高性能混凝土配合比设计分析

武洪强 孙永波

【摘 要】随着我国改革开放和现代化进程的加快，如何保障建筑工程质量，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。而混凝土作为建筑物的主要原材料之一，其产品质量直接影响建筑物的质量及安全。而混凝土配合比设计，则是配制混凝土的基础，是关键。影响混凝土性能的因素有很多，主要包括水泥、砂石、混合材、外加剂等各原材料及水泥与外加剂的适应性。

【关键词】混凝土配合比；适应性

一 概述

在混凝土配合比设计中，考虑了混凝土的流变性能、力学性能、弹性性能、化学性能、干缩、热学性能、颗粒粒径分布等参数及其相关影响因素，并依据这些影响因素进行配合比设计，以确定混凝土的组成材料。

配合比设计过程中，试验室试配条件方面应注意以下几点：

1.养护室，够用时尽量小一些，同时做好保温改造，既能准确地控制环境温湿度，又起到了节能的效果。

2.试验室的设计：必须配置有拌和铁板，排水槽，沉淀池，换气设备（排出烟尘）。

3.标准水泥：由于检测中标准水泥用量大，不宜采用较多。只需购置部分标准水泥置于密封筒中备用。检测可采用满足规范上要求的检测用水泥即可，但其C3A含量应严格控制在6%～8%，否则对相关物理性能的结果影响较大。

二 混凝土配合比设计理论基础及影响因素

混凝土配合比设计，其过程包括两个相关的步骤：（1）选择混凝土的适宜组分（水泥、集料（粗和细）、水及外加剂）；（2）求出它们之间的相应数量比（配合比），使其在满足工作性、强度和耐久性的要求同时尽可能的经济合理。配合比由混凝土组分确定，组分又取决于混凝土的用途，如低收缩混凝土、耐化学腐蚀混凝土等。目前虽然在配合比设计的理论方面已经做了大量的工作，但是基本上仍停留在经验方法的阶段，没有人完全弄清强度设计的机理和影响因素。混凝土配合比设计就是根据工程要求、结构形式和施工条件来确定混凝土的组分，即水泥、集料（砂和石）、水及外加剂的配合比例。

混凝土配合比设计还有一个关键的因素需要在进行设计时就要考虑，即配合比设计时所掺用的混凝土外加剂，特别是针对高性能混凝土，水泥于掺入的外加剂的适应性是是否能配出高性能高强度混凝土的关键因素之一，水泥与外加剂适应时：外加剂在常用掺量下能够达到它自身的使用效果，没有离析和泌水现象，坍落度随时间变化损失相应较小，对混凝土的强度等性能无负面影响。当不适应时会导致混凝土初始坍落度小，坍落度损失快，离析，泌水，外加剂用量增加，甚至会对混凝土的强度和质量产生影响。

由于水泥与混凝土外加剂适应性直接影响到混凝土配合比，在此重点分析下其相关影响因素，主要有以下三点：

1.水泥熟料的矿物组成

水泥的性能主要取决于水泥熟料的质量，优质的水泥熟料应该具有合适的矿物组成和良好的岩相结构。水泥的矿物组成及其比例对减水剂适应性关系非常密切。因此了解矿物组成在水泥中起到的作用有助于我们理解分析水泥与外加剂适应性及混凝土工程质量问题的相关现象。

2.水泥的水化硬化

水泥的水化产物70%左右是（C-S-H），20%左右是（CH），7%左右是（AFt）。C-S-H和AFt形成強力骨架，形成混凝土中的水泥石相。CH一般分布在混凝土中骨料相与水泥相的交界面上，通常称之为界面相。目前国际学术界已公认水泥石-集料界面的粘结性能对混凝土性能，特别是耐久性能影响很大，界面往往是混凝土内部最薄弱的环节。CH在界面的生长具有取向性，形成了界面的薄弱环节。矿物外加剂的加入就是填充混凝土中的微小孔隙，调整界面相强度，如超细粉煤灰、硅灰、矿渣，要发挥起作用进行二次水化发生二次火山灰反应，必须在CH的环境下即高碱环境，而碱含量过高就可能会发生碱骨料反应。

3. 水泥物理——化学性能的影响

吸附顺序C3A>C4AF>C3S>C2S，在高效减水剂掺量相同的情况，C3A和C4AF含量较高的水泥浆体中，减水剂的分散效果较差。水泥的碱含量（上面已提到），石膏的形态，水泥混合材，水泥的细度，水泥的陈化时间，可溶性碱。针对新项目外加剂检测，更注重如何检测出这种不适应性目前常规方法主要有水泥净浆试验、砂浆试验、混凝土试验等方法。

三 混凝土配合比设计的基本概念与步骤

1. 配合比设计的基本参数

a.混凝土的强度——强度等级；

b.混凝土的稠度——坍落度或维勃稠度值；

c.所使用的水泥品种、强度等级及其质量水平，即强度等级富余系数γc

d.粗细集料的品种、最大粒径、细度以及级配情况；

e.可能掺用的外加剂或掺合料；

f.除强度和稠度以外的其他性能要求。

2. 配合比设计的基本原则

配合比设计的原则就是按所采用的材料确定出既能满足工作性、强度及耐久性和其他要求且又经济合理的混凝土各组成部分的用量配比。

a.工作性原则

易于浇注捣实，离析和泌水应该降至最小。

b.强度及耐久性原则

强度要求：某个龄期下的特定强度。

耐久性：如抗冻融性或化学侵蚀性。

配合比的设计应尽可能满足上述所有要求。由于要求多不能同时达到最佳，所以必要时要采用某些折衷的办法（如强度和工作性之间，强度高，加入大量高效减水剂后混凝土变得很粘稠，拌和时就容易粘在铁板上（常说“抓地”），工作性变差）。重要的是，一个“完善”的配合比如果没有正确的浇注、抹面和养护就无法正确的实现其性能。

c.经济性原则

混凝土的成本由材料、人工和设备费用等构成。一般配合比中材料费是非常重要的，水泥比集料贵得多，将水泥用量降至最低（保证强度和其他各种性能的前提下）是降低混凝土造价的唯一最重要因素。途径有：采用切实可行的集料最大粒径；采用最佳砂率；采用外加剂等。

3. 混凝土配合比设计主要依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的相关规定进行。

混凝土配合比设计步骤及相关基本计算

混凝土配合比建议采用重量法，计算较为简便，最终出具的混凝土配合比报告也比较直观。最后根据设计好的配合比进行试配，根据试验的情况对配合比进行调整，最后确定配合比。需要提请注意的是：用水量表和砂率表都是建议参考，并不是强制指标，配合比设计的灵活之处就在于此，也是创新的着手点。根据公式计算出来的水灰比设计的配合比，一般强度富余较高，后期都要进行调整，使得配合比更加经济适用。

以上所介绍的是配合比的基本设计方法、步骤概述及相关注意事项、影响因素等，对于特种材料（如轻集料）混凝土、特种性能混凝土（自密实混凝土）、特种施工方法混凝土（如压力灌浆料）等配合比的设计，都要根据原材料、施工工艺等情况进行进一步的设计确认。

参考文献：

（1）《普通混凝土配合比设计规程》 JGJ55-2011

（2）《混凝土配合比技术》 出版社：湖南科技；作者赖院生、陈远吉