混凝土配合比設(shè)計原則

      混凝土配合比設(shè)計是指混凝土各組成材料數(shù)量之間的比例關(guān)系。常用的表示方法有兩種：一種是以1m3混凝土中各組成材料的質(zhì)量表示，如水泥336kg，砂654kg，石子1215kg，水195kg；另一種方法是以各項材料相互間的質(zhì)量比（常以水泥質(zhì)量為 1 ）來表示，將上述配合比換算成水泥:砂:石:水=1:1:95:3.62:0.58。

      一、混凝土配合比設(shè)計的基本要求

      配合比設(shè)計的基本要求即使所配制的混凝土在比較經(jīng)濟的原則下具有所期望的性能：拌合物的和易性、混凝土的強度和耐久性。經(jīng)濟性的表現(xiàn)有兩個方面：一方面節(jié)約水泥用量，降低混凝土的成本（包括材料、勞動力、能源的節(jié)約）；另一方面長遠的經(jīng)濟效益和整體的經(jīng)濟效益好（如耐久性好，維護費用少，導熱性小，使用中能耗低等）。

      對特殊工程中使用的混凝土配合比，除有以上要求外，還應滿足特殊要求（如耐火性、防輻射等。）

      二、混凝土配合比設(shè)計的任務

      混凝土配合比設(shè)計，實質(zhì)上就是確定水泥、水、砂子和石子這四項基本組成材料用量之間的三個比例關(guān)系。即：水與水泥之間的比例關(guān)系，常用水灰比表示；砂與石子之間的比例關(guān)系，常用砂率表示；水泥漿與骨料之間的比例關(guān)系，常用單位用水量來反映。水灰比、砂率、單位用水量是混凝土配合比的三個重要參數(shù)，因為這三個參數(shù)與混凝土的各項性能之間有著密切的關(guān)系，在配合比設(shè)計中正確地確定這三個參數(shù)，就能使混凝土滿足上述設(shè)計要求。

      三、混凝土配合比設(shè)計的步驟

      進行配合比設(shè)計時首先要正確選定原材料品種、檢驗原材料質(zhì)量，然后按照混凝土技術(shù)要求進行初步計算，得出“試配配合比”。經(jīng)試驗室試拌調(diào)整，得出“基準配合比”。經(jīng)強度復核（如有其他性能要求，則須作相應的檢驗項目）定出“試驗室配合比”，最后以現(xiàn)場原材料實際情況（如砂、石含水等）修正“試驗室配合比”從而得出“施工配合比”。

      1 ．試配配合比的計算

      （1）計算配制強度

      為使混凝土的強度保證率能滿足規(guī)定的要求，在設(shè)計混凝土配合比時，必須使混凝土的配制強度（f_cu,o）高于設(shè)計強度等級（f_cu,k）。當混凝土強度保證率要求達到95％時，f_cu,o 可采用下式計算：

      f_cu,o= f_cu,k +1.645σ                                                                       
      式中σ―混凝土強度標準差（N／mm²）。σ采用至少 25 組試件的無偏估計值。

      如具有 25 組以上混凝土試配強度的統(tǒng)計資料時，σ可按下式求得：

     

                    

      式中 n ― 同一品種混凝土試件的組數(shù)，n≥25 ；

      f_i ― 第 i 組試件的強度值( N／mm²)；

       f(              -)_n ―n組試件強度的平均值（N／mm²）。

      根據(jù)JGJ/T55-96，當混凝土強度等級為 CZO 、 C25 級，其強度標準差計算值低于2.5MPa時，計算配制強度用的標準差應取用 25MPa；當強度等級等于或大于 C30 級，其強度標準差計算值低于3.0MPa時，計算配制強度用的標準差應取用 30MPa 。

      如施工單位不具有近期的同一品種混凝土強度資料時，其混凝土強度標準差σ可按表7-22取用。

      表 7 – 22                           σ取值表

      注：1 摘自《 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范 》GB50204-92 ;

      2 在采用本表時，施工單位可根據(jù)實際情況，對σ值作適當調(diào)整。

      ( 2 ）初步確定水灰比（ W/C )

      根據(jù)配制強度f_cu，o ，按下式計算所要求的水灰比值（其中 A ，B 取值為不具備試驗統(tǒng)計資料時的取值）：

      采用碎石時： f_cu，o = 0.48f_ce ( c／w-0.52 )                              
      采用卵石時： f_cu，o = 0.50f_ce ( c／w-0.61 )                             

      為了保證混凝土必要的耐久性，水灰比還不得大于表 7-23 中規(guī)定的最大水灰比值，若計算所得的水灰比大于規(guī)定的最大水灰比值時，應取規(guī)定的最大水灰比值。

      表 7-23   混凝土最大水灰比和最小水泥用量

      注：1. 當用活性滲合料取代部分水泥時，表中的最大水灰比及最小水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。

      2. 摘自《 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程 》 JGJ/T55 ～96。

      ( 3）選取每 1 m³混凝土的用水量（W _o）

      用水量主要根據(jù)所要求的坍落度值及骨料種類、粒徑來選擇。首先根據(jù)施工條件按表7-11選用適宜的坍落度，再按表 7-12 選定每 1 m³時混凝土用水量。

      另外，單位用水量也可按下式大致估算：

                                                      
      式中，T----混凝土拌合物的坍落度（ cm ) ；

      K----系數(shù)，取決于粗骨料種類與最大料徑，可參考表 7-24 取用。

      表7-24    混凝土單位用水最計算公式中的 K 值

注：1.采用火山灰硅酸鹽水泥時增加 4.5 ～6.0；

      2 采用細砂時，增加 3.0。

       ( 4 ）計算混凝土的單位水泥用量（ C_o）

      根據(jù)已選定的每1m³混凝土用水量（W_o）和得出的水灰比（W/C）值，可求出水泥用量( C_o）：

       C_o= W_o /(w/c)

      為保證混凝土的耐久性，由上式計算得出的水泥用量，還要滿足表 7-23 中規(guī)定的最小水泥用量的要求，如計算得出的水泥用量小于規(guī)定的最小水泥用量，則應取規(guī)定的最小水泥用量。另外，GB50204-92 中還規(guī)定混凝土最大水泥用量不宜大于 550㎏/m³ ，故應綜合決定水泥用量。

      ( 5 ）選用合理的砂率值（Sp )

      合理的砂率值主要應根據(jù)混凝土拌合物的坍落度、粘聚性及保水性等特征來確定。一般應通過試驗找出合理砂率。如無使用經(jīng)驗，則可按骨料種類、粒徑及混凝土的水灰比，參照表7-13 選用合理砂率值。

      另外，砂率也可根據(jù)以砂填充石子空隙并稍有富余以撥開石子的原則來確定。根據(jù)此原則可列出砂率計算公式如下：

         

     

     

      式中      Sp -----砂率，%；

      S ，G----- 分別為每 1 m³混凝土中砂及石子用量，kg ；

      V_os,V_og分別為每 1 m³混凝土中砂及石子的松散體積，m³；

      ρ´_os，ρ´_og-----分別為砂和石子的堆積密度，㎏/ m³；

      P ' -----石子空隙率，%；

      β----- 砂剩余系數(shù)，又稱撥開系數(shù)，一般取 1.1～ 1.4。

      ( 6 ）計算粗、細骨料的用量（G_o，S_o )

      粗、細骨料的用量可用絕對體積法或假定表觀密度法求得。

      1）絕對體積法假定混凝土拌合物的體積等于各組成材料絕對體積和混凝土拌合物中所含空氣的體積之總和。因此，可用下式聯(lián)立計算G_o，S_o：

                

      

                             

 

      式中C_o,G_o，S_o,W_o-----分別為 1 m³混凝土的水泥用量、石子用量、砂用量、水用量（ kg ) ；

      ρ_c，ρ_og，ρ_os，ρ_ww，-----分別為水泥密度、石子表觀密度、砂表觀密度、水的密度（kg/m³）；

      α-----混凝土含氣量百分數(shù)，% ，在不使用含氣型外加劑時，α可取為1；

       S_p砂率，％。

      2 ）假定表觀密度法    根據(jù)經(jīng)驗，如果原材料情況比較穩(wěn)定，所配制的混凝土拌合物的表觀密度將接近一個固定值，這樣就可先假設(shè)一個混凝土拌合物表觀密度ρcp(kg/m³），由以下兩式聯(lián)立求出G_oS_o：

       C_o+G_o+S_o+W_o=ρ_cp。                                          

                                      

      ρ_cp 可根據(jù)積累的試驗資料確定，在無資料時可根據(jù)骨料的表觀密度、粒徑以及混凝土強度等級，在 2400～2450 kg/m³的范圍內(nèi)選取。

      通過以上步驟，可將水泥、水、砂和石子的用量全部求出，得到初步計算配合比。

      注：以上混凝土配合比計算，均以干燥狀態(tài)骨料為基準（干燥狀態(tài)骨料系指含水率小于 0.5 % 的細骨料或含水率小于 0.2 %的粗骨料），如需以飽和面干骨料為基準進行計算時，則應作相應的修改。

      2 基準配合比的確定

      以上求出的各材料用量，是借助于一些經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)計算出來的，或是利用經(jīng)驗資料查得的，因而不一定能夠符合實際情況，必須經(jīng)過試拌調(diào)整，直到混凝土拌合物的和易性過試拌調(diào)整，直到混凝土拌合物的和易性符合要求為止，然后提出供檢驗混凝土強度用的基準配合比。

      調(diào)整混凝土拌合物和易性的方法：當坍落度低于設(shè)計要求時，可保持水灰比不變，適當增加水泥漿量或調(diào)整砂率；若坍落度過大，則可在砂率不變的條件下增加砂石用量；如出現(xiàn)含砂不足、粘聚性和保水性不良時，可適當增大砂率，反之應減少砂率。每次調(diào)整后再試拌，直到和易性符合要求為止。當試拌調(diào)整工作完成后，應測出混凝土拌合物的實際表觀密度（ρ）。

      3.試驗室配合比的確定

      經(jīng)過和易性調(diào)整試驗得出的混凝土基準配合比，其水灰比值不一定選用恰當，其結(jié)果是強度不一定符合要求，所以應檢驗混凝土的強度。一般采用三個不同的配合比，其中一個為基準配合比，另外兩個配合比的水灰比值，應較基準配合比分別增加及減少0.05 ，其用水量應該與基準配合比基本相同，但砂率可分別增加或減小1％。每個配合比至少制作一組試件，標準養(yǎng)護28d 試壓（在制作混凝土強度試塊時，尚需檢驗混凝土拌合物的和易性及測定表觀密度，并以此結(jié)果作為代表這一配合比的混凝土拌合物的性能）。若對混凝土還有其他技術(shù)性能要求，如抗?jié)B標號、抗凍標號等要求，則應增添相應的試驗項目進行檢驗。

      假設(shè)已滿足各項要求的每立方米混凝土拌合物各材料的用量為：水泥=C_拌、砂＝S_拌、石子=C_拌、水=W_拌，則試驗室配合比（ 1 m³混凝土的各項材料用量）尚應按下列步驟校正：

      先計算混凝土表觀密度計算值ρ_c,c：

      ρ_c,c=C拌＋S拌＋C拌＋W拌                                                    

      再按下式計算混凝土配合比校正系數(shù)δ：

      δ=ρ_c,t /ρ_c,c                                                                           

      當混凝土表觀密度實測值與計算值之差的絕對值不超過計算值的2 ％時，則按上述方法計算確定的配合比為確定的設(shè)計配合比，當兩者之差超過2 %時，應將配合比中每項材料用量均乘以校正系數(shù)占值，即為確定的設(shè)計配合比。

      4 施工配合比

      試驗室得出的配合比，是以干燥材料為基準的，而工地存放的砂、石材料都含有一定的水分。所以現(xiàn)場材料的實際稱量應按工地砂、石的含水情況進行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。假設(shè)工地測出砂的含水率為 a %、石子的含水率為b%，則上述試驗室配合比換算為施工配合比為（每1m³各材料用量）

      C'= C ( kg )                                                     

      S' = s ( 1 + a % ) ( kg )                                              

      G'  =G ( 1 + b % ) ( kg )                                               

      W= w-S·a ％一G·b% ( kg )