混凝土的灵魂——配合比

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1、EBlnEL1u四 e m第1章混凝土的灵魂配合比配合比是混凝土的灵魂。混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配 合比有直接或间接的关系。工程的设计强度明确以后，现场工程师首先要 考虑的是如何做好配合比。怎样才能做好配合比？做配合比时我们的理论 依据是什么？应坚持什么样的原则？对现代混凝土来说，无论是理论基础，还是在理论基础之上建立起来的规范，都出现了许多新问题。这些问题是怎么产生的？如何解决？这些是当前困扰混凝土科技界最严重的技术 难题。二十年前，配合比的理论基础就是比表面积法，以及在此基础上制定 的规范，可以说混凝土科学技术理论就是在此基础上发展起来的。那时， 依据理论和规范做具体的配合比工

2、作，基本上满足工程需要，也基本符合 工程实际。但现在，用二十年前的比表面积理论和规范来指导现代混凝土， 特别是高性能混凝土的配合比工作，已经是错误很大，相差千里了。比如 说，二十年前，以比表面积法为理论基础制定的配合比规范认为，提高砂 率，强度就必然会相应降低，可对现代高性能混凝土来说，却不是这样； 加大水灰比，强度也必然会相应降低。对现代低水胶比混凝土来说，这个 说法也不一定对。以上种种原因，使现代混凝土的配合比工作，从理论到 规范，都出现了混乱和问题，以致现在工地上的配合比工作，主要靠工程 师们的经验进行，靠老一代传帮带。所以我们必须重新建立配合比问题的 理论基础，使它能和现代混凝土的技术

3、进步相匹配、相适应，并在此基础 上建立新的符合工程实际的规范来。但现代混凝土的配合比工作，受太多 的因素影响。建立新理论，制定新规范，绝不是一件容易之事，也绝非个 人之力所能为。本章是本人根据个人经验，来讲解现代混凝土的配合比理 论问题和在做配合比时应注意的原则及事项。以抛砖引玉，向各位专家学 者请教。1.1 过去配合比所依据的理论基础从世界上第一次发现天然水泥以后，1824年，英国利兹的一个施工人 员约瑟夫阿斯普丁 Joseph Aspdin提出“波特兰”水泥的一个专利，大家 认为这是混凝土技术的开始。有了水泥，还要将石头、砂子和水与其混合在一起才能形成混凝土，才能进行工作。这四个组分如何搭

4、配，它们各自 合理的比例是多少？这就是混凝土配合比问题的实质。近二百年来，关于配合比在理论上有三种方法，分述如下。1. 比表面积法此法是最早、也是使用时间最长的一种方法。这种方法的实质是，粗 细骨料都是一种零散体，只有用水泥，如同粘接剂一样把它们粘接起来， 才能形成人造石头一一混凝土。 那么粘接剂（水泥）的需要量，就与粗细骨料 提供表面积总量有关。粗细骨料提供的总的表面积越多，在达到一定的强 度要求的前提下，水泥的需要量就越大。相反，就会越少。在这种思路指 导下，粗骨料相对细骨料，在同等体积下，粗骨料提供的比表面积比细骨 料要小得多，所以，在做一个具体的配合比时，在满足施工要求的前提下， 尽可

5、能地提高粗骨料用量，降低砂率，是比表面积法最重要的原则。最通 俗的理解是，比表面积法把水泥看成能粘结砂石的一种“浆糊”。那么砂 石提供的表面积越少，达到同样强度所需的水泥“浆糊”就越少。图1-1所示为混凝土内部粗细骨料示意图， 可见粗骨料越多，在达到一 定强度时水泥需要量就越少。粗骨料细骨料图1-1 混凝土内部粗细骨料示意图如果我们把图1-2中的粗骨料放大，取掉一个粗骨料用细骨料代替， 表 面积就会成倍增加。在达到同等强度的前提下，水泥的需要量就会加大。比表面积法认为，在一定的条件下，尽可能地降低水泥用量，以达到 降低工程成本的目的。特点是尽可能多地使用粗骨料，减少细骨料用量。总之，比表面积法

6、是使用时间最长的一种方法。在理论上有简单易懂 的特点，但到目前为止，还有些问题没有搞清楚，还需要经验来补充。比 如说，我们在配合比中，根据工程需要，减少了1kg粗骨料，那么需要增加多少千克细骨料，由此而引起增加多少千克水泥呢？这个问题上百年来 一直靠经验。图1-2混凝土中由细骨料代替粗骨料引起的表面积变化示意图2005年，北京市建筑工程研究院退休的工程师傅沛兴，提出了骨料的 表面积和直径的关系：认为当骨料的直径减少一半时，其表面积就会增加 一倍。例如，当我们用直径为 2cm的骨料代替直径为4cm的骨料时，水泥 用量就会增加一倍。以下是傅沛兴工程师对正方体的计算。以边长为2m的正方体为例：体积V

7、i=2X2X2=8(m3)表面积3=6&X2=24(m2)将其切为8个小正方体时：总体积V2=8 X1 X1 X1=8(m3)总表面积S2=8 X6X1X1=48(m2)计算结果V? =V 1S2=2S1所以，正方体边长小一半，则体积相同，总表面积增加一倍。同时他对其他多边形和球形也进行了同样的计算，结果是一样的。这 是对比表面积理论很好的补充，如果用于工程实际，还需要有人做进一步 的研究。2. 最大密度法此法的核心是，组成混凝土的石、砂以及水泥首先应有合理的级配，以求得混凝土有最大的密度和最低的空隙率。如果组成粗细骨料和水泥颗 粒的级配不合理，就会在混凝土内部造成很多空隙，这时候套用比表面积

8、 理论必然误差很大。所以，组成混凝土的各种颗粒，必须求得最佳级配和 最大密度，才能保证混凝土内部有最小的空隙率，如何保证有最大的密度 和最小的空隙率呢？主要根据富勒的连续级配理论，其方程式如公式(1)。P=100.d/D(1)式中：P 通过某筛孔的百分数，%D粗骨料最大直径， mm;d筛孔的孔径，mm。富勒级配曲线可用公式(1)表示，虽然瑞士学者鲍罗米和法国学者费瑞 特根据混凝土实际配置情况有所调整，但级配曲线没有根本性变化。为满足富混凝土的需要，意大利学者泰勃勒将富勒连续级配公式修改 为公式(2)形式。P=100 3dTD(2)公式(2)较适用于高性能混凝土与自密实混凝土的砂石最优级配。只有

9、符合富勒曲线，由大小颗粒组成的材料才会有最大的单位容重和 最小的空隙率。我国许多行业的施工规范中，对混凝土砂石料级配的要求 都是以富勒曲线为基础，并根据我国的具体情况做了适当修改后形成的。 目前我国公路路面混凝土配合比设计规程中，就是以最大密度法为理 论依据的。3. 魏矛斯断档级配法魏矛斯认为，在连续级配中，直径相邻的小颗粒会对大颗粒形成的骨 架带来不利影响。同样，我国清华大学廉惠珍教授等人的研究也认为：只 有当小颗粒的直径约为大颗粒的六分之一时，小颗粒才能完全只起到填充 大颗粒骨架形成的孔隙的作用，而不会对骨料的孔隙率起到负面的增加作 用。为了不会对孔隙率和混凝土的强度带来不利影响，所以必须

10、人为地对 混凝土中的大小颗粒进行断档级配。在这个思路的支配下，混凝土中的粗骨料一般都是单级配而不是二级 配。也就是说，粗骨料只用 24cm石子，人为去掉0.52cm的小石子，提高砂率，在不增加水泥用量的前提下也能达到理想的空隙率最低而强度 较高的效果。以上三种有关配合比的理论是到目前为止我们做任何配合比的依据。比表面积法以如何减少骨料的总表面积为核心，最大密度法和断档级 配法以如何增大骨料的单位容重和最小空隙率为核心。二者表面上看起来 似乎有矛盾之处，但仔细分析后就不难发现，最大密度法和断档级配法都 是对比表面积法的补充。比表面积法是使用时间最长、影响最大的一种方法。我国的普通混凝 土配合比设

11、计规程到目前为止都是以它为理论依据的。国外的情况也基本 一样。最大密度法近二十多年来在我国公路、民航使用较普遍一些。在一 个单位，老一代工程师用比表面积法多一些，而中青年一代使用最大密度 法多一些。在同一个工地，使用同样的原材料做同一强度的配比，两种方 法在粗细骨料的用量上大不相同。表1-1是2003年在广州白云新机场、2005年在内蒙古呼和浩特机场、2008年在天津机场对机场跑道设计抗折强 度为5MPa的干硬性混凝土，老一代工程师和中青年工程师所做的配比。表1-1 广州、天津、呼和浩特机场干硬性混凝土不同配合比对比表编号水泥/kg水/kg大石(24cm)/kg小石(0.52cm)/kg大小石

12、比例砂/kg砂率/%强度/MPa备注132013370570555635326.08广州机场2320133108036073617286.12广州机场331513284656464672325.97呼和浩特机场431513298742373588285.86呼和浩特机场532013286256864675325.81天津机场632013299442673548265.76天津机场注：强度值为28天3组平均抗折强度。从上面几个不同的配比可以看出，每个机场的第一个配比是按最大密 度法做出来的，大小石比例是 5 : 5或6 : 4,砂率是32%;第二个是按比 表面积法原理做出来的，大小石的比例是7

13、: 3,砂率是28%甚至26%。二者的28天强度基本一致，没有高低之分，要作者对这两种方法进行对比点评，根据自己的经验，比表面积法在低标号（C30以下）和大水灰比混凝土中 适应性较好，而最大密度法在高标号（C40以上）和较低水灰比（水灰比为0.45 以下）适应性较好。1.2 旧的配合比理论和现代混凝土的不适应性配合比是混凝土的灵魂。混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配 合比有直接或间接的关系。工程的设计强度明确以后，现场工程师首先要 考虑的是如何做好配合比。怎样才能做好配合比？做配合比时我们的理论 依据是什么？应坚持什么样的原则？对现代混凝土来说，无论是理论基础，还是在理论基础之上建立起来的

14、规范，都出现了许多新问题。这些问题是 怎么产生的？如何解决？这些是当前困扰混凝土科技界最严重的理论 难题。为什么说旧的配合比理论指导不了现代混凝土的配合比设计？主要原 因就是旧的配合比理论是以比表面积法为依据的。而随着现代混凝土技术 的不断发展，在具体的配合比工作中，用旧的比表面积法指导配合比工作，已经出现了很大的误差，主要表现在以下几个方面。1. 旧的配合比理论认为，砂率对强度有直接影响，砂率越高，强度越低在现代混凝土中，砂率的大小对强度已经没有明显影响。如表1-1中，作者在不同的机场做的对比试验，砂率从26%、28%到32%，对飞机跑道的干硬性混凝土强度都没有明显影响。在这一问题上，许多专

15、家学者也得 出过和作者相同的结论，吴中伟院士和廉惠珍教授合著的高性能混凝土 一书就认为水灰比为 0.530.55时，砂率在34%46%之间变化对强度无 明显影响；何锦云教授认为砂率对普通混凝土的抗压强度影响并不大，尤 其是在较大水灰比时（何锦云等.砂率对混凝土和易性及强度影响的试验研 究.河北建筑科技学院报，2002, 4）。2. 旧的混凝土理论中，水灰比和强度是最重要的关系式旧的混凝土理论中，水灰比和强度是最重要的关系式，即水灰比越大， 强度就越低。1930年，瑞士学者鲍罗米就根据以上的观点总结出了经典的混凝土强度公式f28 =Af28 C/W-B （式中，f28为混凝土的28天强度，C/W 为水灰比，A和B为与骨料强度有关的经验常数）。在现代混凝土中，特别 是对C40以上混凝土，这些理论和实际的实验数据找不到相关性。表1-2是作者近些年在几个机场做的部分干硬性混凝土配合比。水灰比从0.38到