混凝土配合比设计的基本步骤
在进行普通混凝土配合比设计时，首先应明确如下基本资料：①混凝土设计要求的强度等级；②工程所处环境对耐久性的要求；③混凝土的施工方法及施工管理水平；④混凝土结构的类型；⑤原材料的品种及技术指标等。然后，根据原材料的性能及对混凝土的技术要求进行初步计算，得出初步配合比；再经过实验室试拌调整，得出满足和易性、强度和耐久性要求的实验室配合比；最后再根据施工现场砂、石含水情况，对实验室配合比进行修正，计算出施工配合比。
不同行业混凝土配合比设计的基本原则是相同的，但由于不同工程各具有不同的特点，所以混凝土配合比设计中所采用的经验公式和图表也有一定差别，在进行混凝土配合比设计时，除共同遵照国家有关标准外，还应根据所施工工程采用相应的混凝土配合比设计方法和步骤。这里仅将建筑工程和道路工程的混凝土配合比设计加以介绍。
(一)建筑工程混凝土配合比设计
1．初步配合比的计算
(1)确定混凝土配制强度
为了保证混凝土能够达到设计要求的强度等级，在进行混凝土配合比设计时，既要考虑到实际施工条件与实验室条件的差别，又要考虑到对混凝土强度的不利影响因素，必须使混凝土的配制强度高于设计强度等级。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ055－2000)中的规定，配制强度f可按下式计算：
f=f+tσ (5－6)
式中 f——混凝土的配制强度(MPa)；
f——混凝土的设计强度等级(MPa)；
t——强度保证率系数，当强度保证率为95%时，取t=1．645；
σ——混凝土强度标准差(MPa)，可根据施工单位以往的生产质量水平进行测算，如施工单位无历史统计资料时，可按表5－58选用。
表5－58 混凝土强度标准差取值表(JGJ55－2000)
(2)确定混凝土的水灰比
瑞士学者保罗米通过大量混凝土试验研究，应用数理统计的方法，提出了混凝土强度与水泥强度等级及水灰比之间的关系式，即混凝土强度公式：
式中 f——混凝土28d龄期立方体抗压强度(MPa)；
f——水泥实际强度(MPa)，f可通过试验确定，也可根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55－2000)中的规定，取水泥强度富余系数为1．13，按f=1．13f计算，其中f为水泥强度等级；
C——每立方米混凝土中水泥用量(kg)；
W——每立方米混凝土中水的用量(kg)；
A，B——经验系数，与骨料品种等有关。当采用碎石时：A=0．46，B=0．07；采用卵石时，A=0．48，B=0．33。
根据混凝土强度公式(5－7)，可推导出满足配制强度要求的水灰比，见式(5－8)：
混凝土工程实践证明：混凝土的水灰比不仅要满足强度的要求，而且还要满足耐久性的要求，这是配制混凝土不可缺少的条件。
根据行业标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55－2000)中的规定，混凝土的最大水灰比和最小水泥用量，如表5－59所示。最后应在按强度计算出的水灰比与查表所得的水灰比中，选用其中较小的一个值作为混凝土的设计水灰比。
表5－59 混凝土的最大水灰比和最小水泥用量(JGJ55－2000)
注：当用活性掺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及水泥用量。
(3)确定混凝土的用水量(W)
根据混凝土施工所要求的坍落度(表5－57)，以及所用骨料的品种、最大粒径等因素，参考表5－60选用1m混凝土的用水量。
表5－60 混凝土用水量选用表(JGJ55－2000)
(kg／m)
注：1．本表不宜用于水灰比小于0．40或大于0．80的混凝土。
2．本表用水量采用中砂时的平均值，若用细(粗)砂时，每立方米混凝土用水量可增加(减少)5～10kg。
3．掺用外加剂(掺合料)，可相应增减用水量。
(4)确定混凝土水泥用量(C)
根据确定出的水灰比(W／C)和1m混凝土的用水量(W)，用式(5－9)可求出1m混凝土中的水泥用量(C)。
为了保证满足混凝土的耐久性，由式(5－9)计算得出的水泥用量，还应当满足表5－59中规定的最小水泥用量的要求。如果算得的水泥用量小于表5－59规定的最小水泥用量，则应取表5－59中规定的最小水泥用量值。
(5)选取合理的砂率(S)
应当根据混凝土拌合物的和易性，通过试验求出合理砂率。在初步计算配合比或无试验资料时，可以根据骨料的品种、规格和水灰比，按表5－61中选取。
表5－61 混凝土砂率选用表(JGJ55－2000)
(%)
注：1．本表适用于坍落度为10～60mm的混凝土。坍落度若大于60mm，应在上表的基础上，按坍落度每增大20mm砂率增大1%的幅度予以调整。
2．本表数值系采用中砂时选用的砂率，若用细(粗)砂，可相应减少(增加)砂率。
3．只用一个单粒级骨料配制的混凝土，砂率应适当增加。
4．掺有外加材料时，合理砂率经试验或参考有关规定选用。
(6)计算粗、细骨料的用量(S，G)
在混凝土配合比组成材料用量计算中，确定砂、石骨料用量的方法很多，最常用的是绝对体积法和假定表观密度法。
1)绝对体积法。绝对体积法是假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料的绝对体积和拌合物中所含空气的体积之和。因此，在计算1m混凝土拌合物的各材料用量时，可列出式(5－10)。再根据砂率的计算公式(5－11)，将式(5－10)和式(5－11)联立，即可求出1m混凝土中砂(S)、石子(G)的用量。
式中 C，W——分别为1m混凝土中的水泥、水的用量(kg)；
S，G——分别为1m混凝土中的砂、石子的用量(kg)；
ρ，ρ——分别为混凝土中的水泥、水的密度(g／cm)，通常取ρ=3．1，ρ=1．0；
ρ，ρ——分别为混凝土中的砂、石子的密度(g／cm)；
α——混凝土中含气百分数(%)，在不使用引气型外加剂时，α取1．0；
S——混凝土的砂率(%)。
2)假定表观密度法。如果混凝土所用原材料的情况比较稳定，所配制混凝土的表观密度将接近一个固定值，这样就可以根据施工水平和管理水平，假定一个混凝土拌合物的表观密度ρ，可得式(5－12)。
C+S+G+W=ρ(5－12)
式中 ρ——假定混凝土拌合物的表观密度(kg／m)。
将式(5－12)和式(5－11)联立，即可求出1m混凝土中砂(S)、石子(G)的用量。
通过以上六个步骤便可将1m混凝土中水泥、水、砂子和石子的用量全部计算出，得到混凝土的初步配合比。但是，需要注意的是，以上混凝土配合比计算的公式和表格，均以干燥状态骨料为基准，如果以其他含水状态的骨料为基准，则应进行相应的修正。
2．实验室配合比的确定
混凝土的初步配合比是根据经验公式、经验图表等估算而得出，因此不一定符合工程的实际情况，必须通过实验室进行检验，不符合要求时进行配合比调整。配合比调整的目的有两个方面：一是使混凝土拌合物的和易性满足施工需要，二是使水灰比满足混凝土强度及耐久性要求。
(1)调整施工的和易性，确定基准配合比
根据计算的初步配合比称取材料试样，按规定方法拌制成混凝土拌合物，测定拌合物的坍落度，并检验其黏聚性和保水性，如果和易性不符合设计要求，应对初步配合比进行调整。
调整的原则是：若坍落度过大，应保持砂率不变，适当增加砂、石的用量；若坍落度过小，应保持水灰比不变，适当增加水泥浆的用量；若拌合物出现因含砂不足，黏聚性和保水性不良时，应适当增加砂率；若拌合物显得砂浆过多时，应适当降低砂率。
每次调整后再进行试拌，并评定拌合物的和易性，直到和易性满足设计要求为止。当试拌成功之后，记录调整后各种材料的用量和实际表观密度。满足混凝土和易性要求的配合比称为基准配合比。
(2)检验强度和耐久性，确定实验室配合比
经过和易性调整后得到的基准配合比，其水灰比不一定满足混凝土强度和耐久性的设计要求，所以还应当检验混凝土的强度和耐久性。混凝土强度检验，一般采用三组不同的水灰比，其中一组为基准配合比中的水灰比，另两组在基准配合比水灰比值的基础上，分别增加和减少0．05，其用水量与基准配合比相同，砂率值可稍加调整。在制作混凝土标准试件时，应记录好各组配合比中各种材料用量，检验混凝土拌合物的和易性，并测定混凝土的表观密度。
三组不同配合比的混凝土标准试件，经标准养护28d后进行抗压强度试验，从三个抗压强度的代表值中，选择一个大于或等于试配强度、水泥用量较少的配合比，作为满足混凝土强度要求所需的配合比。如果对混凝土还有抗冻性、抗渗性等耐久性方面的要求，应根据需要增加相应的试验项目。
如果已知试拌调整后满足和易性、强度和耐久性要求的各种材料用量，并得到实测的混凝土表观密度ρ，可按下式计算混凝土的实验室配合比。
式中 C，W，S，G——分别为实验室配合比1m混凝土中的水泥、水、砂子和石子的用量(kg)；
C，W，S，G——分别为实验室配合比试拌调整后水泥、水、砂子和石子的实际用量(kg)；
ρ——试拌调整后混凝土的实测表观密度(kg／m)。
3．现场施工配合比的确定
混凝土的基准配合比和实验室配合比，均是以干燥材料为基准而得出的，但工程现场存放的砂、石骨料，实际都含有一定的水分，有时甚至变动比较大。所以，对现场材料的实际称量，应按工地砂、石的实际含水情况进行修正，修正后的配合比称为施工配合比。
现假定工地上砂的含水率为a%，石子的含水率为b%，则施工配合比中1m混凝土各项材料的实际称量可按下式进行计算：
C′=C (5－17)
S′=S(1+a%) (5－18)
G′=G(1+b%) (5－19)
W′=W－S·a%－G·b% (5－20)
式中 C′，W′，S′，G′——分别为施工配合比中1m混凝土中的水泥、水、砂子、石子的实际称量(kg)。
(二)道路工程混凝土配合比设计
公路工程最常用的混凝土有普通混凝土、钢纤维混凝土、碾压混凝土和贫混凝土等，这几种混凝土的组成材料不同，其配合比设计也有一定差异。这里仅介绍普通混凝土配合比的设计。
普通混凝土配合比设计适用于滑模摊铺机、轨道摊铺机、三辊轴机组及小型机具四种施工方式。设计中在兼顾经济性的同时，应满足设计弯拉强度、工作性和耐久性三项技术要求。
普通混凝土配合比设计的步骤如下：
1．确定混凝土的配制28d弯拉强度f
普通路面混凝土的配制28d弯拉强度f，首先应根据设计要求的混凝土强度等级f和施工单位质量管理水平，再按照《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTGF30－2003)中的规定，可按下式计算：
式中 f——配制28d弯拉强度的均值(MPa)；
f——设计弯拉强度标准值(MPa)；
s——弯拉强度试验样本的标准差(MPa)；
t——混凝土保证率系数，应按表5－62确定；
C——弯拉强度变异系数，应按统计数据在表5－63的规定范围内取值；在无统计数据时，弯拉强度变异系数应按设计取值；如果施工配制弯拉强度超出设计给定的弯拉强度变异系数上限，则必须改进机械设备和提高施工控制水平。
表5－62 保证率系数t值
表5－63 各级公路混凝土路面弯拉强度变异系数
2．计算混凝土的水灰(胶)比
(1)根据所用粗骨料类型，分别计算水灰比
1)碎石或碎卵石混凝土：
式中 W／C——混凝土的水灰比；
f——水泥实测28d的抗折强度(MPa)。
2)卵石混凝土：
(2)当掺用粉煤灰时，应计入超量取代法中代替水泥的那一部分粉煤灰用量(代替砂的超量部分不计入)，用水胶比[W／(C+F)]代替水灰比(W／C)。
(3)应在满足弯拉强度计算值和耐久性(如表5－64所示)两者要求的水灰(胶)比中选取小值。
表5－64 混凝土满足耐久性要求的最大水灰(胶)比和最小单位水泥用量
注：1．掺粉煤灰，并有抗冰(盐)冻性要求时，不得使用32．5级水泥。
2．水灰(胶)比计算以砂石料的自然风干状态计(砂含水量≤1．0%，石子含水量≤0．5%)。
3．处在除冰盐、海风、酸雨或硫酸盐等腐蚀性环境中，或在大纵坡等加减速车道上的混凝土，最大水灰(胶)比可比表中数值降低0．01%～0．02%。
3．确定混凝土砂率
砂率应根据砂的细度模数和粗骨料的种类，查表5－65确定混凝土的砂率。在做软抗滑槽时，砂率可在表5－65的基础上增大1%～2%。
表5－65 砂的细度模数与最优砂率的关系
4．确定单位用水量
根据粗骨料种类和表5－66和表5－67中的适宜坍落度，分别按下列经验公式计算单位用水量(砂石料以自然风干状态计)：
式中 W——不掺外加剂与掺合料混凝土的单位用水量(kg／m)；
S——混凝土拌合物的坍落度(mm)；
S——混凝土的砂率(%)；
C／W——灰水比，水灰比的倒数。
对于掺加外加剂的混凝土单位用水量，可按式(5－26)进行计算：
W=W(1－β) (5－26)
式中 W——掺加外加剂混凝土的单位用水量(kg／m)；
β——所用外加剂剂量的实测减水率(%)。
表5－66 公路桥涵用混凝土拌合物的坍落度
注：1．使用高频振捣器时，其混凝士坍落度可适当减小。
2．本表系指采用机械振捣的坍落度，采用人工振捣时可适当放大。
3．需要配置大坍落度混凝土时，应掺加外加剂。
4．曲面或斜面结构的混凝土，其坍落度应根据实际需要另行选定。
5．轻骨料混凝土的坍落度，宜比表中数值减少10～20mm。
表5－67 混凝土路面滑模摊铺最佳工作性及允许范围
注：1．滑模摊铺机适宜的摊铺速度应控制在0．5～2．0m／min之间。
2．本表适用于设超铺角的滑模摊铺机；对不设超铺角的滑模摊铺机，最佳振动黏度系数为N·s／m；最佳坍落度卵石混凝土为10～40mm，碎石混凝土为10～30mm。
3．滑模摊铺时的最大单位用水量，卵石混凝土不宜大于155kg／rn，碎石混凝土不宜大于160kg／m。
最后单位用水量应取计算值和表5－68、表5－69中的规定值两者中的小值。如果实际单位用水量仅掺引气剂不满足所取数值，则应掺用引气(高效)减水剂。三、四级公路也可以采用真空脱水施工工艺。
表5－68 混凝土单位用水量选用表
(kg／m)
表5－69 不同路面施工方式混凝土坍落度及最大单位用水量
注：1．表中的最大单位用水量系采用中砂、粗细骨料为风干状态的取值，采用细砂时，应使用减水率较大的(高效)减水剂。
2．使用碎卵石粗骨料时，最大单位用水量可取碎石与卵石中值。
5．计算水泥用量
单位体积混凝土的水泥用量，可由式(5－27)进行计算，并取计算值与表5－64中的规定值两者中的大值
6．计算砂石用量
混凝土中砂石的用量可用密度法或体积法计算。按密度法计算时，混凝土单位体积的质量可取2400～2450kg／m；按体积法计算时，应计入设计的含气量。
(1)按密度法计算
可按式(5－28)和式(5－29)联立计算：
式中 C，W，S，G——分别为水泥、水、砂和石子的单位用量(kg)；
γ——假定混凝土的单位体积质量(kg)；
S——混凝土的砂率(%)。
(2)按体积法计算
体积法计算砂石用量，可按式(5－30)和式(5－29)联立计算：
式中 γ，γ，γ，γ——分别为水泥、水、砂和石子的单位质量(kg／m)；
α——混凝土中的含气量(%)。
7．对于重要路面、桥面工程，应采用正交试验法进行配合比设计
路面混凝土掺用粉煤灰时，其配合比计算应按超量取代法进行。粉煤灰掺量应根据水泥中原有的掺合料数量和混凝土弯拉强度、抗冲击性、抗滑性和耐磨性等要求由试验确定。Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的超量系数可按表5－70中数据进行初选。
表5－70 各级粉煤灰的超量取代系数
代替水泥的粉煤灰掺量，应当根据水泥品种不同而不同，Ⅰ型硅酸盐水泥不得大于30%，Ⅱ型硅酸盐水泥不得大于25%，道路硅酸盐水泥不得大于20%，普通硅酸盐水泥不得大于15%，矿渣硅酸盐水泥不得掺粉煤灰。
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