簡(jiǎn)析水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)

鄭麗華，楊延恒

（上海航源港口工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 201208）

引 言

混凝土是以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、石子，必要時(shí)摻入化學(xué)外加劑和礦物摻合料，按適當(dāng)比例配合，經(jīng)過(guò)均勻攪拌、密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的人造石材。它作為一種用量最大、范圍最廣的建筑結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

混凝土的主要受力形式為抗壓，所以抗壓強(qiáng)度是其最主要力學(xué)指標(biāo)，且以其以立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分混凝土強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)混凝土的定義可知，混凝土的強(qiáng)度在很大程度上是由原材料的性質(zhì)及其相對(duì)含量決定的。所以在配制某強(qiáng)度等級(jí)混凝土前，需進(jìn)行該混凝土配合比設(shè)計(jì)。由于身處水運(yùn)工程行業(yè)，所以本文主要分析水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)。

1 水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟

水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)是依照《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS 202-2011）[1]執(zhí)行。該規(guī)范明確了配合比設(shè)計(jì)的步驟以及基本參數(shù)的選取推薦值：

1）計(jì)算混凝土施工配制強(qiáng)度；

2）選擇水膠比；

3）選擇用水量；

4）確定砂率；

5）確定膠凝材料用量；

6）計(jì)算砂、石用量；

7）試拌并調(diào)整。

2 水運(yùn)與建筑工程混凝土配合比設(shè)計(jì)對(duì)比

建筑工程混凝土配合比設(shè)計(jì)依照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）[2]執(zhí)行。

2.1 混凝土施工配制強(qiáng)度計(jì)算

水運(yùn)工程中，混凝土施工配制強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

建筑工程中，指明當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)小于C60時(shí)，配制強(qiáng)度按式（2）確定：

當(dāng)設(shè)計(jì)等級(jí)不小于C60時(shí)，配制強(qiáng)度按式（3）確定：

由式（1）和式（2）可知，普通混凝土施工配制強(qiáng)度計(jì)算公式基本一致。不過(guò)，兩者在標(biāo)準(zhǔn)差σ取值上有所不同。比較表1和表2可知，對(duì)于小于C20以及大于等于C50的混凝土，水運(yùn)工程的標(biāo)準(zhǔn)差σ值偏低。對(duì)于常規(guī)C25、C30、C40混凝土，水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)差σ值偏低；對(duì)于常規(guī)C20、C45混凝土，水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)差σ值偏高。因此，水運(yùn)工程的標(biāo)準(zhǔn)差σ值普遍偏低。

表1 水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)差σ值 /MPa

表2 建筑工程標(biāo)準(zhǔn)差σ值 /MPa

2.2 水膠比確定

建筑工程中，《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）規(guī)定，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C60時(shí)，混凝土水膠比宜按下式計(jì)算得出：

水運(yùn)工程中，《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS 202-2011）規(guī)定，用建立強(qiáng)度與水膠比關(guān)系曲線的方法求水膠比，按指定的坍落度，用實(shí)際施工應(yīng)用的材料，拌制數(shù)種不同水膠比混凝土拌合物，并根據(jù) 28 d齡期的混凝土立方體試件的極限抗壓強(qiáng)度繪制強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系曲線，從曲線上查出與混凝土施工配制強(qiáng)度相應(yīng)的水膠比。

根據(jù)這條要求，試驗(yàn)室在做配合比設(shè)計(jì)前，首先，要用委托的原材料成型3～5個(gè)水膠比的混凝土試件，養(yǎng)護(hù) 28天后得出混凝土抗壓強(qiáng)度。然后，建立水膠比與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，一般為線性關(guān)系。最后，可通過(guò)插入法或直接取值法，找到施工配制強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的水膠比。并將該水膠比與有耐久性要求規(guī)定的水膠比進(jìn)行比較，得出最終的水膠比。至此，完成配合比設(shè)計(jì)第二步，至少需要 28天。

2.3 用水量選擇

建筑工程與水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)中均提供了用水量的推薦值，且用水量的選擇均與坍落度范圍、粗骨料品種、粗骨料最大粒徑有關(guān)。以工程中常用的塑性混凝土為例，具體見(jiàn)表3。

表3數(shù)據(jù)顯示，水運(yùn)工程中的用水量推薦值略微大一點(diǎn)點(diǎn)。且隨著坍落度和粒徑增大，水運(yùn)工程的用水量增加更顯著。

表3 塑性混凝土用水量推薦值 /(kg·m-3)

2.4 砂率確定

建筑工程標(biāo)準(zhǔn)中提供了砂率的推薦值，其大小選擇與水膠比、粗骨料品種、最大粒徑有關(guān)。該推薦值為質(zhì)量砂率，其計(jì)算公式見(jiàn)式（5）：

水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)亦提供了砂率的推薦值，其大小選擇與膠凝材料用量、粗骨料品種、最大粒徑有關(guān)。該推薦值為體積砂率，其計(jì)算公式見(jiàn)式（6）：

由于砂的密度ρs一般比石的密度ρg小一點(diǎn)，所以體積砂率一般比質(zhì)量砂率大一點(diǎn)。

依照水膠比、膠凝材料用量、用水量三者之間關(guān)系，將水運(yùn)工程與建筑工程的砂率推薦值進(jìn)行轉(zhuǎn)換比較，具體見(jiàn)表4。

表4 水運(yùn)工程與建筑工程的砂率選用值 /%

表4數(shù)據(jù)顯示，水運(yùn)工程中的砂率推薦值偏小。

建筑工程標(biāo)準(zhǔn)中指明，當(dāng)坍落度為10～60 mm的混凝土，其砂率可按表中推薦值選取。

而水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)中明確，需按照表中推薦范圍或者經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)種不同的砂率，拌制混凝土，確定最佳砂率。根據(jù)這條要求，需要依據(jù)選定的水膠比、用水量，計(jì)算出膠凝材料用量，保持這三個(gè)參數(shù)不變，選擇不同的砂率，計(jì)算出不同的砂、石質(zhì)量，拌制混凝土，測(cè)坍落度，從而選擇最佳砂率。

2.5 膠凝材料用量確定

建筑工程標(biāo)準(zhǔn)中，膠凝材料用量由已選擇的水膠比和用水量、礦物摻量計(jì)算而來(lái)，并應(yīng)進(jìn)行試拌調(diào)整，在拌合物性能滿足的情況下，取經(jīng)濟(jì)的膠凝材料用量。計(jì)算得出的膠凝材料總量是確定的，調(diào)整主要是針對(duì)礦物摻量而言。

水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)中，膠凝材料用量的選擇比較復(fù)雜：按選定的水膠比和已確定的最佳砂率，拌制數(shù)種膠凝材料用量不同的混凝土拌合物，測(cè)定其坍落度，并繪制坍落度與膠凝材料用量的關(guān)系曲線，從曲線上查出與施工要求坍落度相應(yīng)的膠凝材料用量。

這條要求是比較令人費(fèi)解的。因?yàn)閺淖置嫔侠斫?，膠凝材料用量與坍落度直接相關(guān)。而實(shí)際上，眾所周知，膠凝材料用量由用水量除以水膠比而得。且在第三步用水量選擇時(shí)，就已經(jīng)考慮了設(shè)計(jì)坍落度。所以與其說(shuō)是建立膠凝材料與坍落度的關(guān)系，還不如說(shuō)是建立用水量與坍落度之間的關(guān)系。如此，第三步用水量選擇的作用就僅僅是用來(lái)計(jì)算砂率了。

根據(jù)這條要求，需保持水膠比、最佳砂率不變，選擇不同的膠凝材料用量，即選擇不同的用水量，計(jì)算出不同的砂、石質(zhì)量，拌制混凝土，測(cè)坍落度，建立坍落度與膠凝材料用量的關(guān)系曲線，從而確定膠凝材料用量（與耐久性要求的最低膠凝材料用量比較后）、用水量。

2.6 砂、石計(jì)算

建筑工程標(biāo)準(zhǔn)中指明，可以按照質(zhì)量法和體積法進(jìn)行計(jì)算。在水膠比、用水量、砂率已選以及各材料的密度數(shù)據(jù)已有的情況下，計(jì)算出砂、石質(zhì)量。

水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，必須按照絕對(duì)體積法進(jìn)行計(jì)算。在水膠比、膠凝材料用量、最佳砂率已確定以及各材料的密度數(shù)據(jù)已有的情況下，計(jì)算出砂、石質(zhì)量。

2.7 試配并調(diào)整

建筑工程標(biāo)準(zhǔn)中指明，在計(jì)算配合比的基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行試拌。計(jì)算水膠比宜保持不變，并應(yīng)通過(guò)調(diào)整配合比其他參數(shù)使混凝土拌合物性能符合設(shè)計(jì)和施工要求，然后修正計(jì)算配合比，提出試拌配合比。在這個(gè)過(guò)程中，一般會(huì)調(diào)整用水量或者砂率，甚至兩個(gè)參數(shù)都調(diào)整。

在試拌配合比的基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)。通過(guò)繪制強(qiáng)度和膠水比的線性關(guān)系圖或插值法確定略大于配制強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的膠水比。再根據(jù)確定的水膠比，調(diào)整用水量、外加劑用量、膠凝材料用量，以及粗、細(xì)骨料用量。最后校正混凝土拌合物的表觀密度，得出最終的配合比。

水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)中指明，經(jīng)濟(jì)合理的配合比應(yīng)按計(jì)算配合比和施工要求的坍落度，經(jīng)試拌校正后得出。確定的配合比應(yīng)根據(jù)制定的要求制作試件進(jìn)行試驗(yàn)校核。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）建筑工程混凝土配合比計(jì)算邏輯是先選全部參數(shù)后調(diào)整再校核。水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)邏輯是逐個(gè)確定參數(shù)再校核。確定參數(shù)的過(guò)程，包含了調(diào)整的過(guò)程，且會(huì)涉及到后續(xù)步驟的計(jì)算。

2）水運(yùn)工程混凝土配合比設(shè)計(jì)雖然基本參數(shù)選定更精確，但操作耗時(shí)長(zhǎng)，比建筑工程混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)所耗時(shí)間至少延長(zhǎng) 28天時(shí)間，會(huì)給工程開(kāi)展帶來(lái)不便。

3）水運(yùn)工程配制強(qiáng)度計(jì)算σ值普遍偏小。

4）水運(yùn)工程配制強(qiáng)度計(jì)算用水量推薦值普遍偏大。

5）水運(yùn)工程配制強(qiáng)度計(jì)算砂率是體積砂率，且其推薦值普遍偏小。