雖然混凝土科學(xué)技術(shù)已有漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史，但仍然是一門基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。

我們希望可以搞出一個(gè)圖表或者一個(gè)萬能公式，能表達(dá)出或準(zhǔn)確計(jì)算出混凝土的配合比，這樣就方便實(shí)踐和質(zhì)量控制了。但由于混凝土原材料品種、質(zhì)量、形態(tài)甚至產(chǎn)地的差異，對(duì)混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生的影響各異。

混凝土工程環(huán)境的差異以及氣溫高低、空氣濕度，風(fēng)速大小及養(yǎng)護(hù)的好壞都會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生不容忽視的影響。再加上混凝土是非勻質(zhì)、不連續(xù)結(jié)構(gòu)……種種這些條件使得采用一張圖表或一個(gè)萬能公式的設(shè)想變得不可能實(shí)現(xiàn)或很難實(shí)現(xiàn)。

二十世紀(jì)后半葉混凝土業(yè)界最偉大的成就之一，就是我們終于可以用科學(xué)的方法來描述、研究、預(yù)測(cè)、評(píng)估混凝土這個(gè)非常復(fù)雜的材料，讓混凝土技術(shù)成為材料科學(xué)新的研究對(duì)象。

目前，國(guó)外混凝土配合比設(shè)計(jì)方法包括意大利的Collepardi提出的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，美國(guó)的P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin共同提出的以漿骨比為基礎(chǔ)的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

此外，日本、法國(guó)對(duì)混凝土配合比技術(shù)同樣有成熟的研究。不同的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法與適用范圍各有不同。目前，國(guó)內(nèi)外存在的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法均是半經(jīng)驗(yàn)半計(jì)算的方法，對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)要求較高，不利于初學(xué)者靈活掌握。

01

簡(jiǎn)易配合比設(shè)計(jì)方法

該方法最早由吳中偉院士提出。該混凝土配合比設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：

（1）確定混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

以混凝土常用性能指標(biāo)為主，主要包括工作性指標(biāo)、耐久性指標(biāo)、水膠比。

（2）求骨料最小混合空隙率

將砂石按不同的比例混合，測(cè)其砂石混合空隙率，空隙率值最小的一組對(duì)應(yīng)的砂石堆積比例所計(jì)算的砂率為混凝土的砂率。

（3）確定漿量

測(cè)得砂石混合空隙率確定膠凝材料漿量數(shù)值與水泥漿富余量相加，如坍落度為180～200mm時(shí)，漿量的富余量可取Im3的8%～12%，坍落度每變化10mm，富余漿體量變化1%，但最終結(jié)果通過試拌確定。

（4）計(jì)算各組分用量

根據(jù)水膠比、砂率、膠凝材料用量及礦物摻合料摻量和密度，按絕對(duì)體積法計(jì)算各組分用量。

簡(jiǎn)易配合比設(shè)計(jì)方法使用簡(jiǎn)便，充分考慮混凝土的工作性與骨料之間的關(guān)系，即在利用最小砂石空隙率的同時(shí)，根據(jù)工作性調(diào)整漿體體積；但是對(duì)于大體積及對(duì)耐久性有特殊要求的混凝土工程，在確定漿體時(shí)具有局限性。

02

以飽和面干骨料的配合比設(shè)計(jì)方法

隨著減水劑與礦物摻合料的廣泛使用，混凝土的配合比設(shè)計(jì)工作比以往更加復(fù)雜。在充分考慮混凝土現(xiàn)狀的情況下，清華大學(xué)廉慧珍教授在傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)代六組分混凝土配合比設(shè)計(jì)的四要素：

水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻合料用量。

并給出了四要素之間的關(guān)系以及對(duì)混凝土性能指標(biāo)的影響，如圖1所示。

 

圖1   混凝土各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響

（1）水膠比

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)選擇最大水膠比作為初始水膠比，再依次減小0.01～0.02百分點(diǎn)，取3～5個(gè)水膠比為一組進(jìn)行混凝土試配，根據(jù)強(qiáng)度結(jié)果選取28d抗壓強(qiáng)度最合適的一個(gè)水膠比為最終水膠比。

（2）漿骨比

廉慧珍教授認(rèn)為，混凝土新拌合物在滿足工作性的基礎(chǔ)上，選擇最小的漿骨比。漿骨比的選擇參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)范》（GB/T50746-2018）。

（3）砂石比

此處砂石比為在確定骨料體積之后的砂率。一般情況下，對(duì)于機(jī)制砂與含石量超標(biāo)的天然砂來說，砂率應(yīng)比同等級(jí)配合比增加3%左右。因此，砂的粒形、粒徑、顆粒級(jí)配應(yīng)首先考慮。此外，石子的級(jí)配應(yīng)充分重視。砂石比可隨著石子松堆空隙率降低而降低。

（4）礦物摻合料摻量

礦物摻合料的摻量以實(shí)際工程使用環(huán)境為基準(zhǔn)，具體摻量應(yīng)以混凝土結(jié)構(gòu)要求最大強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)條件為原則。在沒有立即凍融的環(huán)境下，礦物摻合料可以用規(guī)定的最大摻量，并且可以酌情增加摻量。

具體混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟如下：

a.確定混凝土設(shè)計(jì)目標(biāo)、條件、各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)，根據(jù)以上要求選擇原材料；

b.確定混凝土配制強(qiáng)度，fcu,o≥fcu.k +1.645σ；

c.選擇混凝土配合比4要素具體參數(shù)值；

d.初步混凝土配合比計(jì)算；

e.試配、調(diào)整。

據(jù)以飽和面干骨料的配合比設(shè)計(jì)方法整體充分考慮現(xiàn)代混凝土六組分特點(diǎn)，重新定義混凝土配合比中四要素，整體思路清晰全面；

但是飽和面干骨料概念現(xiàn)在還不能夠被接受，且飽和面干骨料的含水狀態(tài)難以控制。

03

全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)方法

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王棟民教授與武漢理工大學(xué)陳建奎教授提出高性能混凝土全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)方法，其主要內(nèi)容為：在混凝土材料的基礎(chǔ)上，計(jì)算混凝土單方用水量公式和砂率公式，選擇漿骨比為35:65。該方法的基本特點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

（1）混凝土各組成具有體積相加性。

（2）各組分之間，粒徑大的材料空隙由小于其粒徑的材料填充，以此類推。

全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)規(guī)范計(jì)算混凝土配制強(qiáng)度：fcu,o≥ fcu,k+1.645σ；

（2）計(jì)算水膠比：由保羅米公式計(jì)算；

（3）計(jì)算用水量：將漿體體積與水膠比聯(lián)合組成方程式，最后計(jì)算用水量；

（4）膠凝材料組成與用量；

（5）骨料及砂率用量：該方法中提出“干砂架體積”的概念。在漿體體積與骨料體積之間建立關(guān)系，最后聯(lián)立方程式，從而確定砂率的計(jì)算方法。

全計(jì)算混凝土配合比設(shè)計(jì)方法建立了較為普遍的混凝土體積各組分模型，經(jīng)過科學(xué)計(jì)算得出用水量與砂率，簡(jiǎn)化了計(jì)算量；但是此方法與實(shí)際結(jié)果偏差較大，并且35:65的漿骨比對(duì)中低等級(jí)混凝土并不適用。

04

高密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

臺(tái)灣科技大學(xué)黃兆龍教授提出的高密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，主要采用顆粒堆積及材料科學(xué)原理。他認(rèn)為：

現(xiàn)代普通混凝土中骨料體積占混凝土體積的60%～70%，通過確定混凝土中固體材料間最小空隙的方法，能夠得到骨料間最密實(shí)堆積比例，利用此方法設(shè)計(jì)的混凝土配合比可以得到優(yōu)良的工作性、強(qiáng)度、耐久性。

另外，認(rèn)為在水膠比相等的條件下，骨料最密實(shí)堆積可以降低水泥漿體的體積，提高混凝土耐久性。

配合比設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)工程結(jié)構(gòu)使用環(huán)境、當(dāng)?shù)貤l件選擇材料；

（2）確定混凝土配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)：坍落度、強(qiáng)度；

（3）確定骨料最大單位重量；

此處將粉煤灰視為骨料，具體確定方法如式：

ɑ＝Wf÷(Wf＋Ws)

β＝(Wf＋Ws)÷(Wf＋Ws＋Wg)

式中W——粉煤灰質(zhì)量；Ws——砂質(zhì)量；Wg——石子質(zhì)量；α——粉煤灰填充系數(shù)，β——砂、粉煤灰混合填充系數(shù)。

然后根據(jù)α、β計(jì)算骨料最小空隙率；

（4）計(jì)算漿體量和骨料的體積；

（5）確定水膠比；

（6）試拌與調(diào)整。

高密實(shí)配合比實(shí)際理念為將砂填充石子空隙，然后用粉煤灰填充骨料空隙，將粉煤灰當(dāng)作骨料，利用緊密堆積骨料得到最小空隙率求得漿體。另外，減水劑的使用公式計(jì)算復(fù)雜，與實(shí)際不符。

05

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》方法

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）中設(shè)計(jì)方法如下：

（1）混凝土配制強(qiáng)度的確定，見式：fcu,o≥ fcu,k+1.645σ

（2）水膠比見式：

W/B＝ɑa×fb÷(fcu,0＋ɑa·ɑb·fb)

式中?b——膠凝材料28d膠砂抗壓強(qiáng)度（MPa）。

（3）用水量

通過骨料最大粒徑與坍落度要求進(jìn)行選擇，或根據(jù)試驗(yàn)確定。

（4）膠凝材料用量

根據(jù)水膠比與用水量計(jì)算。

（5）粗、細(xì)骨料用量

采用質(zhì)量法計(jì)算砂石用量時(shí)，假定每立方米混凝土拌合物的容重為2350～2450kg，根據(jù)假定容重減去膠凝材料、水的用量之后，再用選定的砂率計(jì)算砂石用量。采用體積法計(jì)算砂石用量時(shí)，按材料的體積與表觀密度計(jì)算。

（6）混凝土配合比的試配、調(diào)整與確定

根據(jù)混凝土新拌合物工作性、強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定的方法是先根據(jù)材料的性質(zhì)和混凝土的工作性查表確定用水量，根據(jù)減水劑減水率和設(shè)計(jì)目標(biāo)用水量計(jì)算減水劑摻量。

這樣的方法存在的問題是：減水劑減水率的測(cè)定使用的是基準(zhǔn)水泥和固定配合比，對(duì)不同水灰比的混凝土配合比，按減水率計(jì)算的減水劑摻量沒有指導(dǎo)意義。

規(guī)范未考慮原材料質(zhì)量不同對(duì)混凝土配合比帶來的影響，尤其是對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響。

另外，規(guī)范中規(guī)定礦物摻合料的最大摻量，這樣很不合理，目前已經(jīng)有許多工程使用的大摻量礦物摻合料滿足其耐久性，且工程強(qiáng)度、耐久性也符合國(guó)家要求。

我國(guó)的規(guī)程里面顯然缺少對(duì)骨料作用的評(píng)價(jià)，或者說是沒有能夠定量地來評(píng)價(jià)粗細(xì)骨料的作用。骨料質(zhì)量?jī)?yōu)劣不僅僅表現(xiàn)在級(jí)配、模數(shù)和最大粒徑等方面，粒型、表面紋理等因素對(duì)混凝土也有著顯著的作用。

事實(shí)表明僅僅依賴水灰比、石子粒徑和坍落度等來確定砂率的方法并不嚴(yán)謹(jǐn)。