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1、论混凝土配合比的合理设计方法北京市建筑工程研究院 傅沛兴摘要：近几十年来混凝土科学技术有了飞跃的发展，但混凝土配制技术却只是在传统方 法的基础上不断修改补充，未能达到现代混凝土形成的科学规律性。为此，有必要从现代 混凝土的特点出发，通过系统的试验研究，从新探讨现代混凝土配合比科学合理的设计方 法。本文通过大量反复的试验研究提出，应由水泥基胶结材浆体体积、空气体积与砂、石 体积组成混凝土配合比。并着重论述水泥基胶结材浆体的设计配制方法以及按堆积密实原 则设计砂、石量的方法。在对堆积密实型连续级配进一步研究中，将国内外常用的富勒氏 连续级配计算式，针对混凝土拌合物流变性类型，分别建立为五个计算式；
2、并明确每种稠 度类型的混凝土均有其符合流变性规律的适宜石子量；以及不论哪种类型混凝土，其砂率 均必然随胶结材浆体量变化而改变的规律。从而将国内一向以砂率为主要设计参数的混凝 土配合比设计方法，改变为以胶结材浆体量与石子量为主要参数的设计方法。混凝土以其原材料来源广泛，能配制从 C10 至 C100 以上的强度，能浇注进 任何形状尺寸的模型，并能用钢筋、纤维直至预应力筋进行增强的优势，已广泛 应用于房屋建筑、道桥、涵洞、海港、空港，直至海上采油平台，原子反应堆等 所有土建工程。随着混凝土科学技术的发展，混凝土配制技术相应地不断改进。许多国家的 标准也随之补充修改，但至今还缺乏针对现代混凝土的特点
3、，从新进行系统的探 索研究，求取现代混凝土配合比内在的科学规律性。本文就此进行论述。一、混凝土配合比的传统理论与现状初期的混凝土只是由水泥、砂、石加水拌和而成的，因而早期混凝土配合比 多是采用木板钉成的50L60L两端带把的料斗，以水泥：砂：石为1： 2： 4或1： 3： 6 的体积比进行配合。1919 年美国人 Abrams D 提出水灰比定则后，各国开始探索研究按照结构物强 度设计混凝土配合比。但当时一般土建工程对混凝土强度等级的要求并不高，例 如上世纪五六十年代混凝土强度等级多为50号到170号，即抗压强度为50 kg/cm2 至170 kg/cm2,七十年代开始出现200号的相对高的强
4、度等级。施工时除部分预 制构件用干硬性混凝土外，大部分施工多用坍落度5 cm 9 cm的塑性混凝土。自上世纪七十年代出现高效减水剂以来，混凝土逐渐向高强化发展，九十年 代出现高性能混凝土，上世纪末出现自密实混凝土，混凝土的组成成分与比例关 系发生了较大的变化。但在人们的概念中，往往认为混凝土是一种非匀质的水泥 基复合材料，工程技术人员设计出的混凝土配合比，必须通过试拌进行调整才能 成为生产的配合比。因此各国的标准规范多沿用几十年来形成的配合比理论及相 关的若干经验数据，适当补充修改，作为混凝土配合比设计的指导性文件。传统的混凝土配合理论经多国的工程技术人员研究与实践，逐渐形成于上世 纪 20
5、年代至 60 年代，当时还是在没有出现高效减水剂以及很少使用掺合料的时 期，主要有以下一些混凝土配合比规律性概念。 1需水量定则选定拌和水量上世纪2060年代混凝土的主要成分为水泥、粗、细集料与拌和水，而且 水泥用量多在每m3200 kg左右，因此大量混凝土科技工作者认为，与混凝土工作 性（稠度）相关的需水量，主要取决于集料的特性而不是水泥的特性，并得出混 凝土的需水量定则。每m3混凝土的拌和用水量计算公式为：m =10/3 （T+K）（1）W式中：m为每m3混凝土的拌和水量（kg/m3）；WT为混凝土拌合物的坍落度（cm）；K为集料常数；需水量定则的集料常数K值，见下表。集料常数K值表1粗集
6、料最大粒径（mm）10203040K碎石57.553.048.544.0卵石54.550.045.541.0关于设计混凝土配合比的拌和水量，中国普通混凝土配合比设计规程 JGJ55 2000【1】也基本上按混凝土拌和物需水量定则的规律，只依据碎石和卵石 的最大粒径与混凝土拌和稠度给出每m3混凝土的用水量表。该规程的表4.0.1.1 为干硬性混凝土的用水量表，表4.0.1.2为塑性混凝土的用水量表。同时规定， 当掺用外加剂时，可按外加剂的减水率减少拌和水量。美国的 ACI211.1 标准【2】也同样只依据集料的最大粒径和坍落度给出每 m3 混凝土拌和水量的表，与中国不同的是没有区分卵石与碎石，但
7、是区分引气混凝 土与非引气混凝土，引气混凝土的单方用水量要少一些。日本的JASS 5标准【3】则进了一步，除粗集料最大粒径与坍落度外，增加了 水灰比（由 0.650.40）和细集料细度模数（ 3.3、 2.8、 2.2）分别给出每 m3 混凝土拌和水量。同时还规定如果在拌和物中加引气剂则单方用水量减少 8， 如果掺加引气减水剂则单方拌和水量减少 20。可见日本标准已经逐步考虑到 现代混凝土技术进步的一些因素，但是仍未摆脱需水性定则的影响。 2水灰比定则-确定水泥用量自 1919 年 Abrams 提出水灰比定则以来，各国纷纷根据本国水泥实际情况， 通过大量试验，归纳出按水灰比定则推算出混凝土强
8、度与水灰比的关系式。例如我国JGJ55 2000普通混凝土配合比设计规程就通过华北、华东、 东北、西北、西南、华南六大行政区31 个试验单位，共用 84 个品牌水泥，进行 了 3768次试验，得出水灰比与强度关系式。w/c=（a *f ） / （f Q+a *0 *f ）（2）式中：f为水泥28关实测强度（MPa）；cef 为混凝土配合强度（ MPa）；a、 0为回归系数，见表2。回归系数a、0选用表 表2系数碎石卵石a0.460.4800.070.33美国的ACI211.1标准则直接将混凝土强度与引气混凝土和非引气混凝土的 水灰比列表明示，以利选择。日本则分别对不同品种水泥列出混凝土强度与水
9、灰比关系的计算式。例如对 于普通硅酸盐水泥，其计算式为：w/c=(3)F / K 0.43式中：F为配制混凝土的强度(MPa)；K 为水泥实际强度( MPa)。3. 确定粗、细集料的方法在混凝土配合比中，确定了每m3拌和水量和水泥用量以及含气量后，所差的 就是粗、细集料的用量。至今国内外选定每m3粗细集料的用量主要有两种方法。 一是砂率法，一是选定粗集料用量法。1) 砂率法我国的JGJ55 2000普通混凝土配合比设计规程用的就是砂率法。规程 通过大量的试验经验，提出坍落度为10mm60mm的混凝土，针对不同最大粒径 的碎石或卵石，提供水灰比为0.4、0.5、0.6、0.7时的适宜砂率范围-表
10、4.0.2。 并且明确该表为中砂的重量砂率，如用粗砂或细砂时，可以适量增减砂率，以及 坍落度大于60mm时，可以按坍落度每增大20mm砂率增大1 %进行调整，或者通 过试验确定。具体计算每m3粗、细集料用量时又有重量法和体积法。重量法为假定混凝土 每m3重量为23502450 kg,则除去水与水泥重量就是粗、细集料重量，再乘以 砂率便可以得出细集料的重量，从而算出粗集料的单方用量。体积法则分别按水泥、水及集料的表观密度，先算出水泥及水的单方体积， 此时除去水泥、水和空气的体积便是集料的体积，用砂率法即可得出每m3粗、细 集料用量。2) 选定粗集料用量法通过长期设计与配制混凝土的经验，根据粗集料
11、的最大粒径与细集料的不同 细度模数，得出粗集料的单方适宜体积用量，则在每m3混凝土中除去水泥、水、 空气体积和粗集料体积便是细集料的体积。如美国ACI211.1标准就是根据粗集料最大粒径和细集料的细度模数提出单 方粗集料干捣实体积供选用。日本的 JASS 5 标准多年来也一直用粗集料用量法。如前所述，虽然混凝土科学技术有了飞跃发展，各国有关混凝土配合比的规 程标准，随着高效减水剂的出现，相应地做了一些补充修改，但至今尚未完全摆 脱需水量定则的影响。二、凝土配合比设计原则混凝土是以水泥为主，掺用若干种粉状矿物掺合料加水和外加剂配制成的胶 结材浆体，将散落的砂、石拌和均匀，浇注在梁、柱、板等各种模
12、型中，牢固地 粘结成一个整体的工程材料。混凝土在配制生产过程中，除要求水泥基胶结材浆 体本身均匀外，还要求通过搅拌将每个砂、石颗粒用胶结材浆体包裹分割开来， 再通过振捣等施工工艺，使砂、石获得最紧密的堆积，为胶结材牢固地粘接在一 起。泵送流动性混凝土和自密实混凝土还要求胶结材浆体有足够的粘性和流动 性，施工时能将砂石均匀悬浮在胶结材浆体中。混凝土在生产搅拌过程中会由砂、 石带进一部分空气，由于耐久性的要求，还会通过掺入引气剂引进一部分气体； 因而混凝土是一种含多种原材料，含固、液、气三相的多元多相水泥基复合材料。 现代混凝土的特点 ，主要在于胶结材用量远较上世纪2060年代的水泥用量为 多，水
13、灰比（水胶比）小，而且混凝土拌和物流变性能与高效减水剂等外加剂性 能密切相关；同时要求砂石有较好的级配。为此，设计配制现代混凝土必须遵守以下原则。1. 混凝土由胶结材浆体（胶结材+水+减水剂）体积、空气体积、砂体积、石 体积四部分组成，应按这四部分体积比进行混凝土配合比设计；2. 水泥基胶结材浆体是决定混凝土施工工作性和混凝土强度、耐久性的关键 组分。因此应首先按强度、耐久性及施工工艺要求，尽可能科学合理的选定水泥 品种、水灰比（水胶比），单方水量与高效减水剂品种、用量，以及掺合料品种、 用量，配制出适用的胶结材浆体；3. 所有砂、石和粉状固体颗粒应有最密实的堆积；4. 新拌混凝土必须具备施工
14、工艺要求的施工性能；5. 混凝土浇注后经振捣、养护等工艺应能满足结构设计要求的各种性能，如 抗压强度、弹性模量、抗渗、抗冻融等性能。三、首先设计符合要求的胶结材浆体混凝土从施工工作性可区分为干硬性混凝土（坍落度10血）、低塑性混凝土（坍落度1040 mm）、塑性混凝土（坍落度（50mm90mm）、流动性混凝土、 （坍落度100180 mm）和大流动性混凝土（坍落度180 mm）五种流变性类型， 五种流变性类型混凝土的胶结材浆体性能与浆体量的差别很大。干硬性混凝土浆体的塑性（流动性）很小，与砂、石和水搅拌均匀后，经强 力振捣或加压振捣成型，浆体量一般每m3约为180L250L。由于胶结材浆体少，
15、 集料多，混凝土结构很少开裂，有利于耐久性、抗磨蚀性，至今世界各国的机场 跑道多用干硬性混凝土。低塑性混凝土则浆体较干硬性混凝土稍多些，坍落度1cm4cm,由于抗裂 性和耐磨性较好，国内外多用于路面混凝土。塑性混凝土则浆体量又多一些，坍落度5cm9cm。在上世纪六七十年代， 高效减水剂还未广泛应用以前，为便于施工，国内外多用于一般建筑工程。单方 浆体量多为250L300L，为降低拌和物内剪切应力，配制时适当添加塑化剂或 普通减水剂。流动性混凝土是在高效减水剂广泛应用以后出现的，多用于泵送施工。要求 胶结材浆体有较好的流动性和一定的粘性（抗离析性）。因而配制这种浆体不但 必须添加高效减水剂，而且必须要有相当数量的粉体（水泥和掺合材），单方胶 结材浆体量约为280L350L。上世纪90年代出现的高耐久性、高施工性的高性 能混凝土就是一种流动性混凝土。大流动性混凝土则浆体量更多些，除用于泵送施工外，还可用于自流平地面 与免振捣施工。上世纪末出现的自密实混凝土也是一种大流动性混凝土，专用于 免振捣施工。由于抗离析性的要求，进一步明确规定了粉体材料的最低限量。大 流动性混凝土的胶结材浆体量一般为300L360L，自密实混凝土则浆体量可达 400L。这五种流变类型混凝土不但胶结材浆体量不同，胶结材浆体的塑性（流动性） 和粘性也有较大差别；而且相同流变类型混凝土的浆体量
