混凝土配合比设计原则

      混凝土配合比设计是指混凝土各组成材料数量之间的比例关系。常用的表示方法有两种：一种是以1m3混凝土中各组成材料的质量表示，如水泥336kg，砂654kg，石子1215kg，水195kg；另一种方法是以各项材料相互间的质量比（常以水泥质量为 1 ）来表示，将上述配合比换算成水泥:砂:石:水=1:1:95:3.62:0.58。

      一、混凝土配合比设计的基本要求

      配合比设计的基本要求即使所配制的混凝土在比较经济的原则下具有所期望的性能：拌合物的和易性、混凝土的强度和耐久性。经济性的表现有两个方面：一方面节约水泥用量，降低混凝土的成本（包括材料、劳动力、能源的节约）；另一方面长远的经济效益和整体的经济效益好（如耐久性好，维护费用少，导热性小，使用中能耗低等）。

      对特殊工程中使用的混凝土配合比，除有以上要求外，还应满足特殊要求（如耐火性、防辐射等。）

      二、混凝土配合比设计的任务

      混凝土配合比设计，实质上就是确定水泥、水、砂子和石子这四项基本组成材料用量之间的三个比例关系。即：水与水泥之间的比例关系，常用水灰比表示；砂与石子之间的比例关系，常用砂率表示；水泥浆与骨料之间的比例关系，常用单位用水量来反映。水灰比、砂率、单位用水量是混凝土配合比的三个重要参数，因为这三个参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系，在配合比设计中正确地确定这三个参数，就能使混凝土满足上述设计要求。

      三、混凝土配合比设计的步骤

      进行配合比设计时首先要正确选定原材料品种、检验原材料质量，然后按照混凝土技术要求进行初步计算，得出“试配配合比”。经试验室试拌调整，得出“基准配合比”。经强度复核（如有其他性能要求，则须作相应的检验项目）定出“试验室配合比”，最后以现场原材料实际情况（如砂、石含水等）修正“试验室配合比”从而得出“施工配合比”。

      1 ．试配配合比的计算

      （1）计算配制强度

      为使混凝土的强度保证率能满足规定的要求，在设计混凝土配合比时，必须使混凝土的配制强度（f_cu,o）高于设计强度等级（f_cu,k）。当混凝土强度保证率要求达到95％时，f_cu,o 可采用下式计算：

      f_cu,o= f_cu,k +1.645σ                                                                       
      式中σ―混凝土强度标准差（N／mm²）。σ采用至少 25 组试件的无偏估计值。

      如具有 25 组以上混凝土试配强度的统计资料时，σ可按下式求得：

     

                    

      式中 n ― 同一品种混凝土试件的组数，n≥25 ；

      f_i ― 第 i 组试件的强度值( N／mm²)；

       f(              -)_n ―n组试件强度的平均值（N／mm²）。

      根据JGJ/T55-96，当混凝土强度等级为 CZO 、 C25 级，其强度标准差计算值低于2.5MPa时，计算配制强度用的标准差应取用 25MPa；当强度等级等于或大于 C30 级，其强度标准差计算值低于3.0MPa时，计算配制强度用的标准差应取用 30MPa 。

      如施工单位不具有近期的同一品种混凝土强度资料时，其混凝土强度标准差σ可按表7-22取用。

      表 7 – 22                           σ取值表

      注：1 摘自《 混凝土结构工程施工及验收规范 》GB50204-92 ;

      2 在采用本表时，施工单位可根据实际情况，对σ值作适当调整。

      ( 2 ）初步确定水灰比（ W/C )

      根据配制强度f_cu，o ，按下式计算所要求的水灰比值（其中 A ，B 取值为不具备试验统计资料时的取值）：

      采用碎石时： f_cu，o = 0.48f_ce ( c／w-0.52 )                              
      采用卵石时： f_cu，o = 0.50f_ce ( c／w-0.61 )                             

      为了保证混凝土必要的耐久性，水灰比还不得大于表 7-23 中规定的最大水灰比值，若计算所得的水灰比大于规定的最大水灰比值时，应取规定的最大水灰比值。

      表 7-23   混凝土最大水灰比和最小水泥用量

      注：1. 当用活性渗合料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最小水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量。

      2. 摘自《 普通混凝土配合比设计规程 》 JGJ/T55 ～96。

      ( 3）选取每 1 m³混凝土的用水量（W _o）

      用水量主要根据所要求的坍落度值及骨料种类、粒径来选择。首先根据施工条件按表7-11选用适宜的坍落度，再按表 7-12 选定每 1 m³时混凝土用水量。

      另外，单位用水量也可按下式大致估算：

                                                      
      式中，T----混凝土拌合物的坍落度（ cm ) ；

      K----系数，取决于粗骨料种类与最大料径，可参考表 7-24 取用。

      表7-24    混凝土单位用水最计算公式中的 K 值

注：1.采用火山灰硅酸盐水泥时增加 4.5 ～6.0；

      2 采用细砂时，增加 3.0。

       ( 4 ）计算混凝土的单位水泥用量（ C_o）

      根据已选定的每1m³混凝土用水量（W_o）和得出的水灰比（W/C）值，可求出水泥用量( C_o）：

       C_o= W_o /(w/c)

      为保证混凝土的耐久性，由上式计算得出的水泥用量，还要满足表 7-23 中规定的最小水泥用量的要求，如计算得出的水泥用量小于规定的最小水泥用量，则应取规定的最小水泥用量。另外，GB50204-92 中还规定混凝土最大水泥用量不宜大于 550㎏/m³ ，故应综合决定水泥用量。

      ( 5 ）选用合理的砂率值（Sp )

      合理的砂率值主要应根据混凝土拌合物的坍落度、粘聚性及保水性等特征来确定。一般应通过试验找出合理砂率。如无使用经验，则可按骨料种类、粒径及混凝土的水灰比，参照表7-13 选用合理砂率值。

      另外，砂率也可根据以砂填充石子空隙并稍有富余以拨开石子的原则来确定。根据此原则可列出砂率计算公式如下：

         

     

     

      式中      Sp -----砂率，%；

      S ，G----- 分别为每 1 m³混凝土中砂及石子用量，kg ；

      V_os,V_og分别为每 1 m³混凝土中砂及石子的松散体积，m³；

      ρ´_os，ρ´_og-----分别为砂和石子的堆积密度，㎏/ m³；

      P ' -----石子空隙率，%；

      β----- 砂剩余系数，又称拨开系数，一般取 1.1～ 1.4。

      ( 6 ）计算粗、细骨料的用量（G_o，S_o )

      粗、细骨料的用量可用绝对体积法或假定表观密度法求得。

      1）绝对体积法假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对体积和混凝土拌合物中所含空气的体积之总和。因此，可用下式联立计算G_o，S_o：

                

      

                             

 

      式中C_o,G_o，S_o,W_o-----分别为 1 m³混凝土的水泥用量、石子用量、砂用量、水用量（ kg ) ；

      ρ_c，ρ_og，ρ_os，ρ_ww，-----分别为水泥密度、石子表观密度、砂表观密度、水的密度（kg/m³）；

      α-----混凝土含气量百分数，% ，在不使用含气型外加剂时，α可取为1；

       S_p砂率，％。

      2 ）假定表观密度法    根据经验，如果原材料情况比较稳定，所配制的混凝土拌合物的表观密度将接近一个固定值，这样就可先假设一个混凝土拌合物表观密度ρcp(kg/m³），由以下两式联立求出G_oS_o：

       C_o+G_o+S_o+W_o=ρ_cp。                                          

                                      

      ρ_cp 可根据积累的试验资料确定，在无资料时可根据骨料的表观密度、粒径以及混凝土强度等级，在 2400～2450 kg/m³的范围内选取。

      通过以上步骤，可将水泥、水、砂和石子的用量全部求出，得到初步计算配合比。

      注：以上混凝土配合比计算，均以干燥状态骨料为基准（干燥状态骨料系指含水率小于 0.5 % 的细骨料或含水率小于 0.2 %的粗骨料），如需以饱和面干骨料为基准进行计算时，则应作相应的修改。

      2 基准配合比的确定

      以上求出的各材料用量，是借助于一些经验公式和数据计算出来的，或是利用经验资料查得的，因而不一定能够符合实际情况，必须经过试拌调整，直到混凝土拌合物的和易性过试拌调整，直到混凝土拌合物的和易性符合要求为止，然后提出供检验混凝土强度用的基准配合比。

      调整混凝土拌合物和易性的方法：当坍落度低于设计要求时，可保持水灰比不变，适当增加水泥浆量或调整砂率；若坍落度过大，则可在砂率不变的条件下增加砂石用量；如出现含砂不足、粘聚性和保水性不良时，可适当增大砂率，反之应减少砂率。每次调整后再试拌，直到和易性符合要求为止。当试拌调整工作完成后，应测出混凝土拌合物的实际表观密度（ρ）。

      3.试验室配合比的确定

      经过和易性调整试验得出的混凝土基准配合比，其水灰比值不一定选用恰当，其结果是强度不一定符合要求，所以应检验混凝土的强度。一般采用三个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水灰比值，应较基准配合比分别增加及减少0.05 ，其用水量应该与基准配合比基本相同，但砂率可分别增加或减小1％。每个配合比至少制作一组试件，标准养护28d 试压（在制作混凝土强度试块时，尚需检验混凝土拌合物的和易性及测定表观密度，并以此结果作为代表这一配合比的混凝土拌合物的性能）。若对混凝土还有其他技术性能要求，如抗渗标号、抗冻标号等要求，则应增添相应的试验项目进行检验。

      假设已满足各项要求的每立方米混凝土拌合物各材料的用量为：水泥=C_拌、砂＝S_拌、石子=C_拌、水=W_拌，则试验室配合比（ 1 m³混凝土的各项材料用量）尚应按下列步骤校正：

      先计算混凝土表观密度计算值ρ_c,c：

      ρ_c,c=C拌＋S拌＋C拌＋W拌                                                    

      再按下式计算混凝土配合比校正系数δ：

      δ=ρ_c,t /ρ_c,c                                                                           

      当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2 ％时，则按上述方法计算确定的配合比为确定的设计配合比，当两者之差超过2 %时，应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数占值，即为确定的设计配合比。

      4 施工配合比

      试验室得出的配合比，是以干燥材料为基准的，而工地存放的砂、石材料都含有一定的水分。所以现场材料的实际称量应按工地砂、石的含水情况进行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。假设工地测出砂的含水率为 a %、石子的含水率为b%，则上述试验室配合比换算为施工配合比为（每1m³各材料用量）

      C'= C ( kg )                                                     

      S' = s ( 1 + a % ) ( kg )                                              

      G'  =G ( 1 + b % ) ( kg )                                               

      W= w-S·a ％一G·b% ( kg )