浅谈预拌混凝土配合比的设计.doc

现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000规范了普通混凝土配合比设计的基本方法。但是，该基本方法有些部分实用性不强，在基本参数选取时较为繁琐，给初学者带来了一定的难度和困惑。笔者在预拌混凝土行业工作多年，对配合比的设计有些心得。现浅谈如下，以供广大读者参考。

　　一、混凝土配制强度的确定

　　混凝土配制强度应按下式计算：
　　公式1：fcu，0≥fcu，k+1.645σ，
　　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（MPa）；
　　σ———混凝土强度标准差（MPa）。

　　σ是检验混凝土生产质量水平的标准之一。其值应由搅拌站提供的近期生产混凝土的强度统计值计算。当无历史资料时，其值应符合下列规定：当混凝土强度等级为C10和C15级时，σ应不小于2.0MPa；当混凝土强度等级为C20和C25级时，σ应不小于2.5MPa；当混凝土强度等级大于或等于C30级时，σ应不小于3.0MPa。

　　二、混凝土水灰比的确定

　　我们知道，混凝土的强度与水泥强度成正比，与水灰比成反比。那么，则有：
　　公式2:fcu，0=Afce/W/C
　　式中fcu，0———混凝土配制强度（MPa）；
　　fce———水泥28d抗压强度实测值（MPa）；
　　A———经验系数；
　　W/C———水灰比。
　　我们可将公式2变化为：
　　公式3:W/C=Afce/fcu,o

　　公式3与现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000中水灰比的计算公式相比，则较为简单实用。

　　关于经验系数A的取值，一般为0.40~0.45。我们可以根据28d时的混凝土强度实测值和水泥强度实测值反过来进行推定、验证。我们应该根据混凝土的各种原材料、拌合物性能等，确定不同的A值，用于指导混凝土水灰比的确定。

　　三、混凝土用水量的确定

　　所谓混凝土用水量是指混凝土的和易性（流动性、黏聚性和保水性等）良好，坍落度和扩展度能够达到一定标准时的单方用水量。

　　影响混凝土用水量的因素可以概括为：

　　1.混凝土中整个颗粒的级配情况。包括砂、石等相对大颗粒的级配和水泥、掺合料等相对小颗粒的级配。若颗粒级配好，则混凝土用水量低（孔隙少，则游离水少）；反之，则用水量高。

　　2.混凝土中吸水性材料（包括与水反应的材料）的含量情况，如砂石的含泥量、石粉含量、有害物质等；水泥和掺合料中的游离氧化钙、铝酸三钙等。若吸水性材料（包括与水反应的材料）的含量低，则混凝土用水量低；反之，则用水量高。

　　3.混凝土中表面活性剂（减水剂等）的含量情况。若混凝土中表面活性剂的含量高，则混凝土用水量低（分散作用强，能够释放出更多的水泥絮凝体中被包裹的水分子）；反之，则用水量高。

　　在一般情况下，对含泥量为3%的天然砂中砂，其混凝土每立方米用水量可假定为185kg；对石粉含量为5%的机制砂中砂，其混凝土每立方米用水量可假定为195kg（掺用掺量合适的外加剂和掺合料等）。此处为5mm～31.5mm连续级配的碎石。

　　一般来讲，含泥量（或石粉含量）降低或提高1%，其每立方米混凝土用水量可相应降低或提高3kg～5kg。

　　对于其他的影响因素，其混凝土用水量应按上述三点并结合假定值进行相应的调整与确定。

　　四、混凝土水泥用量的确定

　　水灰比已知，用水量已知，则水泥用量即知。
　　公式4:mco=mwo/W/C
　　式中mwo———每立方米混凝土的用水量（kg）；
　　mco———每立方米混凝土的水泥用量（kg）。
　　在此，应注意每立方米混凝土的最小胶料用量（水泥+掺合料）不能低于300kg。

　　五、混凝土掺合料用量的确定

　　一般常用的掺合料有粉煤灰、超细矿渣粉和硅灰等。

　　混凝土掺合料用量的确定应符合以下两点：1.必须满足各类工程和各种施工工艺的要求；2.必须满足混凝土的和易性、凝结时间和强度的要求。

　　根据以上两点，并结合水泥的品种、强度等级、实测强度和大气温度，以及掺合料的质量确定掺合料的最佳掺量。

　　一般可采用等量取代法、超量取代法和外加法。

　　在一般情况下，掺用两种或两种以上的掺合料比掺用单一的掺合料效果要好，可以改善其细微颗粒的级配。

　　混凝土的掺合料用量应按下列公式计算：
　　公式5:mfo=mco×B×C
　　式中mfo———每立方米混凝土掺合料的用量（kg）；
　　B———混凝土掺合料的取代率，一般为：10%～50%；
　　C———混凝土掺合料的取代系数，一般为0.8～2.0。
　　取代后的混凝土水泥用量（mcl）应为：
　　公式6:mc1=mco×（1-B）

　　目前，用海鑫水泥配制的一般强度等级泵送混凝土中掺合料的掺量为：

　　海鑫P·S·A32.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级超细矿渣粉：20%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰：10%的取代率×1.5的取代系数。

　　海鑫P·S·A42.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级矿渣粉：30%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰：10%的取代率×1.5的取代系数。

　　以上可作为参考。在此要注意的是，比表面积大的掺合料的掺量应大，比表面积小的掺合料的掺量应小，要追求胶凝材料中颗粒的最佳级配。

　　六、混凝土外加剂用量的确定

　　首先，必须选用适应性良好（初始好、坍损小、凝结时间正常）的外加剂。一般为：减水率20%以上，凝结时间12h～14h。

　　其次，应确定外加剂的最佳掺量。若掺量高，则气泡多、沉淀扒底、离析、泌水、凝结时间长（或不凝固）；若掺量低，则料稠、料黏、流动性差、坍落度损失大。在此，我们应该判断区分是减水组分或是缓凝组分的多与少。

　　混凝土的外加剂用量（myo）应按下列公式计算：
　　公式7:myo=（mc1+mfo）×D
　　式中D———外加剂掺量（%）。

　　最后，应按照“外加剂掺量定混凝土的坍落度”的理论，进行混凝土外加剂用量的确定与使用。即若需要较大坍落度的混凝土，则增大外加剂的掺量；反之，则降低外加剂的掺量。

　　七、混凝土砂率的确定
泵送混凝土的最佳砂率可按表选取

　　由上表可知，1.差0.01水胶比,砂率差0.5%。2.差0.1砂细度模数,砂率差1%。3.此为砂含泥量（或石粉含量）4%时选用。含泥量（或石粉含量）提高或降低1%，砂率降低或提高1%。4.此为粗骨料﹙碎石﹚粒径为5mm～31.5mm时选用。粗骨料粒径越大，砂率越小；反之，则越大。粗骨料粒径为5mm～19.0mm时，砂率应提高5%左右；粗骨料粒径为5mm～9.5mm时，砂率应提高10%左右。5.此为混凝土坍落度180mm时选用。坍落度越大，砂率则越大；反之，则越小。坍落度每增大或减小20mm～30mm，砂率则提高或降低1%。

　　关于泵送混凝土最佳砂率确定的几点补充：

　　1.配制泵送混凝土宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率；当采用Ⅲ区砂时，应降低砂率。

　　2.在多数情况下，砂的颗粒级配是不符合规定的。若0.60mm以上颗粒超标，则应提高砂率，可按每超标10%，提高砂率1%计算；若0.60mm以下颗粒超标，则应降低砂率，可按每超标10%，降低砂率1%计算。

　　3.通过0.30mm筛孔的颗粒含量不应少于15%，通过0.15mm筛孔的颗粒含量不应少于5%。如果这两部分颗粒较少时，可掺加粉煤灰或超细矿渣粉等掺合料予以弥补。

　　4.若Ⅱ级以下粉煤灰用量比较大（黏性大）时，则应适当降低砂率。

　　5.在一般情况下，可通过“差多少胶料差多少砂”来进行简单计算。

　　例如：首先根据混凝土所用原材料确定两个砂率合适的配合比，混凝土所用原材料不同，其X值也不同。（注：该砂含石率为30.0%）。

　　则有：
　　X〔（292+83+62）-（250+54+71）〕＝（1055-950）
　　经计算可知：X=1.7

　　那么，在此混凝土所用原材料的情况下，可通过“差1kg胶料差1.7kg砂”来进行简单计算。例如：对350kg/m3的胶料用量，其砂可取1098kg/m3；对400kg/m3的胶料用量，其砂可取1012kg/m3。

　　6.自卸的混凝土（特别是路面混凝土）应降低砂率。

　　总之，追求最佳砂率，再加上以上所述的追求胶凝材料颗粒的最佳级配，即是追求混凝土中整个颗粒的最佳级配，即是追求混凝土拌合物最佳的和易性。此时，混凝土的性能最好、强度最高。

　　八、混凝土配合比的计算

　　一般采用重量法，应按下列公式计算：
　　公式8:mc1+mfo+ms1+mgo+mwo+myo=mcp
　　公式9:βs=(mso/mso=mgo)×100%
　　公式10:ms1=mso/（1-E）
　　式中mso———每立方米混凝土的细集料用量（kg）；
　　ms1———换算含石率后每立方米混凝土的细集料用量（kg）；
　　mgo———每立方米混凝土的粗集料用量（kg）；
　　E———砂的含石率（%）；
　　mcp———每立方米混凝土拌合物的假定重量（kg），其值可取2350kg～2450kg。

　　九、混凝土配合比的试配、调整与确定

　　按计算的配合比进行试拌，以检查拌合物的性能。当试拌得出的拌合物坍落度（或坍落度经时损失）不能满足要求，或和易性（流动性、黏聚性和保水性等）不好时，应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量、外加剂掺量或砂率，直到符合要求为止；然后提出混凝土强度试验用的基准配合比。掺合料的掺量应根据混凝土的和易性、凝结时间，以及强度进行调整与确定。

　　我们可将基准配合比的水灰比分别增加和减少0.05（高强混凝土为0.02），再设计两个对比配合比，然后进行试配、调整并校正。将3个配合比分别制作成试件，标准养护到28d时试压。

　　最后，选取最合理、最经济的配合比作为确定的设计配合比。

　　十、混凝土施工配合比的换算

　　一般情况下，砂、石均含有水分。那么，则有：
　　公式11:ms2=ms1（1+F）
　　公式12:mg1=mgo（1+G）
　　公式13:mw1=mwo-｛﹙ms2-ms1）+（mg1-mgo）｝
　　公式14:mc1+mfo+ms2+mg1+mw1+myo=mcp
　　式中ms2———再换算含水率后每立方米混凝土的细集料用量（kg）；
　　mg1———再换算含水率后每立方米混凝土的粗集料用量（kg）；
　　F———砂的含水率（%）；
　　G———石的含水率（%）。

浅谈混凝土配合比设计中值得注意的几个问题
混凝土随着材料科学的不断发展，其用途也越来越广泛，已到了跨行业、跨学科、互相渗透的非常广泛的领域。混凝土配合比设计牵涉到几个方面的内容：一要保证混凝土硬化后的强度和所要求的其他性能和耐久性；二要满足施工工艺易于操作而又不遗留隐患的工作性；三是在符合上述两项要求下选用合适的材料和计算各种材料用量；四是对上述设计的结果进行试配、调整，使之达到工程的要求；五是达到上述要求的同时，设法降低成本。
普通混凝土是由水泥、水、砂、石四种材料组成的，混凝土配合比设计就是解决4种材料用量的3个比例，即水灰比、砂率、胶骨比（胶凝体与骨料的比例）。
根据笔者的观察和较深入的了解，认为混凝土在配合比设计方面应注意以下几个问题：1、配合比设计前的准备工作应充分；2、区分数理统计及非数理统计方法评定混凝土强度的不同；3、生产配合比的调整及施工中的控制；4、在保证质量的前提下，应注重经济效益。
1、配合比设计前的准备工作应充分
在配合比设计前，设计人员要做好下列工作：
1.1、掌握设计图纸对混凝土结构的全部要求，重点是各种强度和耐久性要求及结构件截面的大小、钢筋布置的疏密，以考虑采用水泥品种及石子粒径的大小等参数；
1.2、了解是否有特殊性能要求，便于决定所用水泥的品种和粗骨料粒径的大小；
1.3、了解施工工艺，如输送、浇筑的措施，使用机械化的程度，主要是对工作性和凝结时间的要求，便于选用外加剂及其掺量；
1.4、了解所能采购到的材料品种、质量和供应能力。
根据这些资料合理地选用适当的设计参数，进行配合比设计。
2、区分数理统计及非数理统计方法评定混凝土强度的不同
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2000），混凝土配制强度应按下式计算：
fcu,0≥fcu,k+1.645σ （ 1）
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(MPa);
σ—混凝土强度标准差(MPa)。施工单位自己的历年统计资料确定，无历史资料时应按现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）的规定取用（高于C35，σ=6.0MPa）。
根据此公式，40#砼（以40#砼为例）的配制强度为：
fcu,0≥40+1.645x6.0=49.9MPa （2）
在正常情况下，（2）式可以采用等号，但当现场条件与试验条件有显著差异时，或重要工程对混凝土有特殊要求时，或30级及其以下强度混凝土在工程验收采用非数理统计方法评定时，则应采用大于号。
《公路工程质量检验评定标准》（JTJ 071-98）中对水泥混凝土抗压强度合格标准的评定方法分数理统计和非数理统计两种。下面着重比较采用数理统计和非数理统计方法评定的差异之处。
2.1、采用数理统计方法评定
试件≥10组时，应以数理统计方法按下述条件评定：
Rn-K1Sn≥0.9R （3）
Rmin≥K2R （4）
式中： n—同批混凝土试件组数；
Rn—同批几组试件强度的平均值；
Sn—同批几组试件强度的标准差(MPa)，当Sn<0.06R时，取Sn=0.06R；
R—混凝土设计强度等级(或标号)(MPa)；
Rmin —n组试件中强度最低一组的值(MPa)；
k1，k2 ——合格判定系数，见表1
表1 合格判定系数与组数n的对应关系

由公式（3）、（4）可计算得(假定试件组数为10~14组):
0.9R=0.9x40=36.0MPa， K2R=0.9R=36.0MPa.
据此反推：Rn≥0.9R+k1Sn=36.0+1.70x2.4=40.1MPa，因此，只要该批试件的平均强度大于等于40.1MPa，且Rmin≥36.0MPa，即可判定为合格。
2.2、采用非数理统计方法评定
试件少于10组时，可用非统计方法按下述条件进行评定：
Rn≥1.15R （5）
Rmin≥0.95R （6）
式中字母含义同数理统计公式。
若公式（5）、（6）评定，则合格的条件为：
Rn≥1.15x40=46.0MPa
Rmin≥0.95x40=38.0MPa
从两种评定方法来看，最低值Rmin均易于保证，但后者的平均值比前者高出46-40.1=5.9MPa，这就正好对应了《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2000）中“3.0.2 遇到下列情况时应提高混凝土配制强度：1、……；2、C30级及其以上强度等级的混凝土，采用非统计方法评时”。
在实际工程中，由于结构部位的不同，往往要求不同的评定方法，但很多单位仅按数理统计的方法进行混凝土配合比设计，导致实际试配强度均达不到49.9MPa。对于一般单位而言，在一个工程中通常只有混凝土配合比，加之管理不到位，也往往用于要求非数理统计的工程部位，结果只能出现砼强度达不到设计要求的后果。
3、生产配合比的调整及施工中的控制
在生产配合比的调整及施工控制中应注意出现以下问题：
3.1 严格控制混凝土施工时的用水量：在实际行产中，操作者为方便施工，往往追求较大的坍落度，擅自增加用水量而不管强度是否能达到要求；再加上现场质检人员的管理不到位，对水灰比缺少严格的控制等原因，均使混凝土实际用水量大于理论用水量，从而导致砼强度的降低。
防治措施：加大质检抽查力度，控制操作者不得随意增加用水量；若发现混凝土工作性能较差，操作者应及时向试验员反馈实际情况，经试验员现场查找原因、分析情况后采取相应对策，并按试验员的指令调整配合比；现场质检人员也应按规范要求经常检查混凝土的质量动态信息，及时进行调整，确保混凝土按要求进行施工。
3.2 调整生产配合比时，应准确测量生产现场砂、石的实际含水量：经到现场检查和了解，有部分试验人员没有按规定要求准确测量，而是采用目测法来估计砂、石的实际含水量，这样做会导致生产配合比不准确。
防治措施：砂、石中若含泥量超标，应在混凝土浇筑前三天冲洗完毕，并应在施工前按规范要求取样并准确测量砂、石的实际含水量，调整施工配合比以从用水量中扣除含水量,补回砂、石量，严禁边冲洗边拌制混凝土。
3.3 砂、石材料应准确计量：不少施工单位在生产时，第一车砂、石用磅秤一下，随后就采用在小推车上画线的办法来控制重量，从而导致了砂、石材料的用量偏差。
防治措施：有条件的单位尽量采用混凝土拌和楼，利用电脑准确计量；若实在没有，应不怕麻烦，坚持每车过磅，以控制材料用量。
4、在保证质量的前提下，应注重经济效益
不少施工单位在配合比设计时纯粹是为了达到设计强度，按规范要求或以往经验进行一组配合比设计，试配后强度达到要求就算完成了；若达不到要求，唯一的方法就是增加水泥用量，很少有人从材料调配、经济效益、混凝土工作质量等方面综合考虑。水泥用量过多，往往导致混凝土收缩裂缝的产生和徐变增大，而且也相应增加了施工成本。
防治措施：在规范要求允许的条件下，试验室应配制不同的配合比，从经济、工作性能、质量等方面综合考虑择优选用，并应针对不同施工部位、不同评定方法给予适当调整，尽量避免凡是同一强度均使用一个配合比的做法。试验室还应收集每次配合比及施工情况的详细数据，并注意对这些数据进行统计分析，以便得出本试验室的水灰比、用水量、砂率、水泥用量范围及σ 数值，日积月累，就能成为一个很可观、很宝贵的参考资料，对以后的施工将会起到不可估量的作用。当然，这些事情的实际操作是比较枯燥无味、短期效益不明显的，应选派工作责任心较强，业务水平较高的人员去组织或收集，最重要的是单位领导及项目经理应给予他们足够的理解和支持。
以上是本人在工作中的一些看法，若有不当之处，还望各位专家同仁们指正。