這些混凝土配合比設計方法，你了解嗎（國內篇）

目前，國外混凝土配合比設計方法包括意大利的Collepardi提出的混凝土配合比設計方法，美國的P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin共同提出的以漿骨比為基礎的高性能混凝土配合比設計方法。此外，日本、法國對混凝土配合比技術同樣有成熟的研究。不同的混凝土配合比設計方法均有其優缺點，其設計方法與適用范圍各有不同。目前，國內外存在的混凝土配合比設計方法均是半經驗半計算的方法，對工程經驗要求較高，不利于初學者靈活掌握。

（一）簡易配合比設計方法

該方法最早由吳中偉院士提出。該混凝土配合比設計方法具體步驟如下：

（1）確定混凝土配合比設計參數

以混凝土常用性能指標為主，主要包括工作性指標、耐久性指標、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，測其砂石混合空隙率，空隙率值最小的一組對應的砂石堆積比例所計算的砂率為混凝土的砂率。

（3）確定漿量

測得砂石混合空隙率確定膠凝材料漿量數值與水泥漿富余量相加，如坍落度為180～200mm時，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%，但最終結果通過試拌確定。

（4）計算各組分用量

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

簡易配合比設計方法使用簡便，充分考慮混凝土的工作性與骨料之間的關系，即在利用最小砂石空隙率的同時，根據工作性調整漿體體積；但是對于大體積及對耐久性有特殊要求的混凝土工程，在確定漿體時具有局限性。

（二）以飽和面干骨料的配合比設計方法

隨著減水劑與礦物摻合料的廣泛使用，混凝土的配合比設計工作比以往更加復雜。在充分考慮混凝土現狀的情況下，清華大學廉慧珍教授在傳統混凝土配合比設計的基礎上，提出了現代六組分混凝土配合比設計的四要素：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系以及對混凝土性能指標的影響。

（1）水膠比

在標準規定范圍內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，取3～5個水膠比為一組進行混凝土試配，根據強度結果選取28d抗壓強度最合適的一個水膠比為最終水膠比。

（2）漿骨比

廉慧珍教授認為，混凝土新拌合物在滿足工作性的基礎上，選擇最小的漿骨比。漿骨比的選擇參考《混凝土結構耐久性規范》（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，對于機制砂與含石量超標的天然砂來說，砂率應比同等級配合比增加3%左右。因此，砂的粒形、粒徑、顆粒級配應首先考慮。此外，石子的級配應充分重視。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際工程使用環境為基準，具體摻量應以混凝土結構要求最大強度與養護條件為原則。在沒有立即凍融的環境下，礦物摻合料可以用規定的最大摻量，并且可以酌情增加摻量。

具體混凝土配合比設計步驟如下：

a.確定混凝土設計目標、條件、各項指標、參數，根據以上要求選擇原材料；

b.確定混凝土配制強度，f_cu,o≥f_cu.k +1.645σ；

c.選擇混凝土配合比4要素具體參數值；

d.初步混凝土配合比計算；

e.試配、調整。

據以飽和面干骨料的配合比設計方法整體充分考慮現代混凝土六組分特點，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在還不能夠被接受，且飽和面干骨料的含水狀態難以控制。

（三）全計算配合比設計方法

中國礦業大學王棟民教授與武漢理工大學陳建奎教授提出高性能混凝土全計算配合比設計方法，其主要內容為：在混凝土材料的基礎上，計算混凝土單方用水量公式和砂率公式，選擇漿骨比為35:65。該方法的基本特點有以下兩點：

（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。

全計算配合比設計方法計算步驟如下：

（1）根據規范計算混凝土配制強度：f_cu,o≥ f_cu,k+1.645σ；

（2）計算水膠比：由保羅米公式計算；

（3）計算用水量：將漿體體積與水膠比聯合組成方程式，最后計算用水量；

（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系，最后聯立方程式，從而確定砂率的計算方法。

全計算混凝土配合比設計方法建立了較為普遍的混凝土體積各組分模型，經過科學計算得出用水量與砂率，簡化了計算量；但是此方法與實際結果偏差較大，并且35:65的漿骨比對中低等級混凝土并不適用。

（四）高密實混凝土配合比設計方法

臺灣科技大學黃兆龍教授提出的高密實混凝土的配合比設計，主要采用顆粒堆積及材料科學原理。他認為，現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堆積比例，利用此方法設計的混凝土配合比可以得到優良的工作性、強度、耐久性。另外，認為在水膠比相等的條件下，骨料最密實堆積可以降低水泥漿體的體積，提高混凝土耐久性。

配合比設計步驟如下：

（1）根據工程結構使用環境、當地條件選擇材料；

（2）確定混凝土配合比設計指標：坍落度、強度；

（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＝W_f÷(W_f＋W_s)

β＝(W_f＋W_s)÷(W_f＋W_s＋W_g)

式中W——粉煤灰質量；W_s——砂質量；W_g——石子質量；α——粉煤灰填充系數，β——砂、粉煤灰混合填充系數。

    然后根據α、β計算骨料最小空隙率；

（4）計算漿體量和骨料的體積；

（5）確定水膠比；

（6）試拌與調整。

高密實配合比實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算復雜，與實際不符。

（五）《普通混凝土配合比設計規程》方法

《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中設計方法如下：

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

（2）水膠比見式：

W/B＝ɑ_a×f_b÷(f_cu,0＋ɑ_a·ɑ_b·f_b)

式中?_b——膠凝材料28d膠砂抗壓強度（MPa）。

（3）用水量

通過骨料最大粒徑與坍落度要求進行選擇，或根據試驗確定。

（4）膠凝材料用量

根據水膠比與用水量計算。

（5）粗、細骨料用量

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

（6）混凝土配合比的試配、調整與確定

根據混凝土新拌合物工作性、強度進行調整。

《普通混凝土配合比設計規程》規定的方法是先根據材料的性質和混凝土的工作性查表確定用水量，根據減水劑減水率和設計目標用水量計算減水劑摻量。這樣的方法存在的問題是：減水劑減水率的測定使用的是基準水泥和固定配合比，對不同水灰比的混凝土配合比，按減水率計算的減水劑摻量沒有指導意義。規范未考慮原材料質量不同對混凝土配合比帶來的影響，尤其是對混凝土流動性的影響。另外，規范中規定礦物摻合料的最大摻量，這樣很不合理，目前已經有許多工程使用的大摻量礦物摻合料滿足其耐久性，且工程強度、耐久性也符合國家要求。我國的規程里面顯然缺少對骨料作用的評價，或者說是沒有能夠定量地來評價粗細骨料的作用。骨料質量優劣不僅僅表現在級配、模數和最大粒徑等方面，粒型、表面紋理等因素對混凝土也有著顯著的作用。事實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謹。