鑒于當(dāng)前混凝土組分和原材料的變化，傳統(tǒng)的“混凝土配合比設(shè)計(jì)方法”已不適用，但是本人的觀點(diǎn)是混凝土的配合比是不必制定規(guī)范的，重要的是掌握混凝土拌合物配合比的原則，至于具體步驟，應(yīng)當(dāng)相信技術(shù)人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，能滿足具體的工程各項(xiàng)要求的配合比，不同人所作結(jié)果有所不同是很正常的，西方國家提出“performance based specification”[1]的概念是符合混凝土材料特點(diǎn)，符合客觀規(guī)律的。
1 混凝土組成材料、配合比要素與混凝土性質(zhì)的關(guān)系
當(dāng)前混凝土的特點(diǎn)是普遍摻入礦物摻合料和高效減水劑。混凝土中水、水泥、砂、石四種原材料中增加了礦物摻合料，因此傳統(tǒng)的配合比三要素──水灰比、漿骨比、砂石比，就成為水膠比、漿骨比、砂石比和礦物摻合料用量等四要素。配合比中需要求出的未知數(shù)由傳統(tǒng)的4個(gè)變成5個(gè)。最后由各材料在滿足施工要求的前提下緊密堆積的原理，用絕對體積法計(jì)算出各材料用量。不考慮外加劑占據(jù)混凝土的體積，則各組成材料的關(guān)系和性質(zhì)及其作用和影響可用圖1來描述。
由圖1可看出，混凝土配合比四要素都影響拌合物與硬化混凝土性能，當(dāng)決定混凝土強(qiáng)度和密實(shí)性的水膠比確定之后，所有要素都影響拌合物施工性能。施工是保證混凝土質(zhì)量的最后的和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，則考慮漿體濃度的因素、按拌合物的施工性能選擇拌合物的砂石比與漿骨比，就是混凝土配合比選擇的主要因素。其中漿骨比是保證硬化前后混凝土性能的核心因素。無論是改變水膠比，還是礦物摻合料用量，調(diào)整配合比時(shí)應(yīng)使用等漿體體積法，以保持漿骨比不變。
我國混凝土年產(chǎn)量可占到全世界的一半，質(zhì)量卻相對落后。例如，全世界只有我國使用“假定容重法”計(jì)算混凝土配合比，也只有我國使用絕干基的砂石生產(chǎn)混凝土，造成我國混凝土質(zhì)量控制的困難。
2 當(dāng)前我國混凝土配合比計(jì)算存在的問題及建議
2.1 存在問題
2.1.1 假定容重法
“假定密度法”本來是在絕對體積法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的?；炷僚浜媳鹊脑硎前凑?m3混凝土拌合物由各原材料緊密堆積而成，即1m3混凝土體積等于各原材料絕對密實(shí)體積之和（ 即不計(jì)各原材料內(nèi)部孔隙）。過去水泥、砂石的表觀密度變化不大，所配制混凝土的表觀密度變化也不大，因此為了簡化試配，對水灰比為0.5左右的混凝土假定表觀密度為2 400kg/m3，對高強(qiáng)混凝土假定表觀密度為2 450kg/m3，試拌后實(shí)測差別不大。但是如今普遍使用較大摻量的礦物摻合料，例如粉煤灰表觀密度為1.90~2.40g/cm3，磨細(xì)礦渣表觀密度約為2.60g/cm3，與水泥表觀密度的3.0g/cm3左右相比相差就大了，按上述假定的表觀密度計(jì)算，則體積都會大于1m3，摻合料越多，大得越多。因此從根本上，還是應(yīng)當(dāng)使用絕對體積法。當(dāng)然，正如任何方法都有一定的假設(shè)，絕對體積法的假設(shè)是忽略水泥水化所減少的那部分水的體積，但是，混凝土在新拌狀態(tài)時(shí)，這部分水相對于混凝土的總體積來說是很少的。為了彌補(bǔ)這部分忽略水的體積，建議用絕對體積法計(jì)算時(shí)，不必計(jì)入攪拌式挾入的孔隙體積。
2.1.2 等水膠比法
摻礦物摻合料后的水膠比與未摻礦物摻合料時(shí)的水灰比值相同，即簡單等量取代。因礦物摻合料密度小，使?jié){體體積變大，即漿骨比增大，例如，假定普通水泥密度為3.0g/cm3，粉煤灰密度為2.2g/cm3，當(dāng)以粉煤灰簡單取代30%的水泥時(shí)，漿體體積就會增加37 L。水泥加水硬化后的體積收縮是混凝土的特性之一，加入骨料制成混凝土后，由于骨料的溫度變形系數(shù)比硬化水泥漿體的溫度變形系數(shù)小一半多，則對混凝土起穩(wěn)定體積的作用。漿骨比越小，硬化混凝土收縮值越??；漿骨比增大勢必會對混凝土的體積穩(wěn)定性有影響。此外，因粉煤灰反應(yīng)速率和反應(yīng)率低，混凝土早期漿體水灰比增大。例如假定有一原水灰比為0.57的混凝土，如果用粉煤灰簡單取代30%的水泥，水膠比仍為0.57，忽略粉煤灰表面吸附水，則早期水灰比就會增大到0.81，同時(shí)混凝土強(qiáng)度肯定下降；為了保持混凝土強(qiáng)度不變，將水膠比降至0.5，則早期水灰比仍有0.71。這樣大的水灰比就會造成早期較大的孔隙率。
因此，摻粉煤灰時(shí)，不能采用不變的等水膠比，必須降低水膠比才能發(fā)揮粉煤灰的作用。
2.1.3 摻用粉煤灰的超量取代法
由于對礦物摻合料的不了解，混凝土的設(shè)計(jì)與工程質(zhì)量管理人員限制礦物摻合料的摻量，于是有關(guān)配合比的規(guī)范中提出粉煤灰的“超量取代法”，即，在能被接受的摻量范圍取代水泥，另多摻一部分取代砂子。這只是一種計(jì)算而已，在數(shù)量上“代砂”，實(shí)際上因?yàn)榧?xì)度量級的差別在功能上粉煤灰并不是砂，不可能“代砂”，仍然是膠凝材料，卻因?yàn)椤俺俊倍兿嘣黾訚{體含量、減小水膠比，但是，在形式上，并未公開實(shí)際的粉煤灰摻量和實(shí)際的水膠比，在客觀上起了遮人耳目的作用。水膠比是混凝土配合比的三要素之一，在原材料相同的情況下，影響混凝土強(qiáng)度的主要因素是有效拌合水與包括水泥在內(nèi)的全部粉細(xì)料的比值，即水膠比。即使摻入傳統(tǒng)意義上的惰性材料如磨細(xì)石英砂等石粉，超量取代法不能用的原因，還在于對水膠比界定的混亂。例如有的攪拌站在膠凝材料中不計(jì)入超量取代的部分，聲稱摻粉煤灰前后的水灰比不變。已有實(shí)例表明，這種做法使得工程中出現(xiàn)問題時(shí)，無法從所報(bào)的配合比上分析原因。有人認(rèn)為摻粉煤灰后的混凝土抗裂性改善不明顯，漿骨比增大是其原因之一。建議今后不要再采用這種實(shí)際上增加漿骨比的計(jì)算方法。
2.1.4 等水灰比法
基于某些人對水泥認(rèn)識的局限性，把水泥廠生產(chǎn)的混合材水泥叫做水泥，而在攪拌站生產(chǎn)混凝土?xí)r摻的礦物摻合料不算在水泥中，簡單地保持水灰比不變，減小用水量，降低水膠比，希望以此保證混凝土強(qiáng)度不變，但是這種做法的結(jié)果是水膠比將過大，實(shí)際強(qiáng)度會超過期望值。以粉煤灰為例，如果摻入粉煤灰后仍保持水灰比不變，則需降低水膠比。粉煤灰摻量越大，水膠比需降低越多。例如，假定所用水泥密度為3.1g/cm3，原始（FA 摻量為0）水灰比為0.50，當(dāng)密度為2.4g/cm3的粉煤灰摻量為30%時(shí)，使水灰比不變的水膠比應(yīng)為0.40，依此類推，粉煤灰摻量為40% 時(shí)，水膠比應(yīng)為0.30。這是忽略了粉煤灰表面吸附水而計(jì)算出來的。實(shí)際上由于粉煤灰表面對水的吸附，自由水并不像計(jì)算的那樣大，則所需水膠比可以更大些。同時(shí)，這種方法的粉煤灰摻量是按等質(zhì)量取代水泥摻入的，總膠凝材料質(zhì)量不變，但因粉煤灰密度比水泥的小，粉煤灰摻量越大，總膠凝材料體積越大，水膠比降得太低時(shí)，會影響拌合物的施工性，就需要增加用水量（同時(shí)按水膠比增加膠凝材料用量），不僅會增加試配工作量，還會因漿骨比增大而影響混凝土的體積穩(wěn)定性。
2.1.5 對骨料顆粒級配與粒形要求的忽略
骨料在混凝土中起骨架作用，主要穩(wěn)定體積。即使采石場生產(chǎn)的石子經(jīng)過嚴(yán)格的級配，銷售時(shí)經(jīng)過裝料、運(yùn)輸中的顛簸和卸料，再加上生產(chǎn)混凝土?xí)r的投料，就會大小顆粒分離而重新分布，失去級配。因此絕大多數(shù)國家配制混凝土所用的石子都采用兩級配或三級配。例如德國，還在混凝土試配時(shí)就將砂石一起連續(xù)地級配。我國目前市場供應(yīng)的石子由于生產(chǎn)工藝落后，也由于大多數(shù)生產(chǎn)者的無知，無視砂石標(biāo)準(zhǔn)。號稱連續(xù)級配，實(shí)際上小于10 mm 的顆粒極少，幾乎沒有。而且由于我國砂石標(biāo)準(zhǔn)中對針、片狀尺寸顆粒限定要求過寬（實(shí)際上是遷就落后），使石子的粒形很差。
已故我國老專家蔡正詠在20世紀(jì)80年代初就說過：我國混凝土質(zhì)量不如西方國家的，原因就是石子質(zhì)量太差。但是那時(shí)我國石子隨機(jī)取樣的松堆空隙率一般都在40%～42%，而理想粒形和級配的石子空隙是約38%?，F(xiàn)在，我國市售石子空隙率已達(dá)45%以上，甚至超過50%！這就使我國混凝土的水泥用量和用水量比西方國家混凝土水泥用量和用水量約多用20%。已經(jīng)有一些攪拌站或工程采用了兩級配的石子，混凝土的水泥用量可減少約20%。
然而，因?qū)ι笆|(zhì)量的無奈，目前絕大多數(shù)混凝土的生產(chǎn)不對骨料提要求，混凝土配合比規(guī)范和砂石標(biāo)準(zhǔn)也基本上是遷就落后的現(xiàn)狀，造成混凝土無法保證應(yīng)有的質(zhì)量。按市場經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，產(chǎn)品的品質(zhì)都是根據(jù)市場需求生產(chǎn)的，符合顧客的要求才能賣得出去?，F(xiàn)在沒有合格砂石的供應(yīng)，其根源就是買的人對砂石質(zhì)量的重要性認(rèn)識不足。典型的是過去在制定砂石應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在所規(guī)定的級配要求表格之下居然會說明：如級配不合格，實(shí)驗(yàn)證明不影響施工，也可使用。( 那么還有必要定標(biāo)準(zhǔn)嗎？只要無限制地增加水泥漿體含量就能做到啊！)
2.2 建議
（1）鑒于當(dāng)前混凝土組分的變化，進(jìn)行混凝土配合比的計(jì)算的假定密度法不再適用，建議改用絕對體積法。
（2）以單粒級石子進(jìn)行兩級配或三級配，生產(chǎn)時(shí)分級投料，可得到滿足施工要求的最小漿體總量，有利于工程的經(jīng)濟(jì)性和耐久性。
（3）當(dāng)?shù)V物摻合料摻量改變時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用等漿體體積法調(diào)整混凝土配合比，以保持混凝土的穩(wěn)定性。
3 確定混凝土配合比的原則
按具體工程提供的《混凝土技術(shù)要求》選擇原材料和配合比：
（1）注重骨料級配和粒形，按最大松堆密度法優(yōu)化級配骨料，但級配后空隙率應(yīng)不大于42% ；
（2）按最小漿骨比（即最小用水量或膠凝材料總量）原則，盡量減小漿骨比，根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級和最小膠凝材料總量的原則確定漿骨（體積）比，按選定的漿骨比得到1m3 混凝土拌合物漿體體積和骨料體積；計(jì)算骨料體積所使用的密度應(yīng)當(dāng)是飽和面干狀態(tài)下所測定的；
（3）按施工性要求選擇砂石比，按《混凝土性能技術(shù)要求》中的混凝土目標(biāo)性能確定礦物摻合料摻量和水膠比；
（4）分別按絕對體積法用漿體體積計(jì)算膠凝材料總量和用水量；用骨料體積計(jì)算砂、石用量。調(diào)整水膠比時(shí)，保持漿體體積不變。根據(jù)工程特點(diǎn)和技術(shù)要求選擇合適的外加劑，用高效減水劑摻量調(diào)整拌合物的施工性；
（5）由于水泥接觸水時(shí)就開始水化，拌合物的實(shí)際密實(shí)體積略小于各材料密度之和，則當(dāng)未摻入引氣劑時(shí)，攪拌時(shí)挾入空氣可按約1% 計(jì)。
4 混凝土配合比選擇步驟的方案之一
4.1 確認(rèn)目標(biāo)
確認(rèn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中《混凝土技術(shù)要求》提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)、條件及各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)：混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型、保護(hù)層最小厚度、所處環(huán)境、設(shè)計(jì)使用年限、耐久性指標(biāo)（根據(jù)所處環(huán)境選擇）、最低強(qiáng)度等級、最大水膠比、膠凝材料最小和最大用量、施工季節(jié)、混凝土內(nèi)部最高溫度（如果有要求）、骨料最大粒徑、拌合物坍落度、一小時(shí)坍落度最大損失（如果有）。
4.2 根據(jù)上述條件選擇原材料
4.3 確認(rèn)原材料條件
（1）水泥：品種、密度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、已含礦物摻合料品種及含量、水化熱、氯離子含量、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間；
（2）石子：品種、飽和面狀態(tài)的表觀密度、松堆密度、石子最大粒徑、級配的比例和級配后的空隙率；
（3）砂子：篩除5mm以上顆粒后的細(xì)度模數(shù)、5mm 以上顆粒含量、飽和面狀態(tài)的表觀密度、自然堆積密度、空隙率、來源；
（4）礦物摻合料：品種、密度、需水量比、燒失量、細(xì)度；
（5）外加劑：品種、濃度（對液體）、其它相關(guān)指標(biāo)（如減水劑的減水率、引氣劑的引氣量、堿含量、氯離子含量、鉀鈉含量等）。
4.4 計(jì)算膠凝材料密度
實(shí)測摻合料一定的膠凝材料密度，或由一定水泥和礦物摻合料的密度計(jì)算膠凝材料密度，如下：
5 混凝土配合比四要素的選擇
5.1 水膠比
對有耐久性要求的混凝土，按照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，由設(shè)計(jì)給出《混凝土技術(shù)要求》中的最低強(qiáng)度等級[2]，按保證率95% 確定配制強(qiáng)度；以最大水膠比作為初步選水膠比，再依次減小0.05～0.1個(gè)百分點(diǎn)取3～ 5個(gè)水膠比試配，得出水膠比和強(qiáng)度的直線關(guān)系，找出上述配制強(qiáng)度所需要的水膠比，進(jìn)行再次試配。或按無摻合料的普通混凝土強(qiáng)度- 水灰比關(guān)系選擇一個(gè)基準(zhǔn)水灰比，摻入粉煤灰后再按等漿骨比調(diào)整水膠比。一般，有耐久性要求的中等強(qiáng)度等級混凝土，摻用粉煤灰超過30%時(shí)（包括水泥中已含的混合材料），水膠比宜不超過0.44。
5.2 漿骨(體積)比
在水膠比一定的情況下的用水量或膠凝材料總量，或骨料總體積用量即反映漿骨比。對于泵送混凝土，可按表1選擇，或按GB/T50746-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》對最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌合物工作性確定，見表1，取盡量小的漿骨比值。水膠比一定時(shí)，漿骨比小的，強(qiáng)度會稍低、彈性模量會稍高、體積穩(wěn)定性好、開裂風(fēng)險(xiǎn)低，反之則相反。
5.3 砂石(體積)比
通常在配合比中的砂石比，以一定漿骨比（或骨料總量）下的砂率表示。對級配良好的石子，砂率的選擇以石子松堆空隙率與砂的松堆空隙率乘積為0.16～0.2為宜。一般，泵送混凝土砂率不宜小于36%，并不宜大于45%。為此應(yīng)充分重視石子的級配，以不同粒徑的兩級配或三級配后松堆空隙率不大于42%為宜。石子松堆空隙率越小，砂石比可越小。在水膠比和漿骨比一定的條件下，砂石比的變動主要可影響施工性和變形性質(zhì)，對硬化后的強(qiáng)度也會有所影響（在一定范圍內(nèi)，砂率小的，強(qiáng)度稍低，彈性模量稍大，開裂敏感性較大，拌合和物粘聚性稍差，反之則相反）。
5.4 礦物摻合料摻量
礦物摻合料的摻量應(yīng)視工程性質(zhì)、環(huán)境和施工條件而選擇。對于完全處于地下和水下的工程，尤其是大體積混凝土如基礎(chǔ)底板、咬合樁或連續(xù)澆注的地下連續(xù)墻、海水中的橋梁樁基、海底隧道底板或有表面處理的側(cè)墻以及常年處于干燥環(huán)境（相對濕度40%以下）的構(gòu)件等，當(dāng)沒有立即凍融作用時(shí)，礦物摻合料可以用到最大摻量（礦物摻合料占膠凝材料總量的最大摻量粉煤灰為50%，磨細(xì)礦渣為75%）；一年中環(huán)境相對濕度變化較大（冷天處在相對濕度為50% 左右、夏季相對濕度70%以上），無化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)一般環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，對斷面小、保護(hù)層厚度小、強(qiáng)度等級低的構(gòu)件（如厚度只有10～15cm）的樓板），當(dāng)水膠比較大時(shí)（如大于0.5），粉煤灰摻量不宜大于20%，礦渣摻量不宜大于30%（均包括水泥中已含的混合材料）。不同環(huán)境下礦物摻合料的摻量選擇見GB/T50746-2008附錄B 和條文說明附錄B。如果采取延長濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間或其他增強(qiáng)鋼筋的混凝土保護(hù)層密實(shí)度的措施，則可超過以上限制。
5.5 試配和配合比的選定
在所選用高效減水劑的推薦摻量的基礎(chǔ)上，按混凝土的施工性調(diào)整為合適的摻量。
在《混凝土技術(shù)要求》最大水膠比的基礎(chǔ)上，依次減小水膠比，選取3～5個(gè)值，計(jì)算各材料用量后 進(jìn)行試配，檢測所指定性能指標(biāo)值，從中選取符合目標(biāo)值的水膠比，再次進(jìn)行試配。
根據(jù)實(shí)測試配結(jié)果得出配合比的拌合物密度，對計(jì)算密度進(jìn)行配合比的調(diào)整。
無論水膠比還是礦物摻合料的變化，都要按等漿體體積法進(jìn)行調(diào)整。
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