水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法及配合比優(yōu)化

陳 桂

（湖南理大交通科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)影響因素及配合比計(jì)算方式

1.1 混凝土強(qiáng)度及使用壽命預(yù)期

水泥混凝土的強(qiáng)度及使用壽命與設(shè)計(jì)的目標(biāo)相差較大，那么就無(wú)法將其投入使用。將所需的強(qiáng)度作為基礎(chǔ)，提升實(shí)際的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這樣就能預(yù)防混凝土在使用期間受到突然的荷載及意外等問(wèn)題。但是在設(shè)計(jì)混凝土配合的過(guò)程中如果過(guò)分重視提升強(qiáng)度，則會(huì)使得成本無(wú)法控制，進(jìn)而提升項(xiàng)目的成本，也會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。因此對(duì)于水泥混凝土的預(yù)期壽命也要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化混凝土的配合比來(lái)實(shí)現(xiàn)，在確保質(zhì)量的前提下，還能有效控制成本，提高混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及性能[1]。

配合比計(jì)算方式：

以C50 混凝土為例，在實(shí)際施工過(guò)程中配制強(qiáng)度不應(yīng)低于60MPa，計(jì)算公式如下：

公式中：fcu代表混凝土制備需求強(qiáng)度；

Fcu,k代表實(shí)際項(xiàng)目中對(duì)混凝土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)需求；

σ代表施工過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，通常取值為6MPa。

1.2 水灰比

水灰比是水的用量和水泥的用量比。該比值的大小與混凝土強(qiáng)度及耐久性能有直接的關(guān)系。在相同的水泥型號(hào)背景下，混凝土強(qiáng)度與水灰比之間存在反比例關(guān)系。由于水泥水化過(guò)程對(duì)于水的用量大約占水泥用量的10%～15%，為了使得混凝土的工作性能較強(qiáng)，在配置的過(guò)程中需要提升水量，這樣混凝土在硬化后，其中多出來(lái)的水分就會(huì)逐漸蒸發(fā)，在混凝土結(jié)構(gòu)表面留下氣泡空隙，對(duì)于混凝土的密實(shí)度性能來(lái)說(shuō)非常不利，甚至還會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由此可確定水灰比的原則就是在確?；炷恋膹?qiáng)度及耐久性的前提下，適當(dāng)提升水灰比，節(jié)約水泥用量和成本，進(jìn)一步加大混凝土的工作性能。但是水灰比要控制在一定的范圍內(nèi)，不可以過(guò)度增大，否則會(huì)影響混凝土拌和物之間的凝聚性和保水性，降低混凝土強(qiáng)度[2]。針對(duì)上述原則，對(duì)于水灰比的確定方式如下：

（1）設(shè)計(jì)與實(shí)際需求相符的水灰比?；炷翉?qiáng)度要以實(shí)際工程需求為主要參考，因此混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度數(shù)值能夠根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)按照公式計(jì)算出具體的水灰比。

（2）符合耐久性需求的水灰比。衡量混凝土耐久性主要指標(biāo)為：抗?jié)B透性、抗凍性、抗腐蝕性。為了滿(mǎn)足以上指標(biāo)的需求，在混凝土所處環(huán)境中盡量提升水灰比。

配合比計(jì)算方式：根據(jù)普通水泥混凝土的標(biāo)準(zhǔn)配合規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，如基準(zhǔn)值為0.36，通常為保證混凝土的強(qiáng)度，降低水灰比，或者以原有的基準(zhǔn)比值提升或者降低0.02～0.05，用水量也以同樣的方式進(jìn)行調(diào)整。

1.3 砂率

砂石也是混凝土中的重要影響參數(shù)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量有著較大影響關(guān)系，在設(shè)計(jì)混凝土的配合比時(shí)，也要重視砂率。一旦砂率過(guò)高，混凝土中砂的含量增多，就會(huì)增加孔隙，增大膠凝界面，影響混凝土的實(shí)際強(qiáng)度，混凝土的彈性模量也會(huì)相應(yīng)減小，為了提升強(qiáng)度，就需要增加水泥用量，這樣就會(huì)造成資源浪費(fèi)，使得成本進(jìn)一步增加，同時(shí)還會(huì)影響混凝土材料的黏合度，容易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，也會(huì)降低混凝土的耐久性。如果混凝土中含砂量較小，雖然可以通過(guò)消除孔隙的方式實(shí)現(xiàn)減少水泥用量的目的[3]。但是會(huì)影響混泥土的工作性能，降低混凝土的和易性及保水性，所以在進(jìn)行水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要重視砂石材料的原材料質(zhì)量，更要重視砂率影響因素。如果孔隙數(shù)量沒(méi)有達(dá)到要求，就會(huì)影響混凝土漿體的流動(dòng)性和易性，使得混凝土在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)定型，影響最終的使用，也會(huì)為后續(xù)的結(jié)構(gòu)作業(yè)埋下安全隱患[4]。

配合比計(jì)算方式：

（1）砂率的控制是需要對(duì)混合材料中粗骨料空隙率、砂子粒徑、級(jí)配等進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，參考?xì)v史資料以保證滿(mǎn)足拌合物性能和施工要求。如砂子細(xì)度模數(shù)超過(guò)2.6，根據(jù)C50 混凝土配合經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，可以將其調(diào)整到0.38%，或者以基準(zhǔn)為基礎(chǔ)增加或減少1%進(jìn)行調(diào)整。

（2）坍落度小于10mm 或坍落度大于60mm 的混凝土，其砂率可經(jīng)試驗(yàn)確定。

（3）坍落度為10mm～60mm 可根據(jù)粗骨料品種、最大公稱(chēng)粒徑及水膠比確定。

2 優(yōu)化材料的選擇和使用

對(duì)于材料的合理使用也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化水泥混凝土的配合比，由于材料自身具備各自的特性，并且不同產(chǎn)品的規(guī)格和特點(diǎn)也有所不同。在對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于材料就要充分分析其特性，要采用經(jīng)濟(jì)高效地原材料，配置經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)、狀態(tài)最佳的水泥混凝土。

2.1 水泥材料的選擇

我國(guó)水泥種類(lèi)有很多，在建筑項(xiàng)目中常用的就是普通的硅酸鹽水泥（P.O）、礦渣硅酸鹽水泥（P.S）、復(fù)合硅酸鹽水泥（P.C）等。對(duì)水泥混凝土進(jìn)行配比設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)混凝土的實(shí)際性能以及項(xiàng)目的需要合理選擇水泥的種類(lèi)和型號(hào)，此外還要根據(jù)外加劑及摻合料的性質(zhì)和用量，對(duì)水泥用量適當(dāng)減少，以節(jié)約成本，避免資源浪費(fèi)，甚至影響最終的混凝土性能。

水泥在選擇的過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)穩(wěn)定性及適應(yīng)性良好的原則，特別是對(duì)外加劑的適應(yīng)性要格外重視。穩(wěn)定和適應(yīng)性較好的水泥能夠提升混凝土的整體質(zhì)量及使用性能。此外采用硅酸鹽以外的水泥種類(lèi)時(shí)，還需要對(duì)水泥混合料中的物質(zhì)及性能、摻量進(jìn)行明確，這樣在摻合料的過(guò)程中能夠做到心中有數(shù)。

2.2 外加劑的選擇

在混凝土制備過(guò)程中，外加劑的使用非常普遍，并且其作用也比較明顯。外加劑中的減水劑能夠?qū)炷恋男阅茉斐奢^大的影響，這也是混凝土配制過(guò)程中決定混凝土質(zhì)量及性能的重要指標(biāo)。對(duì)于外加劑的用量，特別是減水劑，首先應(yīng)該對(duì)外加劑的用量與性能之間的關(guān)系進(jìn)行明確。外加劑中減水劑需要達(dá)到一定的量才能發(fā)揮其作用，實(shí)現(xiàn)控水效果，并且在混凝土中水灰比是固定的情況下，還能有效減少水泥及摻合料的使用量，實(shí)現(xiàn)降低水分及膠凝材料，提升混凝土的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

2.3 骨料的合理選用

優(yōu)質(zhì)的骨料能夠在很大程度提升混凝土的性能，并且還能優(yōu)化配合比，使得建筑項(xiàng)目更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。不同的水泥型號(hào)及混凝土對(duì)骨料的要求也不同，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對(duì)砂子的級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、含泥量、泥塊含量等有非常明確的要求，通常在配置強(qiáng)度較低的混凝土?xí)r，可以利用偏細(xì)的砂子調(diào)節(jié)混凝土的整體和易性；配置強(qiáng)度較高的混凝土適宜選擇粗砂。過(guò)于細(xì)膩的砂子對(duì)于混凝土的收縮過(guò)程非常不利，也特別容易造成混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題，進(jìn)而提升生產(chǎn)水泥混凝土的成本。石子的級(jí)配關(guān)系到混凝土的流動(dòng)性，直接影響現(xiàn)場(chǎng)工作性能。用粒徑偏小的石子配置的混凝土比粒徑大的石子配置出的混凝土強(qiáng)度高。這源于高強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度對(duì)材料界面更為敏感。小石子界面和水泥漿體的過(guò)渡層周長(zhǎng)和厚度較小，不利于產(chǎn)生大的缺陷，反而有利于界面強(qiáng)度的提高。另外對(duì)于石子選擇，碎石優(yōu)于卵石，碎石中風(fēng)化石較少且碎石菱角分明表面粗糙，與膠凝材料膠結(jié)力更強(qiáng)。合理的地材選擇對(duì)配合比優(yōu)化有重大影響。

3 優(yōu)化水泥混凝土配合比的措施

3.1 采用活性礦物摻合料

在優(yōu)化混凝土配合比的過(guò)程中，采用活性礦物質(zhì)摻合料是非常關(guān)鍵的?；钚缘V物摻合料能夠優(yōu)化骨料和水泥石的界面，如硅灰、鋼渣粉等，都能提升混凝土的性能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配合比的目的。以硅灰為例，硅灰中的二氧化硅成分能夠促進(jìn)混凝土的二次反應(yīng)，也就是在界面上二氧化硅與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成凝膠水化硅酸鈣，這些物質(zhì)沉淀與混凝土的界面孔隙中，提升混凝土的性能，而孔隙被這些物質(zhì)填充，混凝土提升毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化也有一定幫助。適當(dāng)?shù)幕钚缘V物摻合料還能減少混凝土配合比中的水量，減輕混凝土混合發(fā)生的水化熱，裂縫問(wèn)題能夠得到控制和預(yù)防。

3.2 利用減水劑優(yōu)化配合比

提升混凝土的強(qiáng)度與膠凝材料的用量有很大關(guān)系，通常在不使用外加劑為保證混凝土強(qiáng)度的水膠比不變的情況下，會(huì)使得膠凝材料的用量大大提升，為了能夠有效降低膠凝材料的使用量，還需要通過(guò)降低配合比中的水膠比實(shí)現(xiàn)，從而要求降低單方的用水量，這里就需要使用減水劑。合理采用高效的減水劑能夠有效緩解在水膠比較低的情況下混凝土的流動(dòng)性，如果采用聚羧酸材質(zhì)具有保坍作用的減水劑，還能有效避免混凝土發(fā)生坍落度損失，提升混凝土的工作性能，合理控制緩凝的問(wèn)題。對(duì)水泥混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)該適當(dāng)采用減水劑之類(lèi)的各類(lèi)外加劑，進(jìn)而提升混凝土的各項(xiàng)性能。

3.3 合理調(diào)節(jié)和優(yōu)化配合比參數(shù)

在混凝土配制過(guò)程中，對(duì)于配合比的設(shè)計(jì)還需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，如水膠比、漿骨比、砂率、用水量等。水膠比的合理控制是需要根據(jù)混凝土的特點(diǎn)和實(shí)際項(xiàng)目的需要，也就是降低水膠比，提升混凝土的耐久性和滲透性，通常情況下，要想制備高性能的混凝土，需要將水膠比控制在0.4 以?xún)?nèi)，例如C50 水泥混凝土，其水膠比應(yīng)該控制在0.37～0.32 之間，C80 水泥，水膠比控制在0.26～0.22 之間。在對(duì)混凝土等級(jí)確定后，對(duì)水膠比進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是對(duì)礦物摻合料的種類(lèi)和使用量進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)這些因素對(duì)混凝土的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。漿骨比就是水泥漿與骨料用量之間的比，通常情況下，漿骨比在7:13，在這個(gè)比例背景下，水泥混凝土的狀態(tài)是最佳的。C50～70 型號(hào)的水泥，20%～50%水泥可以替換成15%～30%的礦渣或者粉煤灰，C80型號(hào)水泥中相同質(zhì)量的水泥可以由15%～30%的礦渣或者粉煤灰與5%～10%硅灰代替；砂率也是混凝土的重要控制參數(shù)，對(duì)其配合比進(jìn)行合理控制能夠有效提升混凝土的強(qiáng)度，而低砂率的混凝土其強(qiáng)度和彈性模量也會(huì)隨之降低，這樣的情況下就需要同時(shí)合理控制總膠凝材料的用量及粗細(xì)料級(jí)配等方面的內(nèi)容。如膠凝材料的總量要低于360kg/m3，細(xì)沙、中砂及粗砂的細(xì)度模量分別控制在1.6～2.2、2.3～3.0、3.1～3.7，膠凝材料用量控制在420kg/m3～480kg/m3之間，高效減水劑用量控制在1.5%～2%之間，這樣的配合比設(shè)計(jì)才能確?；炷恋牧餍行愿茫瑥?qiáng)度及坍落度也達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)各項(xiàng)建筑項(xiàng)目已經(jīng)迅速發(fā)展起來(lái)，并且逐漸增多。工程建筑項(xiàng)目中主要的建筑材料就是水泥混凝土，而混凝土質(zhì)量正是決定建筑質(zhì)量的重要因素，直接影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和使用安全性。因此要在制備水泥混凝土的過(guò)程中合理調(diào)整和優(yōu)化混凝土的配合比，確保能夠符合實(shí)際的工程要求及項(xiàng)目所處環(huán)境要求，使得經(jīng)過(guò)優(yōu)化后配合比制備的混凝土更具耐久性、安全穩(wěn)定性、實(shí)用性等，同時(shí)節(jié)約資源，降低成本，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。