混凝土配合比 混凝土配合比计算的原则

鉴于目前混凝土成分和原材料的变化，传统的“混凝土配合比设计方法”不再适用，但我的观点是，混凝土配合比没有必要制定规范，掌握混凝土配合比的原则很重要。至于具体步骤，要相信技术人员的专业知识和经验，满足具体项目所需的配合比。不同的人做出不同的结果很正常。西方国家提出了“基于性能的规范”的概念“[1号”，这符合混凝土材料的特点和客观规律。

1混凝土组成材料、配合比要素与混凝土性能的关系

目前，混凝土的特点是广泛掺入矿物掺合料和超塑化剂。在混凝土中水、水泥、砂、石四种原材料中加入矿物掺合料。于是，传统的配合比三要素——水灰比、砂浆骨比、砂石比，变成了水灰比、砂浆骨比、砂石比、矿物掺合料用量四要素。配比中需要解决的未知数从传统的四个变成了五个。最后，根据所有材料在满足施工要求的前提下紧密堆放的原则，采用绝对体积法计算每种材料的用量。不考虑外加剂所占混凝土的体积，各组成材料的关系和性质及其功能和影响可参见图1。

从图1可以看出，混凝土配合比的四个要素都影响着混合料和硬化混凝土的性能。当决定混凝土强度和密实度的水胶比确定后，所有因素都会影响混合料的施工性能。施工是保证混凝土质量的最后也是最关键的环节。考虑浆体浓度因素，根据混合料的施工性能选择砂石比和浆骨比是混凝土配合比选择的主要因素。浆骨比是保证混凝土硬化前后性能的核心因素。无论是改变水胶比还是矿物掺合料的用量，在调整配合比时都应采用等浆体积法，以保持浆骨比不变。

中国混凝土年产量占世界总量的一半，但质量相对落后。例如，世界上只有中国使用“假定容重法”计算混凝土配合比，只有中国使用绝对干基的砂石生产混凝土，这使得中国的混凝土质量难以控制。

2目前我国混凝土配合比计算中存在的问题及建议

2.1存在问题

2.1.1假设体积密度法

“假设密度法”最初是在绝对体积法的基础上产生的。根据混凝土配合比原理，1m3混凝土拌合物由原材料组成，即1m3混凝土体积等于原材料绝对密实体积之和(即不计算原材料内部孔隙)。以前水泥和砂岩的表观密度变化不大，配制的混凝土表观密度变化不大。因此，为了简化试拌，水灰比约为0.5的混凝土的表观密度假定为2400kg/m3，高强混凝土的表观密度假定为2450kg/m3，试拌后差别不大。

然而，现在大量使用矿物掺合料。如粉煤灰的表观密度为1.90 ~ 2.40 g/cm3，磨细矿渣的表观密度约为2.60g/cm3，与水泥的表观密度约为3.0g/cm3有较大差异。根据上述假定的表观密度，体积将大于1m3，外加剂越多，体积越大。因此，从根本上说，应该采用绝对体积法。当然，就像任何方法都有一定的假设一样，绝对体积法的假设是忽略水泥水化减少的水量。然而，当混凝土处于新拌状态时，这种水相对于混凝土的总体积非常小。为了弥补这一部分对水体积的忽略，建议绝对体积法计算时不包括搅拌截留的孔隙体积。

2.1.2等水胶比法

掺加矿物掺合料后的水灰比与不掺加矿物掺合料时的水灰比相同，即简单等效替代。由于矿物掺合料密度小，泥浆体积变大，即泥浆与骨的比例增加。例如，假设普通水泥的密度为3.0g/cm3，粉煤灰的密度为2.2g/cm3，当30%的水泥被粉煤灰简单替代时，浆体体积将增加37L。水泥经水硬化后的体积收缩是混凝土的特性之一。加入骨料制成混凝土后，骨料的温度变形系数比硬化水泥浆小一半以上，这将稳定混凝土的体积。水泥浆与骨的比例越小，硬化混凝土的收缩值越小。浆骨比的增加必然会影响混凝土的体积稳定性。此外，由于粉煤灰的低反应速率和反应速率，早期混凝土浆体的水灰比增大。举个例子，假设有一个混凝土，生水灰比为0.57。如果单纯用粉煤灰代替30%的水泥，水胶比仍然是0.57。如果忽略粉煤灰表面吸附的水分，早期水灰比会增加到0.81，混凝土强度肯定会降低。为了保持混凝土强度不变，将水胶比降至0.5，早期水灰比仍为0.71。这么大的水灰比会导致早期孔隙。

因此，在添加粉煤灰时，不能使用恒定的水胶比，必须降低水胶比才能发挥粉煤灰的作用。

2.1.3粉煤灰过量替代法

由于对矿物掺合料的认识不足，混凝土的设计和工程质量管理人员对矿物掺合料的用量进行了限制，因此在相关配合比规范中提出了粉煤灰的“超量替代法”，即在可接受的配合比范围内替代水泥，另一部分替代砂子。只是一个计算，数量上的“换沙”。实际上，由于细尺度的差异，粉煤灰在功能上不是砂，不可能“替代砂”，但它仍然是一种胶凝材料，但由于“过剩”，它增加了浆体含量，变相降低了水胶比。但在形式上，没有公开粉煤灰的实际掺量和实际水胶比，起到了掩人耳目的客观作用。水胶比是混凝土配合比的三要素之一。在原材料相同的情况下，影响混凝土强度的主要因素是有效搅拌水与包括水泥在内的所有细料的比例，即水胶比。即使加入传统的惰性材料，如磨细的石英砂等石粉，也不能使用过度替代法的原因在于水胶比定义的混乱。比如有的搅拌站不算胶凝材料中过量置换，声称掺粉煤灰前后水灰比不变。一些实例表明，当项目中存在问题时，这种方法无法从报告的匹配率中分析原因。有人认为掺粉煤灰混凝土的抗裂性能没有明显提高，浆骨比的增加是原因之一。建议以后不要使用这种实际上增加了血浆与骨比例的计算方法。

2.1.4等水灰比法

基于某些人对水泥认识的局限性，水泥厂生产的混合水泥称为水泥，而搅拌站混凝土生产中掺入的矿物掺合料不计入水泥。简单保持水灰比不变，减少用水量和水胶比，希望能保证混凝土强度不变。但这种做法的结果是水胶比会过大，实际强度会超过预期值。以粉煤灰为例，如果掺入粉煤灰后水灰比不变，则需降低水灰比。粉煤灰含量越大，水胶比需要降低的越多。例如，假设所用水泥的密度为3.1g/cm3，原(FA含量为0)水灰比为0.50。当粉煤灰的密度为2.4g/cm3和30%时，保持水灰比不变的水灰比应为0.40，以此类推，当粉煤灰含量为40%时，水灰比应为0.30。这是忽略粉煤灰表面吸附的水分计算出来的。实际上，由于水在粉煤灰表面的吸附，游离水并没有计算的那么大，所以所需的水胶比可以更大。同时，这种方法中粉煤灰的用量替代等质量的水泥，胶凝材料总质量不变。但由于粉煤灰的密度小于水泥的密度，所以粉煤灰的用量和总胶凝材料的体积越大，而水胶比太低时，会影响混合料的和易性，因此需要增加用水量(同时根据水胶比增加胶凝材料的用量)，这不仅会增加试配工作量，还会由于水胶比的增加而影响混凝土的体积。

2.1.5忽略骨料粒度分布和形状的要求

骨料在混凝土中起骨架作用，主要是稳定体积。即使采石场生产的石材严格分级，出售时在运输过程中进行装载、碰撞和卸载，投入混凝土生产时，大小颗粒会被分离和重新分配，从而失去分级。因此，在大多数国家，用于制备混凝土的石头分为两级或三级。例如，在德国，在混凝土试拌期间，沙子和砾石被连续级配在一起。目前，由于生产技术落后，大多数生产者无知，中国市场供应的砾石忽视了砂石标准。所谓连续级配，其实小于10mm的颗粒很少，几乎没有。而且由于我国砂石标准对针片状粒径颗粒的要求过宽(实际上是迁就落后)，石头的颗粒形状很差。

中国的老专家蔡在20世纪80年代初曾说，中国的混凝土质量不如西方国家，因为石头质量差。但当时我国随机取样石料的松堆空空隙率一般为40% ~ 42%，而理想粒形和级配石料空空隙率约为38%。目前国内销售的碎石空缺口率已经达到45%以上，甚至50%以上！这使得中国混凝土的水泥消耗量和用水量比西方国家高出约20%。有些搅拌站或工程采用了两种级配的石子，混凝土的水泥用量可降低20%左右。

但是由于砂石质量的无奈，目前绝大多数混凝土生产不需要骨料，混凝土配合比规范和砂石标准基本落后，导致混凝土无法保证其应有的质量。根据市场经济规律，产品的质量是根据市场需求生产的，符合客户要求才能销售。目前没有合格的砂石供应，根本原因是买家对砂石质量的重要性认识不足。通常，在过去制定砂石料的应用标准时，在规定的级配要求表下，会说明如果级配不合格，经实验证明不会影响施工，可以使用。(那么有必要制定标准吗？只要无限增加水泥浆的含量就可以了！)

2.2建议

(1)鉴于目前混凝土成分的变化，计算混凝土配合比的假定密度法不再适用，建议改用绝对体积法。

(2)二级或三级配合单级石料，生产时分级投料，可获得满足施工要求的最小泥浆量，有利于工程的经济性和耐久性。

(3)当矿物掺合料用量发生变化时，应采用等浆体积法调整混凝土配合比，以保持混凝土的稳定性。

3确定混凝土配合比的原则

根据具体工程提供的具体技术要求，选择原材料和配合比:

(1)注意骨料级配和颗粒形状，按最大松装密度法优化级配骨料，但级配后空的空隙率不应大于42%；

(2)根据最小灰骨比原则(即最小用水量或胶凝材料总量)，根据混凝土强度等级和最小胶凝材料总量最小化灰骨比

原则上确定浆骨比(体积)，根据选定的浆骨比得出1m3混凝土混合料的浆体体积和骨料体积。用于计算骨料体积的密度应在饱和表面的干燥状态下测量；

(3)根据施工要求选择砂石比，根据《混凝土性能技术要求》中的混凝土目标性能确定矿物掺合料含量和水胶比；

(4)根据绝对体积法，胶凝材料总量和用水量分别按浆体体积计算；用骨料体积计算砂石量。调整水胶比时，保持浆液体积不变。根据工程特点和技术要求，选择合适的外加剂，用减水剂的用量调整混合料的和易性；

(5)由于水泥与水接触时开始水化，且混合物的实际密实体积略小于各种材料的密度之和，因此在不添加引气剂的情况下，搅拌过程中空气体的夹带量可计算为1%左右。

4混凝土配合比方案选择步骤之一

4.1确认目标

确定混凝土结构设计中《混凝土技术要求》提出的设计目标、条件、指标和参数:混凝土结构构件类型、保护层最小厚度、生活环境、设计使用寿命、耐久性指标(根据生活环境选择)、最小强度等级、最大水胶比、胶凝材料最小和最大用量、施工季节、混凝土最高内部温度(如有要求)、最大骨料粒径、混合料坍落度、最大胶凝材料用量

4.2根据上述条件选择原材料

4.3确认原材料条件

(1)水泥:品种、密度、标准稠度用水量、矿物掺合料品种和含量、水化热、氯离子含量、细度和凝结时间；

(2)砾石:种类、饱和面的视密度、容重、砾石的最大粒径、级配比和级配后的空空隙率；

(3)砂:细度模数、颗粒含量、饱和面表观密度、天然容重、空空隙率、筛除5毫米以上颗粒后的来源；

(4)矿物掺合料:品种、密度、需水量比、烧失量和细度；

(5)外加剂:品种、浓度(针对液体)、其他相关指标(如减水剂减水率、引气剂引气量、碱含量、氯离子含量、钾钠含量等。).

4.4计算胶凝材料的密度

用外加剂测量某种胶凝材料的密度，或用一定密度的水泥和矿物外加剂计算胶凝材料的密度，如下:

5混凝土配合比四要素的选择

5.1水胶比

对于有耐久性要求的混凝土，根据《混凝土结构耐久性设计规范》，由设计给出《混凝土技术要求》中的最低强度等级，按照95%的保证率确定配制强度；以最大水胶比作为初步水胶比，然后依次降低0.05 ~ 0.1个百分点，并尝试与3 ~ 5个水胶比进行匹配，从而得到水胶比与强度的线性关系，找出上述强度所需的水胶比，再尝试匹配。或者根据无外加剂普通混凝土的强度与水灰比的关系，选择一个基准水灰比，再根据掺粉煤灰后的浆骨比调整水灰比。一般有耐久性要求的中强混凝土，当粉煤灰掺入量超过30%(包括水泥中已经含有的混合材料)时，水胶比不应超过0.44。

5.2血浆与骨的比例(体积)

在一定水胶比条件下，用水量、胶凝材料总量或骨料总体积反映了浆骨比。泵送混凝土可按表1选择，也可按GB/T 50746-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中胶凝材料最小和最大的限定范围选择，由试拌的和易性决定。请参见表1，尽可能减小水泥浆与骨头的比例。当水胶比一定时，强度稍低，弹性模量稍高，体积稳定性好，开裂风险低，反之亦然。

5.3砂(体积)比

通常配合比中的砂砾比表示为一定浆骨比(或骨料量)下的砂比。对于级配良好的石料，宜选用砂率与石料的松堆空空隙率和砂的松堆空空隙率的乘积为0.16 ~ 0.2。泵送混凝土的砂率一般不小于36%，不大于45%。因此，应充分重视石料的级配，不同粒径的二级级配或三级级配后松堆空的空隙率不大于42%为宜。碎石松堆空间隙比越小，砂砾比越小。在一定水灰比和灰骨比的条件下，砂石比的变化主要影响和易性和变形性能，也影响硬化后的强度(在一定范围内，砂比小，强度略低，弹性模量略大，开裂敏感性较大，拌和和粘结力略差，反之亦然)。

5.4矿物掺合料含量

矿物掺合料的用量应根据工程性质、环境和施工条件进行选择。对于完全处于地下和水下的工程，特别是基础底板、咬合桩或连续浇筑地下连续墙、海水中的桥梁桩基、海底隧道底板或经过表面处理的侧壁等大体积混凝土，以及常年处于干燥环境(相对湿度低于40%)中的构件，在没有即时冻融作用时， 可以使用的最大矿物掺合料用量(矿物掺合料在总胶凝材料中的最大用量为粉煤灰的50%和磨细矿渣的75%)一年内，环境的相对湿度变化较大(冷天相对湿度约为50%，夏季超过70%)，无化学腐蚀和冻融循环。 对于截面小、保护层厚度小、强度等级低的构件(如厚度仅10 ~ 15 cm的楼板)，当水胶比大(如大于0.5)时，粉煤灰含量不应大于20%。不同环境下矿物掺合料的选择见GB/T50746-2008附录b和文章说明附录b。如果延长湿养护时间或采取其他措施提高钢筋混凝土保护层的密实度，可超过上述限值。

5.5试配和配合比的选择

在所选高效减水剂推荐用量的基础上，根据混凝土的和易性调整到合适的用量。

在《混凝土技术要求》规定的最大水胶比的基础上，依次降低水胶比，选择3 ~ 5个值，计算每种材料的用量，然后试配，测试规定的性能指标值，选择符合目标值的水胶比，再试配。

根据实际试验结果，得出配合比的混合料密度，并调整计算密度。

无论水胶比还是矿物掺合料的变化，都应按等浆体积法进行调整。调整方法见文献[3]。

引用

[1] bs en206。混凝土材料规格。

[2] GB/T 50746-2008。混凝土结构耐久性设计规范

李玉林连惠珍。混凝土配合比选择方法探讨(二):当代混凝土配合比要素选择及配合比计算方法的建议[J]。混凝土，2009.5:1-4