混凝土配合比快速設(shè)計(jì)辦法

董 浩 王昱涵

（青島魯碧混凝土工程有限公司，山東 青島 266100）

1 引言

為快速設(shè)計(jì)普通混凝土的配合比，滿足工程設(shè)計(jì)和施工要求，保證混凝土工程質(zhì)量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，制定了本混凝土快速設(shè)計(jì)辦法。本設(shè)計(jì)辦法適用于鐵路、橋梁、公路、市政等工程結(jié)構(gòu)物所采用的普通混凝土配合比設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)辦法的中心思想為：

（1）讓從事混凝土行業(yè)的工作人員熟悉掌握混凝土配合比設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，掌握混凝土配合比中每個(gè)因素的重要性（如水灰比、單方用水量、砂率、膠凝材料總用量、摻合料摻量、石子分級(jí)比例等）。

（2）通過配合比設(shè)計(jì)和試拌，讓每個(gè)從事混凝土行業(yè)的工作人員清楚地知道每個(gè)因素變化對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響，且必須將相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果詳細(xì)地記錄下來。

（3）如何將理論設(shè)計(jì)配合比（設(shè)計(jì)配比）轉(zhuǎn)化成實(shí)際配合比（最終配合比或生產(chǎn)配合比），主要是如何將設(shè)計(jì)配合比和實(shí)際配合比兩者中的相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來。

（4）讓從事混凝土行業(yè)的工作人員詳細(xì)地理解混凝土配合比是否合理對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響，使從事混凝土行業(yè)的工作人員能夠找出各自企業(yè)或集團(tuán)中影響混凝土性能的重要因素，并將相關(guān)信息詳細(xì)地記錄下來。

（5）本文的目標(biāo)是使工作人員通過配合比快速設(shè)計(jì)掌握企業(yè)或集團(tuán)混凝土的相關(guān)信息（如地材對(duì)混凝土性能的影響、外加劑使用情況等），從而對(duì)混凝土后期的生產(chǎn)過程提供技術(shù)支持。

（6）本文所有的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等需詳細(xì)填寫在《混凝土配合比快速設(shè)計(jì)記錄表》中。

2 前期調(diào)查

（1）通過該企業(yè)或集團(tuán)技術(shù)中心已有資料查找混凝土的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且仔細(xì)查看所有資料內(nèi)容，包括混凝土配合比設(shè)計(jì)報(bào)告書、試驗(yàn)用材料信息、減水劑使用記錄、各種工程實(shí)例報(bào)告、特殊工程各種事故解析及處理過程等，從而掌握大量信息。

（2）統(tǒng)計(jì)工程相應(yīng)環(huán)境等級(jí)和環(huán)境條件，從而確定混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中摻合料的摻量和水膠比的指標(biāo)參數(shù)。

（3）統(tǒng)計(jì)工程中混凝土的實(shí)際用量、混凝土標(biāo)號(hào)，便于配合比快速設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整外加劑的摻量，在特殊范圍內(nèi)盡可能將混凝土方量大的控制在適當(dāng)摻量。

（4）統(tǒng)計(jì)混凝土配合比設(shè)計(jì)的數(shù)量、工程部位、混凝土標(biāo)號(hào)，驗(yàn)證混凝土配合比時(shí)的試件成型組數(shù)、種類和試模數(shù)量，以便提前計(jì)劃。

（5）確定相應(yīng)混凝土各等級(jí)的初始坍落度和含氣量指標(biāo)，以確定坍落度損失要求和是否允許超出設(shè)計(jì)范圍，以及含氣量的規(guī)定范圍。

（6）確定該企業(yè)或集團(tuán)中所有試驗(yàn)用材料的產(chǎn)地、類型、規(guī)定，掌握各種試驗(yàn)用材料各項(xiàng)指標(biāo)原始記錄和試驗(yàn)結(jié)果分析報(bào)告（可以參照以前地材使用情況），并找出質(zhì)量波動(dòng)較大的一種或幾種試驗(yàn)用材料。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟

3.1 配制強(qiáng)度的計(jì)算過程

配制強(qiáng)度（混凝土）按以下公式計(jì)算：

當(dāng)施工部位為水下樁混凝土?xí)r，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路混凝土施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中“水下混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，其混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)較普通混凝土的配制強(qiáng)度提高約15%”的規(guī)定，其配制強(qiáng)度（混凝土）按以下公式計(jì)算：

根據(jù)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)選取σ的相應(yīng)數(shù)值。

3.2 混凝土水膠比的計(jì)算過程

混凝土水膠比按以下公式計(jì)算：

根據(jù)所用石的類型（碎石或卵石）選取αa和αb的數(shù)值。

fb為膠砂實(shí)測(cè)28d抗壓強(qiáng)度的數(shù)值，如果無相關(guān)數(shù)據(jù)，可按以下公式計(jì)算：

λc為所用水泥的富余系數(shù)，λf、λk分別為粉煤灰或礦渣粉的取代系數(shù)，fce為所用水泥的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：λc、λf或λk三者的取值應(yīng)嚴(yán)格控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）的規(guī)定范圍內(nèi)，適當(dāng)情況下，λc、λf或λk三者的取值也可以根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行調(diào)整（最終結(jié)果水灰比應(yīng)接近實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值），并做好記錄，如說明λc、λf或λk最終取值的根本原因。

最后，需要評(píng)定水灰比結(jié)果是否符合耐久性的規(guī)定。

3.3 混凝土單方用水量的確定方法

根據(jù)所用石子的類型、工程特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)類型、環(huán)境條件和類型、坍落度要求等，選取混凝土的單方用水量mw0。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知：計(jì)算人員在確定混凝土單方用水量mw0時(shí)，一定要提前了解所有相關(guān)因素。例如，膠凝材料（水泥或粉煤灰）需水量發(fā)生變化時(shí)，砂含泥量偏高；斷樁或級(jí)配不好時(shí)，需對(duì)混凝土單方用水量進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)所用砂為機(jī)制砂或混合砂或鐵尾礦砂時(shí)，由于其與河砂混凝土單方用水量有區(qū)別，在配制時(shí)要充分考慮石粉或泥塊含量吸附水的因素，從而確定混凝土單方用水量是否需要提高，并將有關(guān)信息詳細(xì)記錄下來。

3.4 混凝土膠凝材料用量的計(jì)算過程

混凝土膠凝材料總用量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

礦物摻合料粉煤灰（或礦渣粉）摻量的確定，粉煤灰用量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

水泥用量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：礦物摻合料的摻量應(yīng)嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011），鐵路、公路、市政相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)工程設(shè)計(jì)規(guī)定，年限設(shè)計(jì)、環(huán)境等級(jí)和混凝土耐久性規(guī)定等執(zhí)行；當(dāng)所用粉煤灰或礦渣粉質(zhì)量非常差或質(zhì)量波動(dòng)較大時(shí)，盡量降低粉煤灰或礦渣粉的用量，并做好相關(guān)數(shù)據(jù)記錄。

最后，評(píng)定水泥用量、粉煤灰或礦渣粉摻量是否符合相關(guān)工程設(shè)計(jì)、混凝土耐久性、環(huán)境類型和等級(jí)等規(guī)定。

3.5 混凝土砂率的計(jì)算過程

根據(jù)所用石的類型、粒徑最大范圍、混凝土水膠比，確定合適的混凝土砂率。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：混凝土配合比計(jì)算人員在確定混凝土砂率時(shí)，必須了解所有影響因素。例如，砂的細(xì)度模數(shù)大小、級(jí)配是否合理（是否斷檔）、含泥量或石粉含量、泥塊含量、表觀密度、堅(jiān)固性、堆積密度和空隙率等指標(biāo)信息；當(dāng)砂為機(jī)制砂或混合砂或鐵尾礦砂時(shí)，由于其含量較高、級(jí)配較差，故與河砂混凝土砂率取值有很大區(qū)別，在配制機(jī)制砂或混合砂或鐵尾礦砂混凝土?xí)r，要充分考慮石粉（泥粉）含量、泥塊含量、顆粒級(jí)配、顆粒形貌、細(xì)度模數(shù)、壓碎值、堅(jiān)固性、表觀密度、堆積密度和空隙率等因素的影響，要詳細(xì)記錄河砂或機(jī)制砂或混合砂或鐵尾礦砂的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.6 混凝土砂和石用量的計(jì)算過程

（1）體積法。砂石的用量分別按以下兩個(gè)公式計(jì)算：

其中，ρc、ρf、ρs、ρg1、ρg2、ρw分別代表水泥、粉煤灰、砂、石1、石2、水的密度（表觀密度），α為空隙率，通常根據(jù)混凝土含氣量取值。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：所有材料的密度或表觀密度一定為實(shí)測(cè)值，必須為混凝土技術(shù)人員親自試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，尤其是砂石的表觀密度必須真實(shí)，嚴(yán)禁使用其企業(yè)或資料里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)所用石子的廠家或類型或產(chǎn)源有好幾個(gè)時(shí)，需要分別對(duì)所有石子進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并做好原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

（2）質(zhì)量法。砂石的用量按以下兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算：

mcp代表單方混凝土拌合物的設(shè)定重量，一般取 2 350～2 450kg/m3。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：通常計(jì)算混凝土配合比時(shí)，大部分按體積法設(shè)計(jì)，在條件允許的情況下，可以同時(shí)使用體積法和質(zhì)量法，最終將兩者的計(jì)算結(jié)果結(jié)合起來。

最后，計(jì)算出砂（ms0）、石（mg10）、石（mg20）用量。

3.7 混凝土減水劑用量的計(jì)算過程

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求、混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)、混凝土工程類型、環(huán)境類型和等級(jí)等，確定相應(yīng)混凝土的減水劑摻量，減水劑的用量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

最后，得出減水劑的用量。

3.8 得出混凝土初步配合比

通過以上計(jì)算，得出混凝土的初步配合比，詳細(xì)情況記錄見表1。

表1 混凝土初步配合比（kg/m3）

4 混凝土配合比試拌和調(diào)整過程

4.1 混凝土配合比所用原材料的再次確定

（1）確定所用水泥的種類、等級(jí)、生產(chǎn)廠家，以及各項(xiàng)性能指標(biāo)是否合格。

（2）確定礦物摻合料的類型、等級(jí)、生產(chǎn)廠家，以及各項(xiàng)性能指標(biāo)是否合格。

（3）為保險(xiǎn)起見，計(jì)算試驗(yàn)所用砂石最好是干砂石（基本沒有水）。

試驗(yàn)的所有原材料必須提前24h之前放在混凝土實(shí)驗(yàn)室保存，否則不可使用。

4.2 試拌混凝土

（1）記錄試驗(yàn)室溫、濕度。

（2）計(jì)算試拌試驗(yàn)所用混凝土用量，通常為15～25L之間，要在混凝土攪拌機(jī)控制范圍內(nèi)。

（3）試拌混凝土?xí)r的砂石最好全部干燥，以免影響試拌效果。

（4）試驗(yàn)前檢查混凝土攪拌站是否正常工作。

（5）稱量各種實(shí)驗(yàn)用原材料，并嚴(yán)格控制在計(jì)量誤差范圍內(nèi)。

（6）先將粗、細(xì)骨料和膠凝材料放入攪拌機(jī)干拌10s以上，再加水和減水劑進(jìn)行拌和。

（7）混凝土攪拌時(shí)間控制在120s以上。

（8）出機(jī)的混凝土需人工翻拌均勻，再測(cè)定混凝土各項(xiàng)指標(biāo)（如坍落度及損失、含氣量、流速、表觀密度、壓力泌水率等），最后對(duì)混凝土工作性能（流動(dòng)性、柔和性、黏聚性、包裹性、是否泌水和巴底等）進(jìn)行判斷和記錄。

4.3 混凝土配合比調(diào)整過程

（1）根據(jù)試拌混凝土的試驗(yàn)結(jié)果，找出混凝土不合格指標(biāo)的影響因素。

（2）查看混凝土配合比是否有問題，如混凝土配合比中三大因素（水灰比、單方用水量和砂率的取值）是否有問題，可通過調(diào)整任何一個(gè)或兩個(gè)因素，重拌混凝土，觀看混凝土工作性能是否改善。

（3）根據(jù)上一過程的調(diào)整，確定基礎(chǔ)混凝土配合比，然后對(duì)減水劑配方進(jìn)行優(yōu)化，如改變減水劑母液類型和比例搭配、更換引氣劑、更換消泡劑、更換增稠劑、更換緩凝劑種類等，觀看混凝土工作性能是否改善，最后綜合分析確定減水劑的最佳配方。

（4）對(duì)基準(zhǔn)混凝土配合比、減水劑最佳配方進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試混凝土工作性能（坍落度及損失、含氣量、表觀密度、流速、流動(dòng)性、柔和性、黏聚性、包裹性等），并對(duì)混凝土配合比、減水劑最終配方進(jìn)行微調(diào)，使混凝土工作性能（坍落度及損失、含氣量、表觀密度、流速、流動(dòng)性、柔和性、黏聚性、包裹性等）都能滿足相關(guān)工程、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等的規(guī)定。

（5）再次驗(yàn)證過程（1）～（4），對(duì)所有標(biāo)號(hào)混凝土配合比進(jìn)行試拌和確定工作，找出混凝土配合比和減水劑的最佳配方。

將混凝土配合比調(diào)整的問題和現(xiàn)象清楚、完整地記錄下來，為混凝土生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)提供依據(jù)。

5 試件成型和結(jié)果評(píng)定

5.1 試件成型

首先，根據(jù)各標(biāo)號(hào)混凝土所處環(huán)境等級(jí)、工程部位、設(shè)計(jì)年限等，確定各類型標(biāo)號(hào)混凝土所需成型的試塊類型和試塊組數(shù)，如強(qiáng)度試塊（1d、3d、7d、28d和56d等）、耐久性試塊（彈性模量、抗?jié)B、抗凍、碳化、抗硫酸鹽腐蝕等）；然后，成型各類混凝土試塊，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

5.2 結(jié)果評(píng)定

首先，對(duì)混凝土試塊各齡期的強(qiáng)度、耐久性進(jìn)行測(cè)試，并將試驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)記錄下來，其詳細(xì)記錄表格見表2。然后，對(duì)各性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)果判斷，若各指標(biāo)結(jié)果偏差較大，需要調(diào)整混凝土配合比的相關(guān)因素，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至混凝土各性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果都合格為止。

表2 各標(biāo)號(hào)混凝土強(qiáng)度和耐久性試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的各齡期強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)必須是真實(shí)值，其數(shù)值的真實(shí)性影響配合比的最終確定工作。

6 數(shù)據(jù)整理和分析

6.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)出所有混凝土最終配合比，找出外加劑最佳配方，見表3。

表3 混凝土最終配合比和外加劑最佳配方（kg/m3）

6.2 數(shù)據(jù)分析

設(shè)計(jì)配合比的過程中，需要對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是配合比因素調(diào)整和外加劑配方調(diào)整的原因，并做好詳細(xì)記錄，如：

（1）混凝土出現(xiàn)泌水或巴底的原因及解決辦法。

（2）混凝土和易性太差、含氣量不合格的原因和解決辦法。

（3）混凝土柔和性差的原因和現(xiàn)象。

（4）混凝土黏度不正常的原因和解決辦法。

（5）混凝土坍落度損失大的原因和解決措施。

（6）減水劑配方調(diào)整的原因和調(diào)整后結(jié)果。

（7）混凝土中各因素變化的主要原因（如單方用水量變化）。

其混凝土配合比快速設(shè)計(jì)辦法中，詳細(xì)情況記錄見表4。

表4 混凝土配合比快速設(shè)計(jì)記錄表