普通混凝土配合比设计

第十节　普通混凝土配合比设计

所谓混凝土配合比，是指单位体积的混凝土中各组成材料的质量比例，确定这种数量比例关系的工作，就称为混凝土配合比设计。

按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ　55—2011）规定，普通混凝土的配合比应根据原材料性能及对混凝土的技术要求进行计算，并经试验室试配、调整和确定。

一、混凝土配合比设计的基本要求、依据及方法

（一）混凝土配合比设计的基本要求

1.满足结构设计的强度等级要求；

2.满足混凝土施工所要求的和易性；

3.满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求；

4.符合经济原则，即节约水泥以降低混凝土成本。

（二）混凝土配合比设计的资料准备

混凝土所用各种原材料的品质，直接关系着混凝土的各项技术性质，当原材料改变时，混凝土的配合比也应随之变动，否则不能保证混凝土达到与原来同样的技术性质。为此，在设计混凝土配合比之前，一定要做好调查研究工作，必须预先掌握下列资料情况：

1.了解工程设计要求的混凝土强度等级，以便确定混凝土配制强度及强度标准差。

2.了解工程所处环境对混凝土耐久性的要求，以便确定所配混凝土的最大水灰比和最小水泥用量。

3.了解结构构件断面尺寸及钢筋配置情况，以便确定混凝土骨料的最大粒径。

4.了解混凝土施工方法，以便选择混凝土拌合物坍落度。

5.掌握各原材料的性能指标：

（1）水泥与掺合料。应掌握其品种、强度等级、密度、堆积密度等性能指标。

（2）砂、石骨料。应掌握其品种规格、表观密度、堆积密度、级配、石子最大粒径等。

（3）混凝土拌合用水。要了解水质情况。

（4）混凝土外加剂。应掌握混凝土外加剂的品种、性能、适宜掺量等技术资料。

以上资料有的由设计者提出要求，有的由施工单位提供数据，或可经测试而得。

（三）混凝土配合比设计的依据

1.混凝土配合比设计基本参数确定的原则

水灰比、单位用水量和砂率是混凝土配合比设计的三个基本参数，它们与混凝土各项性质之间有着非常密切的关系，因此，混凝土配合比设计主要是正确地确定出这三个参数，才能保证配制出满足上述四项基本要求的混凝土。

混凝土配合比设计中确定三个参数的原则是：在满足混凝土强度和耐久性的基础上，确定混凝土的水胶比；在满足混凝土施工要求的和易性基础上，根据粗骨料的种类和规格确定混凝土的单位用水量和外加剂掺量；砂率以砂在骨料中的数量填充石子空隙后略有富余的原则来确定。

2.混凝土配合比设计的算料基准

混凝土配合比设计以计算1 m³混凝土中各材料用量为基准，计算时其中骨料以干燥状态为准。所谓干燥状态的骨料系指细骨料含水率小于0.5%，粗骨料含水率小于0.2%。如需以饱和面干骨料为基准进行计算时，则应作相应的修改。

由于混凝土外加剂的掺量一般甚少，故在计算混凝土体积时，外加剂的体积可忽略不计，在计算混凝土表观密度时，外加剂的质量也可忽略不计。

（四）普通混凝土配合比设计的方法与原理

普通混凝土配合比设计的方法有体积法（又称绝对体积法）和质量法（又称假定容重法）两种，其中体积法为最基本的方法。这两种方法的基本原理如下：

1.体积法的基本原理

混凝土配合比设计体积法的基本原理是：假定刚浇捣完毕的混凝土拌合物的体积，等于其各组成材料的绝对体积及其所含少量空气体积之和。若以V_h、V_b、V_w、V_s、V_g、V_k分别表示混凝土、胶凝材料、水、砂、石、空气的体积，则体积法原理可用公式表达为

若在1 m³混凝土中，以m_b0、m_w0、m_s0、m_g0分别表示混凝土中的胶凝材料、水、砂、石的用量（kg），并以ρ_b、ρ_w、ρ_0s、ρ_0g分别表示胶凝材料、水的密度及砂、石的表观密度，又设混凝土拌合物中含空气体积百分数为α，则上式可改写为

式中　α——混凝土含气量的百分数（%），在不使用引气型外加剂时，可取α＝1。

2.质量法的基本原理

普通混凝土配合比设计质量法的基本原理是：当混凝土所用原材料比较稳定时，则所配制的混凝土其表观密度（ρ^0c）将接近一个恒值，这样若预先假定出1 m³新拌混凝土的质量，就可建立下列关系式：

每立方米混凝土的假定质量（m_cp）可根据本单位积累的试验资料确定，如缺乏资料，可根据骨料的表观密度、粒径以及混凝土强度等级，在2　400～2　450 kg范围内选定。

二、混凝土配合比设计步骤

进行混凝土配合比设计时，首先按照要求的技术指标初步计算出“计算配合比”；然后经试验室试拌和调整，得出“试拌配合比”；在试拌配合比的基础上经强度复核，定出“试验室配合比”。最后根据现场原材料的实际情况（如砂、石含水等）修正“试验室配合比”，得出“施工配合比”。

（一）混凝土计算配合比的计算步骤

1.确定混凝土配制强度（f_cu，0）

根据上节讨论，在已知混凝土设计强度（f_cu，k）和混凝土强度标准差（σ）时，则可由下式计算求得混凝土要求的配制强度（f_cu，0），即

2.确定水胶比（W／B）

根据混凝土配制强度（f_cu，0）及所用胶凝材料28 d胶砂抗压强度（f_b），则可由混凝土强度经验公式求得所要求的水胶比值，即

式中　f_b——无法实测时，可按下式计算：

式中　γ_f、γ_s——分别为粉煤灰影响系数、粒化高炉矿渣影响系数，由JGJ　55—2011确定；

　γ_c、f_ce，g——分别为水泥强度等级的富裕系数和水泥强度等级值，对32.5、42.5、52.5级水泥，γ_c分别取1.12、1.16和1.10；

　α_a、α_b——回归系数，对碎石分别为0.53和0.20；对卵石分别为0.49和0.13。

如计算所得水胶比值大于表6－31规定的最大水胶比时，应取表中规定的最大水胶比值。

3.确定混凝土拌合用水量（m_w0）和外加剂用量（m_a0）

（1）混凝土拌合物的单位用水量（m_w0），可根据所用粗骨料的种类、最大粒径及施工要求的坍落度值，按表6－26规定的值选用。

掺外加剂时，混凝土减水率为β，1 m³混凝土用水量可按下式算得：

（2）由于外加剂掺量（m_a0）是以占胶凝材料质量百分数计，故在已知胶凝材料用量（m_b0）及外加剂适宜掺量（β_a）时，可按下式算得，即

4.计算胶凝材料、矿物掺合料和水泥用量

（1）混凝土中的用水量选定之后，即可根据已求出的水胶比（W／B）值计算每立方米混凝土的胶凝材料用量（m_b0），即

如计算所得的胶凝材料用量小于表6－31规定的最小胶凝材料用量值时，应取表中规定的最小胶凝材料用量值。

（2）选定矿物掺合料掺量（β_f）后，每立方米混凝土中的矿物掺合料用量（m_f0）按下式计算：

（3）每立方米混凝土中的水泥用量（m_c0）按下式计算：

5.确定合理砂率值（β_s）

混凝土合理砂率值可根据所用粗骨料的种类、最大粒径及已求出的混凝土水胶比值，按表6－27中的规定选用。

6.计算砂、石用量（m_s0、m_g0）

在已掌握原材料性能指标及已知砂率的情况下，粗、细骨料的用量可用体积法求得。具体按下列关系式计算：

在上述关系式中，可取ρ_w＝1000 kg／m³。

当已假定混凝土的表观密度ρ_0c时，粗、细骨料的用量可按质量法求得。因1 m³混凝土拌合物的质量即为其表观密度，故计算时可直接写为

联立以上两方程，即可求粗、细骨料的用量。

7.写出混凝土计算配合比

混凝土配合比有两种表示方法，一是直接以1 m³混凝土中各种材料的用量来表示；另一种是以混凝土各组成材料间的质量比例关系来表示，其中以胶凝材料质量为1。如水泥∶粉煤灰∶砂∶石＝

（二）混凝土配合比的试配与确定

按以上方法算得的混凝土计算配合比，它不能直接用于工程施工，在实际施工时，应采用工程中实际使用的材料进行试配，经调整和易性、检验强度等后方可用于实际施工。

1.混凝土配合比的试配与调整

混凝土试配时应采用工程中实际使用的原材料，混凝土的搅拌方法也应与生产时使用的方法相同。

试配时，每盘混凝土的数量应不少于表6－35的规定值。当采用机械搅拌时，拌合量应不小于搅拌机额定搅拌量的四分之一。

表6－35　混凝土立方体试件的边长和试配的最小搅拌量

混凝土配合比试配调整的主要工作如下：

（1）混凝土拌合物和易性调整

按计算配合比进行试拌料，用以检定拌合物的性能。如试拌料得出的拌合物坍落度（或维勃稠度）不能满足要求，或黏聚性和保水性能不好时，则应在保证水胶比不变的条件下相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。然后提出供混凝土强度试验用的基准配合比。

（2）混凝土强度检验

进行混凝土强度检验时至少应采用三个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水胶比值，应较基准配合比分别增加和减少0.05，其用水量与基准配合比基本相同，砂率值可分别增加或减小1%。若发现不同水胶比的混凝土拌合物坍落度与要求值相差超过允许偏差时，可适当增、减用水量进行调整。

制作混凝土强度试件时，尚应检验各组混凝土拌合物的坍落度或维勃稠度、黏聚性、保水性及拌合物表观密度，并以此结果作为代表相应组混凝土拌合物的性能。

为检验混凝土强度等级，每种配合比应至少制作一组（三块）试件，并经标准养护28 d试压。混凝土立方体试件的边长不应小于表6－35的规定。

2.实验室配合比的确定

（1）确定混凝土初步配合比

根据试验得出的各胶水比及其相对应的混凝土强度关系，用作图或计算法求出与混凝土配制强度（f_cu，0）相对应的灰水比值，并按下列原则确定每立方米混凝土的材料用量：

用水量（m_w）——取基准配合比中的用水量，并根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度，进行调整；

胶凝材料用量（m_c）——取用水量乘以选定出的胶水比计算而得；

粗、细骨料用量（m_s、m_g）——取基准配合比中的粗、细骨料用量，并按定出的胶水比进行调整。

至此，得出混凝土初步配合比。

（2）确定实验室混凝土配合比

在确定出初步配合比后，还应进行混凝土表观密度校正，其方法为：首先算出混凝土初步配合比的表观密度计算值（ρ_0c计算），即

再用初步配合比进行试拌混凝土，测得其表观密度实测值（ρ_0c实测），然后按下式算出校正系数δ，即

当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，则上述得出的初步配合比即可确定为混凝土的正式配合比设计值。若二者之差超过2%时，则须将初步配合比中每项材料用量均乘以校正系数δ值，即为最终定出的混凝土正式配合比设计值，通常也称实验室配合比。

（三）混凝土施工配合比换算

混凝土实验室配合比计算用料是以干燥骨料为基准的，但实际工地使用的骨料常含有一定的水分，因此必须将实验室配合比进行换算，换算成扣除骨料中水分后、工地实际施工用的配合比。其换算方法如下：

设施工配合比1 m³混凝土中胶凝材料、水、砂、石的用量分别为；并设工地砂子含水率为a%，石子含水率为b%。则施工配合比1 m³混凝土中各材料用量应为

施工现场骨料的含水率是经常变动的，因此在混凝土施工中应随时测定砂、石骨料的含水率，并及时调整混凝土配合比，以免因骨料含水量的变化而导致混凝土水胶比的波动，从而将对混凝土的强度、耐久性等一系列技术性能造成不良影响。

三、混凝土配合比设计实例

【例6－1】　某框架结构工程现浇钢筋混凝土梁，环境作用等级为Ⅰ－A级，设计使用寿命为100年，混凝土设计强度等级为C40，施工采用泵送浇筑，机拌机振，混凝土坍落度要求为180～200 mm，并根据施工单位历史资料统计，混凝土强度标准差σ＝5 MPa。所用原材料情况如下：

42.5级普通硅酸盐水泥，密度为3000 kg／m³；Ⅰ级粉煤灰，密度为2　250 kg／m³；中砂，级配合格，表观密度2　650 kg／m³；石灰岩碎石：5～31.5 mm，级配合格，表观密度2　700 kg／m³；外加剂为聚羧酸类高性能减水剂（液体），含固量为20%，适宜掺量为0.8%。试求：

1.混凝土计算配合比。混凝土掺加聚羧酸类高性能减水剂的目的是为了既要使混凝土拌合物和易性有所改善，又要能节约水泥用量，求此掺减水剂混凝土的配合比；

2.经试配制混凝土的和易性和强度等均符合要求，无需作调整。又知现场砂子含水率为3%，石子含水率为1%，试计算混凝土施工配合比。

解：1.求混凝土计算配合比。

（1）确定混凝土配制强度（f_cu，0）：

（2）胶凝材料28 d胶砂强度（f_b）计算：

由JGJ　55—2011表5.1.3查得Ⅰ级粉煤灰影响系γ_f为0.85，42.5级普通硅酸盐水泥f_ce，g为42.5 MPa，其富余系数γ_c为1.16，则

（3）确定水胶比（W／B）：

由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，故按表6－31可取水胶比值为0.42。

（4）确定用水量（m_w）：

查表6－26，对于最大粒径为31.5 mm的碎石混凝土，当坍落度为90 mm时，1 m³混凝土的用水量可选用m_w0＝205 kg，现要求坍落度为180～200 mm，按标准坍落度每增大20 mm需增加5 kg用水量，故需要增加25 kg／m³，即实际需要230 kg用水量。由于掺入聚羧酸类高性能减水剂0.8%，减水率为30%，混凝土含气量α为2.5%。故实际用水量为

（5）计算胶凝材料用量（m_b0）：

按表6－31，对于100年设计使用年限的Ⅰ－A级环境的钢筋混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量满足要求。

（6）粉煤灰掺量：m_f＝383×20%＝76.6 kg／m³。

（7）水泥用量：m_c＝383（1－20%）＝306.4 kg／m³。

（8）减水剂用量：m_a＝383×0.8%＝3.06 kg／m³。

（9）确定砂率（β_s）

查表6－27，对于采用最大粒径为31.5 mm的碎石配制的混凝土，当水胶比为0.42时，当坍落度为10～60 mm时，其砂率可选取β_s＝33%（采用插入法选定），坍落度每增大20 mm，砂率可增大1%，所以坍落度为180～200 mm的泵送混凝土，其砂率可确定为40%。

（10）计算砂、石用量（m_s0、m_g0）：

用体积法计算，即

解此联立方程，则得：m_s0＝723 kg，m_g0＝1084 kg。

（11）写出混凝土计算配合比：

1 m³混凝土中各材料用量为水泥306.4 kg，粉煤灰76.6 kg，水161 kg，砂723 kg，碎石1084 kg。以质量比表示即为：

水泥∶粉煤灰∶砂∶石＝0.8∶0.2∶1.89∶2.83，W／B＝0.42，减水剂用量为0.8%。

2.换算成施工配合比。

设施工配合比1 m³混凝土中水泥、粉煤灰、砂、石、水、减水剂等各材料用量分别为、，则