，将混凝土的“耐久性、安全性、工作性、经济性、生态性”融入配合比设计中，采用颗粒堆积及材料科学的原理，推出致密配比方法，适用于一
4、般高性能混凝土及优化高性能混凝土的配合比设计。在高密实混凝土的设计思路中，因骨料占混凝土体积的2/3以上，所以直接控制骨料的比例将会有效地获得混凝土的最小空隙率。而通过寻求混凝土中固体材料的最大单位重，来寻求最小空隙，可以较容易地获得骨料间的最佳比例，使拌制出的混凝土具有较好的工作性、较高的强度及优异的耐久性。综上所述，混凝土配合比设计方法是多种多样的，在各因素的选择或计算上，有的是采用经验方法直接假定，有的是通过定量的计算，有的是通过试验得到一个最佳数值。任何初步配合比总是要先经过实验室的检验和调配，然后再应用于生产，因此科学定量的计算配合比的方式应该是可以接受的，并且缩短调配的时间，而从经
5、验走向科学，从半定量走向定量也是配合比设计的趋势。本文结合现行的混凝土配合比设计方法及混凝土结构耐久性规范，就浆骨比、矿物细粉掺合料的选择、水胶比和砂石用量的计算进行了探讨。在水胶比的计算过程中，引入了胶凝系数的概念，在计算砂石用量的过程中，与传统确定砂率的方式不同，先计算石子用量，再计算砂子用量。2配合比设计过程2.1浆骨比的选择在新拌混凝土中，水泥浆体主要起润滑作用，赋予混凝土较好的和易性。如果混凝土浆量较少，砂石表面包裹的浆量少，混凝土流动性就不好；但是浆量过多，对混凝土耐久性也不利。因此，选择浆量的原则是：在满足混凝土性能的前提下，尽量选择最小的浆骨比。美国教授在对高性能混凝土进行了大
6、量的研究认为：要使混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料应有一个最佳体积比，即V(e)：V(a)=35：65。但是对于普通混凝土，浆体体积就没有必要定得这么高。浆骨比的选择参考GB/T507462008混凝土结构耐久性规范,如表1所示。表1不同等级混凝土最大浆体体积强度等级浆体体枳百分率/%用水量/(kgn?)C3OC5O(不含C50)32W175C500(C60)W35160C60以上W38W145在实验室试配混凝土过程中，如果和易性不够好，可以保持水胶比不变，提高浆体量。2.2水胶比的计算早在1919年，发表的混凝土强度的水灰比定则，对于一定材料，强度取决于一个因素，即水
7、灰比。混凝土发展到今天，大多数学者接受混凝土的强度随着水胶比的增大而降低这一观点，但是混凝土强度与水胶比成反比的保罗米公式一直饱受质疑，有学者认为该式适用条件是使用硅酸盐水泥、级配良好而清洁的河砂、粒形匀称的石子。确实是这样，当代混凝土胶凝材料体系都为水泥与矿物细粉掺合料复合体，砂已经大部分是机制砂。但是混凝土的强度与灰水比成正比这个定律大部分人认同，在确定水灰比的方法上，还是取3个点，做出灰水比与强度的直线，然后得出想要的水灰比。教授在混凝土配合比设计中选择水胶比的方法，充分证实了这一点由上可以看出，混凝土的强度与水胶比成反比这个定律还是存在的，只不过怎么改进保罗米公式使之适用于现在的掺矿物
8、细粉掺合料的混凝土。国内很多学者在应用保罗米公式时，引入了胶凝系数的概念，将保罗米公式修正为：誓(I)式中为胶凝系数,它与掺合料的技术性质有关,若掺合料选择的是粉煤灰,B与粉煤灰的细度、需水量，烧失量有关。笔者也是参考了国内学者张雪松等人研究的成果,他们经过大量的试验,得出粉煤灰胶凝系数的计算为：生00774ow3V把式中：/细度，m需水量，H烧失眄引入胶凝系数的概念后，在计算过程中，很容易发现粉煤灰掺量越高，所计算得到的水胶比越低，这和工程中粉煤灰的实际应用是相吻合的。目前，很多搅拌站，矿物掺合料都是粉煤灰与矿粉的双掺，矿粉的胶凝系数的计算文献中介绍的比较少，一般认为S95的矿粉，胶凝系数为
9、0.70.8,S75的矿粉，胶凝系数为0.50.7。2. 3矿物细粉掺合料掺量矿物掺合料的掺量应考虑工程环境，比如在地下工程、基础底板等，没有立即冻融作用时，矿物掺合料可以用到最大掺量。一般最大强度等级低的构件，水胶比较大时，粉煤灰掺量不应大于20%,矿渣不应大于30%o不同环境下矿物掺和料的掺量选择见GB/T507462008表B.3.1和附录B。对于VC、V-D、V-E环境，单掺粉煤灰的上限为50%,单掺矿粉的上限为80%,如果采取延长湿养护时间或其他增强钢筋的混凝土保护层密实度措施，则可超过以上限制。2.4砂石用量的选择砂率是影响混凝土和易性的重要因素。选择最佳砂率，可以使混凝土获得较好
10、的和易性。当前，国内配合比设计方法对砂率的选择主要基于试验和经验。例如：吴中伟院士的简易配合比设计方法主要是通过试验不同的砂石比例获得最低的空隙率，从而节省水泥浆量。有的是根据石子的空隙率，砂的级配情况，凭经验确定砂率。当然也有用计算的方式获得砂率，例如全计算法。本文介绍的是意大利科学家关于泵送混凝土砂石用量的确定方法。这套方法是根据石子的空隙率、砂子的细度模数、骨料的最大粒径来确定单方混凝土粗骨料的用量。我们知道，如果砂浆仅仅填充石子之间的空隙，没有富余，那么石子颗粒之间屈服剪应力较大，流动性不好，所以砂浆体积应该是比石子的空隙略有富余。基于试验，意大利科学家确定了一些参数，使其达到最优搭配
11、如图1所示。参数之一就是V粗/V堆，V粗为111混凝土中粗骨料的固体体积,V堆为111紧密堆积骨料中粗骨料的固体体积，V堆等于粗骨料的紧密堆积密度与粗骨料的表观密度之比，也成为粗骨料的密实度，两者均在饱和面干状态下测得。根据试验得出泵送混凝土粗骨料的V粗/V堆的大小，见表2。(a)砂势较少的混凝土(b)眇浆较多的混凝土图1粗骨料用对比表2坍落度15O2OOmm的泵送混凝土粗骨料的VfiV骨科最大粒件-DeeJnun2.40细度模数一定时对应的yv”3.2.602.802.90950.450.430.410.4003912.50S40.520.500.490.4819.00.650.630.61
12、0.6005925.00.700.680.660.650.6437.50.760.740.720.710.7050.00.790.770.750.740.73上述方法不同于别的配合比设计方法在于，直接根据骨料的最大粒径，骨料的空隙率，砂的细度模数确定粗骨料的体积。那么粗骨料的体积一定，砂浆体积就确定下来了。浆体体积在第一步就确定了下来，因此砂体积的确定：V砂=I-V粗-V浆；砂的体积随着浆量的增加而降低。对于低强度混凝土，浆量较少时，砂子体积增加，砂率增大；高强混凝土浆量较多时，砂的体积减少。这个结论和我们目前工程上的情况基本一致，低等级混凝土砂率较高，高等级混凝土砂率较低。关于砂率增大，而浆
13、量降低，怎么实现混凝土的和易性，可以这么理解，低强度混凝土浆量低，但是用水量大，而决定混凝土流动性主要还是看水泥颗粒表面水膜的厚度，但是一般情况下，水泥用量较少时砂浆层显得粘聚性不够，混凝土粘聚性不够好。因此，在胶凝材料用量极低的情况下，有时候需要加增粘剂以保证低强度等级混凝土流动性与粘聚性的统一。而对于高强混凝土，浆量虽然提高，但是水胶比低，用水量少，因此，要掺高效减水剂释放出水泥颗粒包裹的水，提高砂石表面水泥颗粒吸附水的厚度，从而提高流动性，但是胶材多，混凝土就比较黏，塑形黏度大，因此通过掺加一些矿物掺和料或降粘剂来解决这些问题。3配合比设计案例设计强度等级为C30混凝土用作基础底板，不会
14、发生立即冻融作用，原材料条件如下：水泥为PQ42.5,密度为3.1gcm28d胶砂抗压强度48MPao粉煤灰为11级粉煤灰，细度9%,需水量98%,烧失量6%,密度2.2gcm细骨料为机制砂，细度模数2.8,表观密度2.65gcm3o粗骨料：碎石510mm与IO25mm按3：7级配后，表观密度2.7gcm紧密堆积密度1.56gcm303. 1选择浆骨比参考表1,强度等级C30混凝土，可先选择V(a)：V(e)=300：700进行试配，根据试配的情况，如果浆量不够，可以继续提高浆量进行试配。3. 2矿物掺和料掺量的选择该混凝土用作基础底板，按照混凝土耐久性规范的要求，粉煤灰可以掺到最高掺量50%
15、,考虑普通硅酸盐水泥中含有15%的矿物细粉掺和料，因此在配比中，选择粉煤灰的掺量为35%。3. 3计算水胶比33计算水胶比粉煤灰的胶凝系数按S=O.0774/刈ffg-5次计算,得到。=0.48,由公式JLg工咨9）,/.0=3（1.645x5=38.2MPaqa=0.46尸0.07,胶凝材料用量为从则水泥用量为C=0.65B,粉煤灰用量为5=0.35B,代入方程可求得378=0.45,因此W=O.45B,又浆量为300L,则有方程：Va=W/l+0.65B/3.1蚀35B22:300得到胶凝材料B=366kg,水泥C=O.65B=238kg,粉煤灰F=O.35B=128kg,用水量W=366x0.45=165kg3.4砂石质量由表2可知，y/F堆取0.66,而V=1.562,7=O58m5因此J7T）.66058m3=03811V蝇R-0.38-03=032113石子质量G=O382700=1026kg,砂的质量S=O.322650=848kg3.5初步配合比初试配合比见表3表3初试配合比kgn原材料水泥粉煤灰水水股比砂石用量2381281650.45
