混凝土配合比方案.doc

高性能混凝土配合比设计方案
　　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
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（%）。

十一、普通混凝土、耐久性混凝土及高性能混凝土原材料对比
原材料种类
普通混凝土
耐久性混凝土（客运专线）
细骨料
粗砂、中砂、细砂、特细砂
人工砂、山砂、冲洗符合条件的海砂
应选用天然河砂，也可选用人工砂，不宜使用山砂。在不具备可靠冲洗条件的情况下不得使用海砂，宜优先选用中粗砂。
用海砂拌制混凝土氯离子含量不得大于0.06%;
用山砂拌制≤C30混凝土压碎指标不得大于35%;
碱活性砂浆棒膨胀率＜0.10％
吸水率≯2％
坚固性：硫酸钠溶液浸泡5次循环后质量损失率≯8％
Cl-含量≤0.02%
碱活性砂浆棒膨胀率＜0.10％

外加剂
第一代
第二代
全用
第三代

聚羧酸盐高效减水剂
减水率≥20％
含气量：用于配制非抗冻混凝土时≥3.0％
用于配制抗冻性混凝土时≥4.5％
坍落度保留值：30min≥180mm
60min≥150mm
收缩率比≤135％
相对耐久性指标（200次）≥80％

3. 硅灰技术要求
序号
名 称
技术要求
1
烧失量(%)
≤6
≤12
2
Cl-含量(%)
不宜大于0.02
3
SiO2含量(%)
≥85
4
比表面积(m2/kg )
≥18000
5
需水量比(%)
≤125
≤100
6
含水率(%)
≤3.0
7
活性指数(%)，28 d
≥85

混凝土用水
饮用水
符合条件中水
不能采用海水

混凝土拌合用水品质指标

项 目
预应力砼
钢筋砼
素 砼
pH值
＞4.5
＞4.5
＞4.5
不溶物(mg/L)
＜2000
＜2000
＜5000
可溶物(mg/L)
＜2000
＜5000
＜10000
氯化物Cl- (mg/L)
＜500
＜1000
＜3500
硫酸盐SO42-(mg/L)
＜600
＜2000
＜2700
碱含量（当量Na2O）(mg/L)
＜1500
＜1500
＜1500

混凝土拌合物性能
结构物名称
灌注桩
基础、承台
墩台、涵洞

支承垫石

预应力梁
梁面纤维
混凝土

入模坍落度
≤220mm

≤180mm
≤120mm
≤180mm
≤120mm
混凝土配合比设计就是要在满足混凝土设计技术指标、适应施工技术方案的前提下，尽可能降低混凝土单位用水量。配合比优化的目标是在满足设计技术指标及施工要求的前提下，达到高性能混凝土的要求，使混凝土具有较高的耐久性、抗裂性、低热性、体积稳定性、良好工作性和经济合理性。为此，我们在混凝土配合比试验设计过程中，根据昆凝土设计指标要求和地材的特点，对原材料进行了优选，采取小水胶比和增大粉煤灰掺量等技术路线，对配合比进行了优化。在优化过程中主要采取了如下几项技术措施：
1 掺用I级粉煤灰改善混凝土性能
通过对3个厂家不同品质的粉煤灰进行的品质检验及混凝土用水量试验，发现：(1)I级粉煤灰具有一定的减水效果，Ⅱ级粉煤灰没有减水作用，而Ⅲ级粉煤灰反而增加了混凝土的用水量；(2)粉煤灰需水量比X与混凝土用水量W存在特别显著的相关关系，其相关关系式为：W＝8．166＋1．341X(kg／m3)，相关系数r=0，993，均方差S=0．96。试验分析表明，粉煤灰需水量比是反映粉煤灰品质的重要指标，它直接影响混凝土单位用水量的大小。
I级粉煤灰不同掺量对各级配混凝土用水量的影响结果见表1。
表1 1级粉煤灰掺量对混凝土用水量的影响
粉煤灰掺量／％
混凝土用水量／(kg·m-3)
减水剂掺量／％
二级配
三级配
0 162 161
10 156 155
20 152 150 0．8
30 148 145
40 146 142

可以看出，品质优艮的I级粉煤厌，叫以有双顶少混凝土用水量，且混凝土用水量随粉煤灰掺量的增加而减少。不同级配混凝土用水量与粉煤灰掺量关系规律基本一致。
掺加 I级粉煤灰后，混凝土的抗冻性显著改善。二级配混凝土抗冻试验结果(见表2)表明，其抗冻标号已达D300。
I级粉煤灰对混凝土所产生的一系列效果，主要是由其形态效应、火山灰效应和微集料效应产生的。I级粉煤灰的减水作用是由形态效应和微集料填充效应所决定的。粉煤灰中的玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒之间的摩擦力降低，使水泥颗粒充分分散，在相同稠度下使混凝土用水量减少；颗粒较细，可以改善胶凝材料的颗粒级配，使填充胶凝材料孔隙的水量减少，因而也降低了混凝土用水量。I级粉煤灰颗粒细，水化反应的表面积比Ⅱ级粉煤灰大，火山灰反应更充分。另外，由于粉煤灰的火山灰反应减少了界面区域的Ca(OH)；，改善了界面结构，因而改善了混凝土的性能。
表2 1级粉煤灰混凝土的抗冻性
水胶比
粉煤灰
掺量／％
相对动弹性模数／％／重量损失／％
50
100
200
300
25 95．6／0．03 94．3／0．09 93．1／0．35 90．2／0．79
0．40 30 95．8／0．02 93．7／0．14 91．1／0．67 87．9／1．21
35 95．4／0．22 92．5／0．83 89．5／1．38 79．9／3．26
I级粉煤灰的这些效应，使其具有改善混凝土拌和物和易性的作用，减少了混凝土的泌水量，减少了骨料下部水囊的形成，提高了水泥与骨料的粘结强度，改善了混凝土的力学性能，混凝土各项性能指标均得到有益改善。因此，该工程混凝土配制过程中，I级粉煤灰作为非常重要的改性材料被采用。
2 选用优质高效减水剂降低混凝土用水量
通过优选试验，选择出减水率大于20％、其它指标均满足国标一等品要求的ASD-9、PC-2000两种缓凝高效减水剂供该工程使用，检验结果见表3。
表3 减水剂按GB8076—1997检验结果
减水剂品种
与掺量
减水率／％
含气量／％
凝结时间差／min
泌水率比／％
抗压强度比／％
初凝
终凝
3d
7d
28d
ASD-9
0．8
20．5
1．0
262
255
61
128
107
109
PC-2000
1．0
21．0
1．1
292
287
64
131
124
119
在二级配、坍落度7—9cm、水胶比0．39、阳逻电厂I级粉煤灰条件下，2种减水剂分别与I级粉煤灰联掺，混凝土用水量和强度试验结果平均值见表4。试验结果表明，2种减水剂在给定掺量的条件下，混凝土用水量基本相同，混凝土强度也基本相当。
表4 凝土平均用水量与平均抗压强度关系
减水剂品种与掺量
平均用水量／(kg·m-3)
平均抗压强度／MPa
3d
7d
38d
ASD-9 0．8 150．2 25．6 30．7 41．8
PC-2000 1．0 149．7 26．4 31．5 42．3
3 合理选择水胶比确保混凝土性能
混凝土配合比参数主要包括水胶比、砂率、用水量及粉煤灰掺量等，合理选择配合比参数可获得性能优良而且经济性好的混凝土。水胶比越大，混凝土孔隙率越大，强度越低，耐久性越差。过大的水胶比特别不利于掺加粉煤灰的混凝土的内部微结构的发展，同时影响混凝土的耐久性与强度。只有在低水胶比的前提下，粉煤灰的作用才能得以充分发挥。该工程选用了品质优良的高效减水剂和I级粉煤灰，二级配混凝土用水量降低到150kg／m’左右，为采用较低水胶比创造了有利条件。水胶比选用情况见表5。
表5 水胶比选用和粉煤灰掺量
工程部位
水胶比
粉煤灰掺量／(kg·m-3)
桩基础 0．40 90
桩身 0．39 98
承台 0．38 95
墩身 0．37 92
墩帽 0．37 92
4 限制碱含量防止混凝土碱骨料反应
武汉理工大学材料检测中心对该工程所用粗骨料与细骨料都进行了碱活性检验，评定为非活性骨料。鉴于合武铁路客运专线在国民经济中的重要地位及特殊意义，为防止工程建成后一百年内发生碱活性反应破坏混凝土寿命，从长期耐久性考虑，《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》除对水泥、粗骨料、细骨料、外加剂、拌和用水和混凝土中的碱总含量提出了限制要求(见表6)外，还要求混凝土配合比设计时进行总碱含量验算。
表6 碱含量技术指标
名称
质量指标
水泥 ≤0．6％
粗骨料 砂浆棒膨胀率≤0．1％
细骨料 砂浆棒膨胀率≤0．1％
外加剂 ≤10％
拌和用水 <1 500mg/L
混凝土中碱总含量 ≤3．0％
本工程混凝土配合比设计时对各原材料的碱含量进行了试验并对混凝土的总碱含量进行了验算，均符合有关技术指标要求。
5 控制CI—含量与电通量确保混凝土耐久性
混凝土成型后硬化混凝土中的水溶CI—是引起钢筋锈蚀、混凝土腐蚀的首要原因。控制混凝土中的CI—含量，对于减少混凝土中CI—的渗透、确保混凝土耐久性有着至关重要的作用。《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》对水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料、外加剂、拌和用水和混凝土中的CI—含量提出了限制要求，对56d电通量也做了明确规定(见表7)；《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》还规定了混凝土电通量的测定方法。