混凝土配合比設計在試拌過程中控制要素研究

郝向東 孔凌宇 邵景干 趙順利 王新嚴

（1.河南交院工程技術集團有限公司綠色高性能材料應用技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450046；2.河南建元公路附屬設施工程有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

混凝土配合比設計理論有理論質量法和絕對體積法，混凝土配合比設計根據(jù)混凝土的拌合物狀態(tài)分為干硬性混凝土、塑性混凝土、流動性混凝土、大流動性混凝土；根據(jù)其功能特征或施工工藝可以分為抗?jié)B透混凝土、抗凍混凝土、高強度混凝土、泵送混凝土、大體積混凝土等。以上不同種類混凝土，其配合比設計有不同之處，但分析研究其共同之處是非常有必要的，比如傳統(tǒng)的原材料研究與分析，影響混凝土配合比的關鍵因素如砂率、水灰比、合成集配等，就其共性、關鍵性影響因素進行分析和研究。

1 影響混凝土工作性的因素

1.1 原材料的特性

水泥細度會影響混凝土拌合物的黏聚性和保水性，也影響單位用水量的多少；水泥中摻加礦料的多少、礦料的種類是不盡相同的，其分為普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、火山灰水泥等，各種類水泥在其拌合物中工作性能有著不同表現(xiàn)。

粗集料含量會影響混凝土拌合物的流動性，甚至影響粗集料的空隙率。比如用卵石配制的拌合物的流動性較碎石要好很多，有相關研究表明，集料中接近立方體形狀顆粒較多情況下且級配良好時，對其混凝土拌合物的流動性有較大的改善，同時對其黏聚性和保水性也有所改善。

1.2 單位用水量

假設在拌合物各材料一定，且水灰比保持不變的情況下，單位用水量過少時，水泥漿就少，會造成集料顆粒間的黏結性差，拌合物的黏聚性下降，表現(xiàn)出離散狀態(tài)；反之，單位用水量過多時，集料顆粒浮在水泥漿中，減少了集料間的接觸，造成拌合物的流動性很大，顆粒較分散，同時造成后期混凝土產(chǎn)生較大的收縮裂縫，影響其結構的耐久性。

大量數(shù)據(jù)表明，熱膨脹系數(shù)與配合比用水量有關聯(lián)，基本是隨著用水量的增加而增加。因此，單從熱膨脹系數(shù)指標分析，用水量不宜過多，過多使用不僅會影響混凝土體積穩(wěn)定性，且對混凝土物理力學性能和耐久性能也有不利影響。熱膨脹系數(shù)與單位用水量關系具體見圖1、圖2。

圖1 3 d熱膨脹系數(shù)與單位用水量關系

圖2 28 d熱膨脹系數(shù)與單位用水量關系

1.3 水灰比

影響混凝土強度的一個重要因素是水灰比。水灰比過小，其拌合物流動性較差，造成在混凝土成型過程中不密實，影響混凝土后期的強度和耐久性；水灰比過大，其拌合物流動性較大，會造成拌合物分散，粗集料裸露，嚴重影響混凝土后期強度和耐久性。

1.4 砂率

在配合比設計調整過程中，假如水泥漿不變、砂率增加，會造成拌合物的流動性變小。因此，在拌合物中存在一個合理砂率，在水泥漿數(shù)量一定的情況下，使拌合物流動性最大的同時具有良好的黏聚性和保水性，此種狀態(tài)下的砂率定義為最佳砂率。拌合物流動性和砂率的相關規(guī)律如圖3所示。

圖3 拌合物流動性與砂率規(guī)律

2 影響混凝土強度的因素

2.1 水泥強度及水灰比

影響混凝土強度的主要因素有水灰比、水泥強度等級等。相關規(guī)范中規(guī)定混凝土28 d立方體試塊的強度與水泥強度和水灰比之間的關系如式（1）所示。

典型脆性材料不接受塑性變形，無切削磨損，其磨損量是由材料反復變形和碎裂構成的，對應圖6特性曲線Ⅰ.典型彈性材料未能達到使其破裂的臨界值時，無變形磨損，對應圖6特性曲線Ⅱ.

式中：f cu，28為28 d齡期混凝土立方體抗壓強度，MPa；fce為水泥實際強度，MPa；C/W為水灰比倒數(shù)；aa、ab為與集料品種相關的統(tǒng)計回歸系數(shù)，通過試驗求得。

2.2 集料特性

混凝土強度受集料的表面特征影響，混凝土配合比設計相同的情況下，卵石拌制的混凝土集料顆粒間的咬合摩阻性能不如碎石拌制的混凝土，直接體現(xiàn)出卵石拌制的強度低于碎石拌制的強度。

2.3 漿集比

混凝土拌合物中，集料起到支撐骨架的作用，漿體起到流動潤滑的作用。在拌合物流動性差的情況下，可以考慮適當增大漿體用量。

2.4 養(yǎng)護條件

混凝土試件在標養(yǎng)室中形成的強度和其齡期有著較明顯的聯(lián)系和規(guī)律，具體如圖4所示，通過混凝土早期的強度可以大概預知其后期的強度。

圖4 強度與養(yǎng)護齡期關系

相關研究表明，混凝土養(yǎng)生時間與混凝土滲透系數(shù)指標有直接聯(lián)系，滲透性能隨著養(yǎng)生時間的延長而降低，可見適當延長混凝土的養(yǎng)生時間有助于提高混凝土的耐久性，具體如圖5所示。

圖5 滲透系數(shù)與養(yǎng)生齡期關系

2.5 試驗條件

相關試驗統(tǒng)計，同批混凝土成型試件，尺寸小的試件較尺寸大的試件強度高。因此，相關規(guī)范會針對該現(xiàn)象，尺寸小的試件強度乘于換算系數(shù)小于1；在進行強度試驗時，加載速率大的試件強度偏高，因此有關規(guī)范規(guī)定了不同強度試件的加載速率是不一樣的，具體見表1。

表1 抗壓強度加載速率

2.6 與外加劑的相容性

隨著施工工藝對混凝土拌合物要求的提高，混凝土配合比中摻加各種功能的外加劑越來越普遍。傳統(tǒng)材料如水泥、砂子、石頭與外加劑相容性的要求也被提出。

3 混凝土配合比設計在試拌環(huán)節(jié)中控制要素

3.1 混凝土配合比調整依據(jù)

①砂石含水率、含泥量、砂子細度模數(shù)或石子粒徑和級配發(fā)生顯著變化，影響到混凝土拌合物的性能。

②膠凝材料需水量或與外加劑適應性發(fā)生較大變化。

③外加劑發(fā)生變化或是外加劑與混凝土原材料匹配性出現(xiàn)問題的情況。

④其他未查明原因造成混凝土拌合物的工作性發(fā)生變化，不能滿足施工要求。

3.2 混凝土配合比調整的原則

①查找原因，配合比調整時要有足夠的理由，嚴禁隨意調整配合比。

②當混凝土拌合物和易性不良時，保持水膠比不變，去調整集料集配，增減漿體用量，謹慎調整外加劑摻量等。

③混凝土配合比調整應做好記錄，必要時應取樣檢測。

3.3 混凝土配合比調整方法

混凝土配合比調整方法具體見表2。

表2 混凝土配合比調整方法

3.4 混凝土配合比設計在試拌過程中調整的范圍

①原則上禁止對膠凝材料用量調整。

②砂率在±2%的范圍內(nèi)調整。

③外加劑的調整范圍不宜超過膠凝材料用量的±0.2%。

④混凝土用水量調整不能超過10㎏/m3。

4 結論

①為了在試拌前得到一個安全可靠、經(jīng)濟合理的混凝土配合比，首先需要將粗集料的合成集配調整為相對最優(yōu)狀態(tài)，這樣可以節(jié)省水泥，還可以使混凝土在力學和耐久性上保持一個良好的結構狀態(tài)。

②選用最佳砂率，砂子使用量能填充粗集料的空隙，適當提高砂率還能使混凝土拌合物的流動度增大，但是過大的砂率反而會造成混凝土拌合物的流動度減弱，增加水泥用量。

③大流動混凝土配合比中如摻有高性能減水劑，在拌合物調試中不應首先考慮通過外加劑去調試拌合物的狀態(tài)，因為很容易造成拌合物的滯后泌水離析等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

④當混凝土拌合物的流動性不符合設計要求時，應該在保持水灰比不變的情況下，通過增減漿體用量來調配拌合物狀態(tài)，漿集比的合理選用不僅能夠在混凝土拌合物中起到潤滑作用，還能節(jié)省水泥用量。

⑤針對干硬性混凝土配合比設計其抗彎拉強度是主要的力學特征，首要考慮找到最佳的合成集配比列，在保證力學特征值前提下，盡量減少水泥的使用量，不僅能夠有效減少裂縫，還能夠改善混凝土的體積穩(wěn)定性。

⑥混凝土配合比設計在試拌過程中需要注意的影響因素除以上分析外，還需要在工程實踐中分析總結其他因素，確保混凝土這一項重要工程材料的質量符合相關要求。