水泥混凝土配合比设计新思路.doc
安 平 王鹏程
摘要：阐述水泥混凝土配合比设计新思路。
关键词：水泥混凝土；配合比；设计
Cement concrete mixture ratio design
An Ping, Wang Peng -cheng
( Rizhao City Highway Engineering Department of Shandong RIzhao276826)
Abstract: In this paper, a new design idea of proportioning of cement concrete.
Key words: cement concrete； mixing ratio； design
混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。由于具有强度高、原材料储量大、可塑性能优异、成本低廉，在土木工程中起着极其重要的作用，是现代应用最广泛的建筑材料。它是由水泥、砂、石、添加剂、外加剂和适量水混合逐渐硬化形成的人工石材，因此原材料的种类、性质和用量等因素直接关系到混凝土的质量、成本和性能，进而关系到土木结构物的品质、造价和寿命，但是现有水泥混凝土配合比设计存在经验成分多，应用中不宜量化控制的问题，这就限制了此类结构的推广及应用。
1．传统配合比设计方法的缺陷
传统配合比设计方法是一种基于经验的方法，混凝土结构对材料性能提出的要求比较简单，配制混凝土的原材料种类也比较少，因此传统的配合比设计方法还存在许多不足之处。混凝土配合比设计理应是一个完善的体系，包括原材料选择、配合比计算、性能设计和性能检测。
1．1 从原材料选择来看，多数是依据个人经验知识进行的，带有很大的主观性。各人的经验知识不同，知识量也不等。这就为混凝土配合比设计带来了一定的随机性。
1．2 从配合比设计计算来看，各种没计方法的计算方法互不相同。配合比计算的实质就是四元（单位混凝土中水、水泥和粗细集料用量）一次方程组求解。从数学角度来讲，四元一次方程组求解需要四个独立方程式的联立才能解出。而配合比设计中一般都采用需水性定则、水灰比定则和绝对体积法或假定容重法，这就提供了三个方程式；各配合比设计方法的不同在于第四个方程式的确定。为了完成配合比设计，各种方法都引进了不同的关系式。我国引入了砂率；前苏联引入了砂浆拨开系数；英国引入了骨灰比；美国引入了粗集料最佳用量。另外因对高性能混凝土的认识不足，对它的配合比设计主要依赖于经验和大量的试配，计算过程在各种设计方法中似乎都不甚重要。
1．3 从性能设计来看，理想的配合比设计应能实现对混凝土的主要性能（即：工作性能、强度和耐久性）的设计，虽然目前的各种设计方法基本都考虑到了这三方面的性能，但是似乎还没有一种方法真正做到了对这三方面性能的设计。虽然最终都可能配出满足三方面性能要求的混凝土，但这似乎不能归功于该配合比设计体系的先进性，而应归功于设计人员的大量试配工作。
1．4 从性能检测来看，每一种配合比设计体系也都是不甚完善的。对混凝土力学性能和耐久性的检测相对来说还比较完善，而对新拌混凝土性能（主要是工作性）的检测应该说是不合理、不完善的。各个设计体系大都采用Abrams的坍落度试验（塑性混凝土）和维勃稠度试验（干硬性混凝土）来检测新拌混凝土的工作性。但这两种试验都不能全面有效地反映新拌混凝土的工作性。
2．现代水泥混凝土配合比设计思想
随着现代建筑工程技术要求的提高，水泥混凝土配合比设计的指导思想应从强度设计向多种性能设计转化，从可行性设计向优化设计转化。合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成分的用量，获得最经济和适用的混凝土。配合比设计中主要考虑的因素有：
2．1 试配强度
试配强度是混凝土配合比设计的首要指标, 混凝土试配强度与混凝土合格验收标准有直接的关系,试配强度可按验收标准做出选择合适、经济的试配强度，在实际施工中应消除理论强度与实际强度的差异，对混凝土试配强度公式进行分析，使混凝土强度做到精确，又能反映混凝土的质量控制。
选择混凝土的配比，保证混凝土额定强度与和易性的前提下，尽量降低水泥用量维持在最低水平上。施工时，集料的级配和湿度是变化的，导致拌和料粒径级配、集料间空隙体积产生变化，而这种变化必须影响到混凝土构造和产量，因为碎石间的空隙靠砂子来填充，而砂子的空隙由水泥浆填充的，集料中水分的存在改变着拌和料的性能，甚至影响到混凝土各集料的掺配量。
混凝土的成本由材料、人工和设备费用构成，但人工及设备大都与所生产混凝土的种类和性质无关，因此，混凝土中所发生的费用材料费是非常重要的。在保证各项工作指标的前提下，将水泥降至最低是降混凝土造价的惟一重要因素。降低水泥量，除成本外，还有其他益处：收缩率降低、水化热降低。
2．2 水灰比
有关水灰比、水泥品种、外加剂、粗集料级配等因素对路面混凝土性能影响的试验表明，无论28d抗折强度还是抗压强度，上述因素的主次为：水灰比一水泥品种一外加剂一粗集料级配。由此可见，水灰比对强度的影响是很大的。水灰比过大，多余水在硬化后的混凝土中形成气孔，减小了混凝土抵抗荷载作用的有效断面，在孔隙周围产生应力集中。水灰比愈小，水泥混凝土的强度也愈高，因此在满足和易性要求的前提下，应尽可能采用小的水灰比。此外，水灰比大小还应考虑道路等级、气候因素等。
2．3 确定最优砂率
根据实践经验，混凝土的用砂率应使所含砂子的松散体积填满石子的空隙体积外略有富余，才能使混合料的工作性良好，因而最优砂率Sp优应是理论砂率Sp乘以大于1的系数a，但当使用物细砂时因砂子的表面积大，其混凝土砂率则应乘以1的系数a。
在水泥浆用量一定的条件下，当砂率很小时砂浆数量不足以填满石子的空隙体积或甚少敷余，在此情况下，石接触点处的砂浆太少，混合料的流动性很小。当砂率过大时，集料的总表面积及空隙率增大，耗用于包裹细集料表面的水泥浆数量增多，砂粒接触点处的水泥浆不足，甚至水泥浆不足以包裹所有砂粒，使砂浆干涩，混合料的流动性随之变差。
在上述两种砂率不当的情况下如要达到一定的流动性，势必要参加水泥浆，提高混凝土的成本。通过试验，可求出在满足工作性（流动性）要求条件下水泥浆用量最小（也即水泥用量最少）的砂率，或者求出在相同水泥量下混合料工作性最好的砂率。这个砂率叫做最优（佳）的砂率。a系数，也是根据试验结果所确定的经验系数。
2．4 集灰比
对混凝土强度的影响在混凝土强度较高时表现得较明显，当水灰比相同时，混凝土随集灰比的增长呈增长趋势，这与集料数量增大、集料吸收的水分量增大、实际水灰比变小有关，与混凝土内部孔隙总体积减少有关，还与较高标号混凝土水泥用量较大有关。在适当增大集灰比后，水泥胶结作用和集料的连锁作用得到了充分的发挥。
提高混凝土性能的核心在于提高集料与砂浆界面的粘结强度，这可以通过合理选择原材料和正确的配合比设计来实现。选用水泥或C3S和C4AF含量高的其他水泥品种；选用细度模数大，耐磨性好的细集料；岩石品种是选择粗集料的关键，应综合考虑岩石的物理力学性能，通过比较试验确定。
3．结语
合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下，确定各种成分的用量，获得最经济和适用的混凝土。要对水泥混凝土路面配合比设计深入系统的研究，使混凝土配合比设计体系更加科学合理、方便快捷，从而推动水泥混凝土科学的发展。
适量地节约水泥而不影响混凝土的质量。可节约能源、节约水泥就是节约了能源，增加和易性使捣固、抹平工艺易于进行，自然就使能源消耗减少。减少养成蒸养时间也就节省了能源。
按不同批次的水泥强度，调整混凝土配合比，既保证强度又合理利用水泥。混凝土的配制强度，无法根据原材料质量的变动情况及时调整配比，每批混凝土的强度因原材料差异而带来较大的波动。
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【文章编号】1627-6868（2013）03-0080-02
【作者简介】安平（1973-），男，山东日照人，工程师，从事公路工程试验检测。王鹏程（1976-），男，山东日照人，工程师，从事公路工程管理。
