国外混凝土配合比设计.doc

苏丹罗塞雷斯大坝加高项目混凝土配合比设计

李合延
湖南省湘乡市水利局（湖南 湘乡市 411400）

摘要
　本文主要介绍了在国际工程施工管理模式和合同条款条件下，试验室进行混凝土配合比设计流程及其一些需要注意的问题，并与国内混凝土配合比设计方法进行对比，希望能对初次进入国际施工项目相同工作岗位的同仁有所帮助。
关键词
混凝土配合比 合同 原材料

1 概述
我国工程施工走入国际市场已有数年，但由于很多企业都是初次接触国际工程施工管理模式和合同条款，又加上不熟悉当地的特殊环境，在施工的过程中到处碰壁，给单位和项目部造成不同程度的损失。笔者于2008年9月份被派往苏丹罗塞雷斯大坝加高工程项目部试验室从事混凝土试验方面的工作，在此对这几年对混凝土试验方面的工作经历和经验进行总结，与各位同仁分享，并欢迎大家指点纠正。
2 配合比设计依据
　　在进行混凝土配合比设计之前，笔者先对合同文件里面对试验方面的规定和要求进行了仔细研究。在合同文件的第三卷第十章的10.4条，对本项目混凝土配合比的强度等级（Class of concrete）、骨料粒径要求（Aggregate size requirement）、胶凝材料的最少用量要求(the minimum cementitious)、最少水灰比(the minimum water/cement)、混凝土28d的最少抗压强度(The required minimum crushing strength at 28 days)、混凝土的干缩性（The drying shrinkage）以及拌制混凝土所使用的试模尺寸(Cube size)进行了详细的规定。在了解了这些试验参数的情况下，进行混凝土配合比设计就容易多了。
在进行配合比设计所使用的配合比手册，国际上对各种类型的配合比设计都有相应的文本可寻，比如：
Ø 普通大体积混凝土设计的标准ACI 211.1-91(Standard practice for selecting proportions for normal，heavyweight and mass concrete)；
Ø 轻质混凝土配合比设计标准ACI 211.2-98(Standard practice for selecting proportions for structural lightweight concrete)；
Ø 无坍落度混凝土配合比设计标准ACI 211.3R-02(guide for selecting proportions for no-slump concrete)；
Ø 高强度混凝土配合比设计标准ACI 211.4R-93(guide for selecting proportion for high-strength concrete with Portland cement and fly ash)等。
只要在设计前，对上述标准进行了解熟悉，按照里面的试验步骤和计算方法来进行设计，就能轻松获得监理工程师的认可。
3 原材料准备和检验
众所周知，在混凝土配合比设计之前，必须对混凝土所使用的混凝土原材料进行选定和质量检验，只要在检验结果合格后才能进行相应的混凝土配合比设计。
在苏丹罗塞雷斯项目上，所使用的原材料有水泥（cement）、粉煤灰(fly ash)、超塑化剂(super plasticizing admixtures)、硅粉(silica fume) 、粒化高炉矿渣（ground granulated blast furnace slag）、砂石骨料（aggregate）、外加剂（admixture）、水（water）等，并且在合同文件的第三卷第十章的10.3条里面对混凝土原材料的质量要求和使用的试验标准、储存与运输条件进行了详细的规定，笔者建议对其进行了归纳统计并制作EXCEL文档，以便于日后工作。
在水利工程建设领域，往往工期都非常紧张，而试验室的工作就更加显得重要和紧急。因此，在项目部试验室组建的第一时间，笔者就按合同文件要求对所有原材料的厂家进行了选择，并将样品空运至项目部。在监理工程师的见证下，对其按照合同要求的试验项目和试验标准进行试验。由于部分试验（如骨料的岩性分析和碱骨料反应、各原材料的化学成分分析等）本项目部试验室不具备试验条件，在征得监理工程师同意后，将试验样品送至苏丹首都喀土穆大型试验室进行试验。经过最终挑选和试验后，笔者选择如下：
Ø 水泥：广西鱼峰水泥股份有限公司生产的42.5N普通硅酸盐水泥；
Ø 骨料：施工现场4#采石场生产的人工骨料（由于人工骨料里面的细骨料太粗，为满足砂石骨料级配标准BS EN 12620：2002，笔者将人工砂与天然河沙按照1:3的比例进行制作的混合砂，且得出混合砂的细度模数为2.68）；
Ø 粉煤灰：山东邹县电厂生产的I级粉煤灰（grade I）；
Ø 超塑化剂：江苏博特新材料有限公司生产的PCA(I)；
Ø 拌合用水：左岸拌合楼1000方水池用水。
4 配合比计算
在原材料主要试验项目（如水泥的强度和凝结时间，骨料的级配等）出来后，为节省时间，可以马上进行配合比设计。配合比设计的顺序，可以按照先急后缓的原则，按照施工顺序，先行对前期使用的配合比设计。由于配合比种类繁多，笔者在此只对本项目部施工方量最大的C230/40（合同文件表达方式，强度等级为32Mpa，胶凝材料最少用量230Kg，骨料最大粒径为40mm）常态混凝土进行设计说明，使用的配合比设计手册为ACI 211.1-91。
4.1 坍落度的选择
根据配合比设计手册第六章的表格“Table 6.3.1”对各混凝土坍落度选择的要求（如表4-1所示）、非洲炎热的天气条件以及混凝土运送距离比较远，并经过临建混凝土施工过程中对坍落度选择和坍落度损失试验的经验积累，最终在和监理工程师的许可下，笔者选择的坍落度范围为5cm-10cm。
表4-1 混凝土坍落度选择
Types of construction
Slump，in.
Maximum
Minimum
Reinforced foundation walls and footings
3
1
Plain footings，caissons，and substructure walls
3
1
Beams and reinforced walls
4
1
Building columns
4
1
Pavements and slabs
3
1
Mass concrete
2
1
备注：1 in.=2.54cm
4.2 骨料最大粒径的选择
本项目由于是指定粒径大小，所以不存在选择粒径这一项。而ACI 211.1-91的要求，和国内的设计手册基本一致，最大骨料粒径不能超过1/5的模板之间的空隙， 1/3的混凝土板的高度和3/4钢筋或者预应力钢绞线之间的缝隙。而小骨料（为了表述方便，本文将粒径范围5mm-20mm的骨料称为小骨料，将20mm-40mm的骨料称为中骨料）与中骨料的比例选择则按照不同比例的最大堆积密度选择。笔者选择小骨料与中骨料的各种比例进行试验试验结果如表4-2，并选择小骨料和中骨料的比例为2:3。
表4-2 小骨料与中骨料的各种比例选择
骨料比例（小：中）
堆积密度（kg/m3）
1:4
1805
2:3
1812
1:1
1807
3:2
1803
4:1
1801
4.3 外加剂的掺量选择
ACI 211.1-91并未对外加剂的参量和使用并未作出明确规定，在合同文件第三卷第十章的10.3条提到，外加剂的掺量可以按照厂家的推荐值来使用。经查阅江苏博特新材料有限公司生产的PCA(I)材质报告和与厂家电话咨询，得到的推荐值为胶凝材料用量的0.6～0.8%。在和监理工程师探讨后，笔者对外加剂的掺量选择0.4%、0.6%、0.8%、1.0%进行坍落度和减水率试验(相同坍落度法)。试验结果如表4-3：
表4-3 外加剂的掺量选择
外加剂参量（%）
用水量（kg）
坍落度(mm)
减水率(%)
0
221
71
0
0.4
178
71
19.5
0.6
165
69
25.3
0.8
165
65
25.3
1.0
160
71
27.6
通过试验发现，PCA(I)掺量在0.6%和0.8%的时候性能基本相似，减水率为25%左右，而1%的掺量虽然减水率能达到27.6%，但混凝土的泌水较为严重，施工性能比较差。因此，PCA(I)的最终掺量选择为0.6%。
4.4 用水量的选择
根据ACI 211.1-91第六章表格6.3.3（如表4-4）的要求以及骨料的粒径、坍落度的大小和混凝土是否掺加引气剂，选择用水量为178kg/m3（300lb/yd3）。由于超塑化剂PCA(I)的减水率为25.3%，因此最终选择的用水量为133kg。
表4-4 混凝土用水量的选择
Water，lb/yd3of concrete for indicated nominal maximum sizes of aggregate
Slump，in.
3/8in.
1/2in.
3/4in.
1in.
1-1/2in.
2in.
3in.
6in.
Non-air-entrained concrete
1 to 2
350
335
315
300
275
260
220
190
3 to 4
385
365
340
325
300
285
245
210
6 to 7
410
385
360
340
315
300
270
-
Approximate amount of entrapped air in non-air-entrained concrete. percent
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0.3
0.2
备注：1lb/yd3=0.593kg/m3
4.5 水灰比的选择
按照ACI 211.1-91的要求，水灰比（w/(c+p)）指的是水与水泥的比值，也可以指水与胶凝材料的比值，胶凝材料就可以包括水泥(cement)、粉煤灰(fly ash)、粒化高炉矿渣(ground granulated blast furnace slag)等，在本次设计中，不考虑粉煤灰、粒化高炉矿渣的掺加。水灰比的选择可以根据ACI 211.1-91第六章表格6.3.4（如表4-5）的数据，按照混凝土的设计强度来选择相应的水灰比。本次设计的配合比C230/40的设计强度为32MPa（4641psi），选择水灰比为0.52。
表4-5 混凝土抗压强度与水胶比之间的关系
Compressive strength at 28 days，psi
Water-cement ratio, by weight
Non-air-entrained concrete
Air-entrained concrete
6000
0.41
-
5000
0.48
0.40
4000
0.57
0.48
3000
0.68
0.59
2000
0.82
0.74
备注：1psi=6.895kPa
4.6 胶凝材料用量的选择
由于苏丹本地并无胶凝材料的生产厂家，大部分材料都需从国内海运，这样导致运输成本往往高于材料的采购成本，导致有些材料能在国内价格优势丧失。在罗塞雷斯大坝加高工程项目就有一个明显的例子，粉煤灰和水泥的采购总价格就相差无几。在合同文件第三卷第十章的10.4条规定对胶凝材料的掺入，都必须设计相应的不掺入入胶凝材料的配合比进行性能对比，所以在前期紧张的情况下，可以先只设计不掺粉煤灰的配合比，已达到满足尽快施工的条件。因此，在本次设计中，胶凝材料就只有水泥。
根据前面表格的选择，用水量和水灰比都已经确定，可以计算出水泥的用量。
水泥用量==256kg
根据合同文件第三卷第十章的10.4条表格10-1的要求，C230/40的水泥最少用量230kg，满足要求。
4.7 粗骨料用量的选择
粗骨料的选择用量和国内的选择有所差异，在国内计算配合比骨料的用量是通过调节不同的砂率来实现，而在ACI 211.1-91和选择上述材料的原理一样，通过ACI 211.1-91第六章表格6.3.6（如表4-6）的数据查询，获得相应的体积，再根据堆积密度，换算成质量。根据混合砂的细度模数（2.68）与骨料的粒径（4cm）选择骨料的体积为0.72m3。质量换算公式如下：
粗骨料质量=体积×堆积密度=0.72 m3×1803kg/ m3=1298kg
小骨料质量=1298kg×0.4=519kg
中骨料质量=1298kg×0.6=779kg
表4-6 单位体积混凝土中的粗骨料体积
Nominal maximum size of aggregate, in.
Volume of over-dry-rodded coarse aggregate per unit volume of concrete for different fineness modulus of fine aggregate
2.40
2.60
2.80
3.00
3/8
0.50
0.48
0.46
0.44
1/2
0.59
0.57
0.55
0.53
3/4
0.66
0.64
0.62
0.60
1
0.71
0.69
0.67
0.65
1-1/2
0.75
0.73
0.71
0.69
2
0.78
0.76
0.74
0.72
3
0.82
0.80
0.78
0.76
6
0.87
0.85
0.83
0.81
4.8 细骨料用量的选择
在其他材料的用量都已经确定下来的情况下，ACI 211.1-91对细骨料用量的选择有两种方式—体积法和质量法，这个比较容易理解，体积法就是最终全部原材料的用量用体积来表达1m3混凝土的用量，而剩下的体积就是细骨料了；质量法就是通过查ACI 211.1-91第六章表格6.3.7（如表4-7），获得1m3混凝土总质量再计算出细骨料的质量。本次设计选择质量法来确定细骨料的用量。
表4-7 新拌混凝土的假定容重
Nominal maximum size of aggregate，in.
First estimate of concrete weight，lb/yd3
Non-Air-entrained concrete
Air-entrained concrete
3/8
3840
3710
1/2
3890
3760
3/4
3960
3840
1
4010
3850
1-1/2
4070
3910
2
4120
3950
3
4200
4040
6
4260
4110
经查上表，选择混凝土的设计容重为4070 lb/yd3（2414kg/m3），细骨料的计算公式如下：
外加剂PCA(I)=0.6%×水泥的重量=0.6%×256 kg/m3=1.54 kg/m3
细骨料=总容重-各材料重量=2414-133-256-1298-1.53=726 kg/m3
天然河砂=细骨料×0.75=545 kg/m3
天然河砂=细骨料×0.25=182 kg/m3

配合比的初次设计参数如表4-8所示。
表4-8 混凝土配合比的初次设计参数
水灰比
外加剂
参量
（%）
水
（kg/m3）
水泥
（kg/m3）
外加剂
（kg/m3）
天然砂
（kg/m3）
人工砂
（kg/m3）
小骨料
（kg/m3）
中骨料
（kg/m3）
容重
（kg/m3）
0.52
0.6%
133
256
1.536
545
182
519
779
2414
5 配合比试拌
在上一节的配合比计算过程中，所有数据都是通过ACI 211.1-91查表获得，而表中的数据只是通过历史数据统计出来的大众值，而每个工地所使用的混凝土原材料都不同，其性能也不同，因此这些数据只能作为参考值。在试拌的过程中，可以通过现场的实际试验结果来调整各种参数。如下：
5.1 用水量调整
根据现场试拌后的坍落度大小来调整用水量的大小，一般1cm坍落度2-3kg/m3用水量的浮动，当然这也只是笔者多年来的工作经验，实际调整幅度也因材料而异。由于苏丹罗塞雷斯大坝地处非洲沙漠地带，常年干旱高温，在试验室试拌配合比的时候坍落度应该尽量选择上值（接近10cm），笔者和监理工程师协商后，同意在试验室试拌混凝土的时候坍落度的范围可以在（9～12cm）。也在后来的施工过程中得到验证，施工现场混凝土的工作性能非常好。
5.2 水灰比的调整
配合比的设计对项目部的成本控制非常重要。因此在设计配合比的时候，可以在参考值上限浮动0.05，在时间充裕的情况下，可以再上下浮动0.1，多进行几个配合比批次的试验，已达到混凝土的目标强度尽量接近设计目标值，为项目节省成本。
5.3 粗骨料用量的调整
粗骨料用量的调整，其实就是砂率的调整，只是和国内的讲法不同而已。可以根据现场实际情况，调整其用量，使混凝土和易性最优。
5.4 其他调整
除上述参数外，还涉及到粉煤灰、膨胀剂等的掺入与调整，以达到改善混凝土性能。根据本项目合同条款和BS规范(British Standard)的要求，在掺入粉煤灰、膨胀剂等这些改善混凝土性能的胶凝材料的时候，都必须先对相应的材料在合同和BS标准要求的试验项目检测合格后，再进行相应的混凝土性能对比试验。
因此，配合比的优化工作将贯穿整个项目的施工过程，为项目部的施工节约成本、提高混凝土的质量。
6 结束语
在混凝土工程的施工过程中，配合比设计对项目的成本控制、质量控制以及施工工艺都起到至关重要的作用。因此，配合比的工作不得有半点马虎，必须在设计前对相应的合同条款和施工规范熟悉透彻，并在试验的过程中，经常和项目部、监理工程师多沟通交流，使混凝土的性能满足项目部和监理工程师的要求。同时由于配合比从设计到使用投入使用需要将近1个月的时间（配合比达到28天的抗压强度），就算和监理工程师沟通也最少需要7天时间，因此配合比设计也得具有足够的预见性，用我们工地常用的一句话来说，就是“计划永远赶不上变化”。在工作的过程中，要多思考，多准备，不要等到出事后才想法弥补。
在国外工作和国内其实并没有本质的区别，只需要我们把施工合同条款里面的规定以及所使用的试验标准看懂理解了，工作起来就能顺心顺手。在工作的过程中，要多和监理工程师沟通交流，其实沟通交流也是一个学习的过程，学习国外的施工规范和管理方法，只要我们有足够的诚心和热情，监理工程师也会非常热情地予以帮助。