普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)

    一、混凝土配合比設(shè)計(jì)基本要求

    混凝土配合比是指1m3混凝土中各組成材料的用量，或各組成材料之重量比。配合比設(shè)計(jì)的目的是為滿足以下四項(xiàng)基本要求：

    1．滿足施工要求的和易性。

    2．滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)，并具有95%的保證率。

    3．滿足工程所處環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性要求。

    4．經(jīng)濟(jì)合理，最大限度節(jié)約水泥，降低混凝土成本。

    二、混凝土配合比設(shè)計(jì)中的三個(gè)基本參數(shù)

    為了達(dá)到混凝土配合設(shè)計(jì)的四項(xiàng)基本要求，關(guān)鍵是要控制好水灰比（W/C）、單位用量（W0）和砂率（Sp）三個(gè)基本參數(shù)。這三個(gè)基本參數(shù)的確定原則如下：

    1．水灰比。

    水灰比根據(jù)設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度和耐久性確定。確定原則為：在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上，選用較大水灰比，以節(jié)約水泥，降低混凝土成本。

    2．單位用水量。

    單位用水量主要根據(jù)坍落度要求和粗骨料品種、最大粒徑確定。確定原則為：在滿足施工和易性的基礎(chǔ)上，盡量選用較小的單位用水量，以節(jié)約水泥。因?yàn)楫?dāng)W/C一定時(shí)，用水量越大，所需水泥用量也越大。

    3．砂率。

    合理砂率的確定原則為：砂子的用量填滿石子的空隙略有富余。砂率對(duì)混凝土和易性、強(qiáng)度和耐久性影響很大，也直接影響水泥用量，故應(yīng)盡可能選用最優(yōu)砂率，并根據(jù)砂子細(xì)度模數(shù)、坍落度要求等加以調(diào)整，有條件時(shí)宜通過(guò)試驗(yàn)確定。

    三、混凝土配合比設(shè)計(jì)方法和原理

    混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本方法有兩種：一是體積法（又稱絕對(duì)體積法）；二是重量法（又稱假定表觀密度法），基本原理如下：

    1. 體積法基本原理。體積法的基本原理為混凝土的總體積等于砂子、石子、水、水泥體積及混凝土中所含的少量空氣體積之總和。若以Vh、Vc、Vw、Vs、Vg、Vk分別表示混凝土、水泥、水、砂、石子、空氣的體積，則有：
 
         （4-32）

    若以C0、W0、S0、G0分別表示1m3混凝土中水泥、水、砂、石子的用量（kg），以分別表示水、水泥的密度和砂、石子的表觀密度（g/cm3），10 表示混凝土中空氣體積，則上式可改為： 
 
        （4-33）
    式中， 為混凝土含氣量百分率（%），在不使用引氣型外加劑時(shí)，可取a=1。

    2. 重量法基本原理。重量法基本原理為混凝土的總重量等于各組成材料重量之和。當(dāng)混凝土所用原材料和三項(xiàng)基本參數(shù)確定后，混凝土的表觀密度（即1m3混凝土的重量）接近某一定值。若預(yù)先能假定出混凝土表觀密度，則有：
 
         （4-34）
    式中為1m3為混凝土的重量（kg），即混凝土的表觀密度?？筛鶕?jù)原材料、和易性、強(qiáng)度等級(jí)等信息在2350～2450kg/m3之間選用。

    混凝土配合比設(shè)計(jì)中砂、石料用量指的是干燥狀態(tài)下的重量。水工、港工、交通系統(tǒng)常采用飽和面干狀態(tài)下的重量。

    四、混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟

    混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟為：首先根據(jù)原始技術(shù)資料計(jì)算“初步計(jì)算配合比”；然后經(jīng)試配調(diào)整獲得滿足和易性要求的“基準(zhǔn)配合比”；再經(jīng)強(qiáng)度和耐久性檢驗(yàn)定出滿足設(shè)計(jì)要求、施工要求和經(jīng)濟(jì)合理的“試驗(yàn)室配合比”；最后根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)砂、石料的含水率換算成“施工配合比”。

    （一）初步計(jì)算配合比計(jì)算步驟

    1．計(jì)算混凝土配制強(qiáng)度（ ）。
 
         （4-35）

    2．根據(jù)配制強(qiáng)度和耐久性要求計(jì)算水灰比（W/C）。

    （1）根據(jù)強(qiáng)度要求計(jì)算水灰比。

    由式： ，則有： 

    （2）根據(jù)耐久性要求查表4-18，得最大水灰比限值。

    （3）比較強(qiáng)度要求水灰比和耐久性要求水灰比，取兩者中的最小值。

    3．根據(jù)施工要求的坍落度和骨料品種、粒徑、由表4-12選取每立方米混凝土的用水量（W0）。

    4．計(jì)算每立方米混凝土的水泥用量（C0）。

    （1）計(jì)算水泥用量：

    （2）查表4-18，復(fù)核是否滿足耐久性要求的最小水泥用量，取兩者中的較大值。

    5．確定合理砂率（Sp）。

    （1）可根據(jù)骨料品種、粒徑及W/C查表4-13選取。實(shí)際選用時(shí)可采用內(nèi)插法，并根據(jù)附加說(shuō)明進(jìn)行修正。

    （2）在有條件時(shí)，可通過(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)砂率。

    6．計(jì)算砂、石用量（S0、G0），并確定初步計(jì)算配合比。

    （1）重量法：
 
         （4-36）

    （2）體積法：
 
        （4-37）

    （3）配合比的表達(dá)方式：

    ① 根據(jù)上述方法求得的C0、W0、S0、G0，直接以每立方米混凝土材料的用量（kg）表示。

    ② 根據(jù)各材料用量間的比例關(guān)系表示：C0：S0：G0＝1：S0/C0：G0/C0，再加上W/C值。

    （二）基準(zhǔn)配合比和試驗(yàn)室配合比的確定

    初步計(jì)算配合比是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)圖表估算而得，因此不一定符合實(shí)際情況，必經(jīng)通過(guò)試拌驗(yàn)證。當(dāng)不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，需通過(guò)調(diào)整使和易性滿足施工要求，使W/C滿足強(qiáng)度和耐久性要求。

    1．和易性調(diào)整——確定基準(zhǔn)配合比。根據(jù)初步計(jì)算配合比配成混凝土拌合物，先測(cè)定混凝土坍落度，同時(shí)觀察粘聚性和保水性。如不符合要求，按下列原則進(jìn)行調(diào)整：

    （1）當(dāng)坍落度小于設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在保持水灰比不變的情況下，增加用水量和相應(yīng)的水泥用量（水泥漿）。

    （2）當(dāng)坍落度大于設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在保持砂率不變的情況下，增加砂、石用量（相當(dāng)于減少水泥漿用量）。

    （3）當(dāng)粘聚性和保水性不良時(shí)（通常是砂率不足），可適當(dāng)增加砂用量，即增大砂率。

    （4）當(dāng)拌合物顯得砂漿量過(guò)多時(shí)，可單獨(dú)加入適量石子，即降低砂率。

    在混凝土和易性滿足要求后，測(cè)定拌合物的實(shí)際表觀密度（ ），并按下式計(jì)算每1m3混凝土的各材料用量——即基準(zhǔn)配合比：

    令：A＝C拌+W拌+S拌+G拌

    則有：
 
         （4-38）

    式中：
    A——試拌調(diào)整后，各材料的實(shí)際總用量（kg）；
    ——混凝土的實(shí)測(cè)表觀密度（kg/m3）；
    C拌、W拌、S拌、G拌——試拌調(diào)整后，水泥、水、砂子、石子實(shí)際拌合用量（kg）；
    Cj、Wj、Sj、Gj——基準(zhǔn)配合比中1m3混凝土的各材料用量（kg）。

    如果初步計(jì)算配合比和易性完全滿足要求而無(wú)需調(diào)整，也必須測(cè)定實(shí)際混凝土拌合物的表觀密度，并利用上式計(jì)算Cj、Wj、Sj、Gj。否則將出現(xiàn)“負(fù)方”或“超方”現(xiàn)象。亦即初步計(jì)算1m3混凝土，在實(shí)際拌制時(shí)，少于或多于1m3。當(dāng)混凝土表觀密度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差的絕對(duì)值不超過(guò)計(jì)算值的2%時(shí)，則初步計(jì)算配合比即為基準(zhǔn)配合比，無(wú)需調(diào)整。

    2．強(qiáng)度和耐久性復(fù)核——確定試驗(yàn)室配合比。根據(jù)和易性滿足要求的基準(zhǔn)配合比和水灰比，配制一組混凝土試件；并保持用水量不變，水灰比分別增加和減少0.05再配制二組混凝土試件，用水量應(yīng)與基準(zhǔn)配合比相同，砂率可分別增加和減少1%。制作混凝土強(qiáng)度試件時(shí)，應(yīng)同時(shí)檢驗(yàn)混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性、保水性和表觀密度，并以此結(jié)果代表相應(yīng)配合比的混凝土拌合物的性能。

    三組試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)定抗壓強(qiáng)度，以三組試件的強(qiáng)度和相應(yīng)灰水比作圖，確定與配制強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的灰水比，并重新計(jì)算水泥和砂石用量。當(dāng)對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性指標(biāo)有要求時(shí)，則制作相應(yīng)試件進(jìn)行檢驗(yàn)。強(qiáng)度和耐久性均合格的水灰比對(duì)應(yīng)的配合比，稱為混凝土試驗(yàn)室配合比。計(jì)作C、W、S、G。

    （三）施工配合比

    試驗(yàn)室配合比是以干燥（或飽和面干）材料為基準(zhǔn)計(jì)算而得，但現(xiàn)場(chǎng)施工所用的砂、石料常含有一定水分，因此，在現(xiàn)場(chǎng)配料前，必須先測(cè)定砂石料的實(shí)際含水率，在用水量中將砂石帶入的水扣除，并相應(yīng)增加砂石料的稱量值。設(shè)砂的含水率為a%；石子的含水率為b%，則施工配合比按下列各式計(jì)算：

    

    [例4-4] 某框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械攪拌，機(jī)械振搗成型，混凝土坍落度要求為50～70mm，并根據(jù)施工單位的管理水平和歷史統(tǒng)計(jì)資料，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差 取4.0MPa。所用原材料如下：

    水泥：普通硅酸鹽水泥32.5級(jí)，密度 =3.1，水泥強(qiáng)度富余系數(shù)Kc=1.12；

    砂：河砂Mx=2.4，Ⅱ級(jí)配區(qū)， =2.65g/cm3；

    石子：碎石，Dmax=40mm，連續(xù)級(jí)配，級(jí)配良好， =2.70g/cm3；

    水：自來(lái)水。

    求：混凝土初步計(jì)算配合比。

    [解] 1. 確定混凝土配制強(qiáng)度（ ）。

    ＝+1.645a ＝30+1.645×4.0＝36.58（MPa）

    2. 確定水灰比（W/C）。

    （1）根據(jù)強(qiáng)度要求計(jì)算水灰比（W/C）：

 

    （2）根據(jù)耐久性要求確定水灰比（W/C）：

    由于框架結(jié)構(gòu)混凝土梁處于干燥環(huán)境，對(duì)水灰比無(wú)限制，故取滿足強(qiáng)度要求的水灰比即可。

    3. 確定用水量（W0）。

    查表4-12可知，坍落度55～70mm時(shí)，用水量185kg；

    4. 計(jì)算水泥用量（C0）。

 

    根據(jù)表4-18，滿足耐久性對(duì)水泥用量的最小要求。

    5．確定砂率（Sp）。

    參照表4-13，通過(guò)插值（內(nèi)插法）計(jì)算，取砂率Sp=32% 。

    6．計(jì)算砂、石用量（S0、G0）。

    采用體積法計(jì)算，因無(wú)引氣劑，取a＝1。

    
 
    解上述聯(lián)立方程得：S0=577kg； G0=1227kg。

    因此，該混凝土初步計(jì)算配合為：C0=411kg，W0=185kg，S0=577kg，G0=1227kg。或者：C：S：G=1：1.40：2.99，W/C=0.45

    [例4-5] 承上題，根據(jù)初步計(jì)算配合比，稱取12L各材料用量進(jìn)行混凝土和易性試拌調(diào)整。測(cè)得混凝土坍落度T=20mm，小于設(shè)計(jì)要求，增加5%的水泥和水，重新攪拌測(cè)得坍落度為65mm，且粘聚性和保水性均滿足設(shè)計(jì)要求，并測(cè)得混凝土表觀密度kg/m3，求基準(zhǔn)配合比。又經(jīng)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，恰好滿足設(shè)計(jì)要求，已知現(xiàn)場(chǎng)施工所用砂含水率4.5%，石子含水率1.0%，求施工配合比。

    [解] 1. 基準(zhǔn)配合比：

    （1）根據(jù)初步計(jì)算配合比計(jì)算12L各材料用量為：

    C=4.932kg，W=2.220kg，S=6.92kg，G=14.72kg

    （2）增加5%的水泥和水用量為：

    ΔC＝0.247kg，ΔW＝0.111kg

    （3）各材料總用量為；

    A＝（4.932+0.247）+（2.220+0.111）+6.92+14.92＝29.35（kg）

    （4）根據(jù)式（4－38）計(jì)算得基準(zhǔn)配合比為：Cj=422，Wj=190，Sj=564，Gj=1215。

    2．施工配合比：

    根據(jù)題意，試驗(yàn)室配合比等于基準(zhǔn)配合比，則施工配合比為：

    C＝Cj＝422kg

    S=564×（1+4.5%）＝589kg

    G＝1215×（1+1%）＝1227kg

    W＝190-564×4.5%-1215×1%＝152kg

    ［例4-6］ 承上題求得的混凝土基準(zhǔn)配合比，若摻入減水率為18%的高效減水劑，并保持混凝土落度和強(qiáng)度不變，實(shí)測(cè)混凝土表觀密度ρh＝2400kg/m3。求摻減水劑后混凝土的配合比。1m3混凝土節(jié)約水泥多少千克？

    [解] （1）減水率18%，則實(shí)際需水量為：

    W＝190-190×18%＝156kg

    （2）保持強(qiáng)度不變，即保持水灰比不變，則實(shí)際水泥用量為：

    C=156/0.45=347kg

    （3）摻減水劑后混凝土配合比如下：

    各材料總用量＝347+156+564+1215=2282
   
 
    ∴ 實(shí)際每立方米混凝土節(jié)約水泥：422-365=57kg。