配合比参数对混凝土性能的影响

张辉，李志英，李国宏，王丽君

（1. 舞阳县建设工程质量监督站，河南　舞阳　462400；2. 舞阳县建安建设工程检测有限责任公司，河南　舞阳　462400；3. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南　舞阳　462400）

配合比参数对混凝土性能的影响

张辉1，李志英2，李国宏3，王丽君1

（1. 舞阳县建设工程质量监督站，河南舞阳462400；2. 舞阳县建安建设工程检测有限责任公司，河南舞阳462400；3. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南舞阳462400）

本文试验分析了胶凝材料用量、水胶比和砂率三个参数的变化，对混凝土的性能的影响。找出各自对混凝土性能影响的规律，便于混凝土配合比设计时提高混凝土的性能。本文通过几个简单的试验，分别探讨配合比参数对混凝土性能的影响，供大家借鉴、参考。

混凝土拌合物；单位用水量；水胶比

混凝土是应用最广泛、最大宗的建筑材料，在整个土木工程建筑和基础建设中起着不可替代的作用。混凝土配合比设计参数关系着混凝土质量，是影响其性能的关键因素。

1　配合比参数对混凝土性能的重要性

混凝土配合比设计必须遵循的四个基本原则是：强度、耐久性、工作性和经济性。混凝土配合比设计的这四个基本原则相互影响、相互制约，牵一发而动全身。混凝土配合比参数是影响强度、耐久性、工作性和经济性的关键因素，配合比参数主要包括胶凝材料用量、水胶比和砂率，这三个参数与混凝土配合比设计的四个原则构成混凝土配合比设计的“四原则、三要素”。

水胶比的大小直接影响混凝土的强度和耐久性，砂率对混凝土工作性产生重要的影响，胶凝材料用量的大小不仅影响到混凝土的耐久性也关系到混凝土的经济性。本文主要探究胶凝材料、水胶比和砂率三个重要参数的变化对混凝土性能的影响。

2　试验所用原材料

（1）水泥

登封市“嵩基”P·O42.5，密度3000kg/m3，其它性能见表1。

表1　水泥的物理与力学性能

（2）粉煤灰

许昌“金龙源”Ⅱ级粉煤灰，密度22003kg/m3，其它性能见表2。

表2　粉煤灰性能

（3）石子

舞钢市矿山碎石，其性能指标见表3和表4。

（4）砂

平顶山市鲁山县河砂，含泥量为2%，筛分指标见表5。

（5）减水剂

脂肪族复合高效减水剂，其性能指标见表6。

表3　舞钢5～25碎石性能指标

表4　舞钢5～25碎石筛分情况表

表5　河砂颗粒级配

表6　减水剂性能指标

3　试验结果与分析

3.1单位胶凝材料用量对混凝土性能的影响

在保持水胶比和砂率不变的情况下，通过调整减水剂用量使混凝土坍落度控制在 (200±10)mm 内，胶凝材料分别选取360kg/m3、380kg/m3、400kg/m3、420kg/m3、440kg/m3和460kg/m3六个不同用量进行混凝土试验。该试验混凝土配合比见表7，混凝土的力学性能、收缩、抗氯离子渗透性、抗渗性和碳化性试验结果见表8。

表7　胶凝材料对混凝土性能影响的试验配合比

通过试验结果表8可以看出：

（1）在保持水胶比和砂率不变的前提下，当混凝土胶凝材料用量超过380kg/m3时，随着混凝土单方胶凝材料用量的增加，其混凝土抗压强度有所降低，均低于混凝土胶凝材料用量380kg/m3时的28d 抗压强度。其原因是在水胶比和砂率不变的情况下，混凝土拌合物随着胶凝材料用量的增加，单位体积的骨料体积逐渐减小，导致混凝土内部总的孔隙率增加，进而造成混凝土强度的降低。但从表8的试验结果来看，胶凝材料用量的变化引起的强度差异在3～4MPa，对混凝土28d 抗压强度影响并不是很大。

（2）在保持水胶比和砂率不变的情况下，随着单方胶凝材料用量的增加，混凝土的干缩率逐渐增大。其原因是混凝土的干缩主要产生于胶凝材料的干缩，由于水胶比和砂率不变，随着胶凝材料的增加，混凝土的用水量也随之增加，造成单位体积内混凝土的骨料体积降低。由于骨料体积的降低，造成对胶凝材料收缩的抑制作用也随之减少。因而，在水胶比和砂率不变的情况下，混凝土的干缩随着胶凝材料用量的增加而逐渐增加，但增加的幅度较小。

（3）在水胶比和砂率保持不变的情况下，随着混凝土单位胶凝材料用量的增加，在混凝土抗渗试验压力达到1.4MPa时，各混凝土试件均没有出现渗水现象。对混凝土试件破型后发现，随着胶凝材料用量的增加，混凝土试件的最大渗水高度逐渐增加。从试验结果来看，在保持水胶比和砂率不变的情况下，随着单位胶凝材料用量的增加，混凝土的抗渗性能逐渐变差。

（4）在保持水胶比和砂率不变的情况下，① 单位胶凝材料用量的变化，对混凝土的氯离子扩散系数 D 并没有明显的、规律性的变化。从试验结果可以得出结论，在保持水胶比和砂率不变的情况下，改变胶凝材料用量的变化对混凝土的抗 Cl-渗透性能影响不大。② 随着胶凝材料的增加，同龄期的混凝土碳化深度逐渐降低。其原因是因为，在水胶比和砂率不变的情况下，随着混凝土单位胶凝材料用量的增加，混凝土单位体积反应生成的 Ca(OH)2含量也随着胶凝材料用量的增加逐渐增大，增加了混凝土的总碱性物质 Ca(OH)2的量，这对混凝土抗碳化性能起到增强作用。因此，随着胶凝材料用量的增加，同龄期混凝土的碳化深度呈降低趋势。

表8　胶凝材料用量对混凝土性能影响

3.2水胶比对混凝土性能的影响

从表8的试验结果可以看出，在水胶比和砂率不变的情况下，混凝土的性能随着胶凝材料用量的增加而呈现出不同的变化情况。水胶比作为混凝土配合比的一个重要参数，其变化也必然引起混凝土性能的变化。为探究水胶比对混凝土性能的影响，胶凝材料用量选择为380kg/m3，粉煤灰掺量为20%，砂率42%，选取 0.40、0.42、0.44、0.46、0.48、0.50和 0.55七个水胶比，通过调整减水剂的用量控制坍落的变化范围为 (200±10)mm（配合比见表9）。对混凝土的抗压强度、干缩、抗氯离子渗透性、抗渗性和碳化性能进行试验，其试验结果见表10。

表9　水胶比变化对混凝土性能影响试验配合比

从表10 的试验结果可以看出：

（1）在保持其他因素不变的情况下，混凝土的抗压强度随着水胶比的增加而逐渐降低，混凝土水胶比是影响混凝土抗压强度的直接因素，也是主要因素。

（2）在保持胶凝材料用量、砂率、矿物掺合料掺量不变的情况下，随着水胶比的增加，混凝土同龄期的干缩率逐渐增加。其原因是混凝土的干缩是由于其水分的蒸发而引起的，而混凝土早期的干缩率随水胶比的增加而增加，但其变化的幅度不大；混凝土后期（28d）干缩率随着水胶比的增加而增加，其变化的幅度较大。这是因为混凝土早期可供蒸发的自由水含量比较充分。

（3）在保持混凝土胶凝材料用量、砂率和矿物掺合料掺量不变的情况下，随着水胶比的增加，混凝土的抗渗性能逐渐变差。其原因是混凝土的水胶比增大，胶凝材料水化产物不能有效填充混凝土水份蒸发形成的毛细孔，使混凝土浆体中存在较多的毛细空隙。而混凝土的抗渗性首先取决于混凝土浆体的毛细孔的多少，包括空隙的尺寸、分布和连通性，混凝土孔隙率越大，抗渗性能越差。因此，混凝土的水胶比越大，孔隙率也越大，其渗透性越好，混凝土的抗渗性能也就越差。当混凝土的水胶比超过 0.46时，混凝土的抗渗等级便不能满足 P12的要求。

表10　水胶比变化对混凝土性能的影响

（4）在保持混凝土胶凝材料用量、砂率和矿物掺合料掺量不变的情况下，① 随着水胶比的增加，混凝土的相对氯离子扩散系数 D 也不断增加。试验结果表明，混凝土抵抗 Cl-渗透的能力与混凝土的水胶比有直接的关系，水胶比变大混凝土的抵抗 Cl-渗透的能力逐渐降低。② 混凝土的抗碳化性能随着水胶比的增大而逐渐降低。其原因是在保持混凝土胶凝材料用量、砂率和矿物掺合料掺量不变的情况下，随着混凝土的水胶比增加，混凝土内部的孔隙率也随之增大，CO2的扩散速度加快，这是使混凝土碳化速度加快的一个主要原因。

3.3砂率对混凝土性能的影响

砂率是混凝土配合比中一个重要的参数，其大小关系到粗细骨料的比例大小，混凝土砂率的变化对混凝土的工作性及硬化后的性能均能产生很大的影响。为了探究砂率对混凝土性能的影响，本试验混凝土的胶凝材料用量为380kg/m3，粉煤灰掺量为20%，水胶比保持不变，通过调整减水剂用量保持混凝土坍落度在 (200±10)mm 范围内变化，混凝土的砂率取36%、38%、40%、42% 和44%，其配合比见表11。砂率对混凝土的力学性能、干缩、抗氯离子渗透性、抗渗性和碳化性能的试验结果见表12。

表11　砂率对混凝土性能影响试验配合比

从表12的试验结果可以看出：

（1）在混凝土胶凝材料用量、矿物掺合料掺量和水胶比不变的情况下，减水剂的用量随着砂率的增加而变大，其原因是随着混凝土砂率的增加，混凝土骨料的比表面积也逐渐增加，为达到试验要求的坍落度 (200±10)mm，混凝土拌合物所需的减水剂用量逐渐增加。从表12可以看出，混凝土的28d 抗压强度随着砂率的增加呈先增大后减小的变化趋势，试验结果表明混凝土存在一个最佳砂率。砂率较小时，混凝土的砂浆量不能有效填充粗骨料之间的空隙，也不能对粗骨料表面形成有效的包裹，导致混凝土的密实性降低，进而影响混凝土强度；砂率过大时，在相同胶凝材料用量的情况下，随着砂率的增加，骨料的比表面积增加，包裹在骨料表面的浆体变薄，造成混凝土骨料见的粘结力下降，混凝土强度有所降低。

（2）随着混凝土砂率的增大，混凝土的干缩率也不断增大。其原因是混凝土砂率增大，混凝土中粗骨料的体积降低，在混凝土中对收缩起主要约束作用的粗骨料的含量降低，导致混凝土的干缩率不断增加。

表12　砂率对混凝土性能的影响

（3）在胶凝材料用量、矿物掺合料掺量和水胶比不变的情况下：① 混凝土的抗渗等级在各砂率条件下均可以达到P12。但混凝土试件的最大渗水高度有所不同，砂率越大混凝土的渗水高度也越大。② 随着砂率的增大，混凝土的相对氯离子扩散系数 D 不断增大，抗 Cl-渗透性能变差。③ 砂率对混凝土的抗碳化性能影响不大，混凝土碳化深度的改变依然是由于砂率的改变而引起的水胶比变化造成的。

4　结论

（1）在保持水胶比和砂率不变的前提下：当混凝土胶凝材料用量超过380kg/m3时，随着混凝土单方胶凝材料用量的增加，混凝土抗压强度有所降低；随着单方胶凝材料用量的增加，混凝土的干缩率逐渐增大；随着混凝土单位胶凝材料用量的增加，在混凝土抗渗试验压力达到1.4MPa 时，各混凝土试件均没有出现渗水现象，但混凝土试件的最大渗水高度逐渐增加；单位胶凝材料用量的变化，对混凝土的氯离子扩散系数 D 并没有明显的、规律性的变化；随着胶凝材料的增加，同龄期的混凝土碳化深度逐渐降低。

（2）在保持胶凝材料用量、砂率、矿物掺合料掺量不变的情况下，混凝土的抗压强度随着水胶比的增加而逐渐降低；随着水胶比的增加，混凝土同龄期的干缩率逐渐增加；随着水胶比的增加，混凝土的抗渗性能逐渐变差，当混凝土的水胶比超过 0.46时，混凝土的抗渗等级便不能满足 P12的要求；随着水胶比的增加，混凝土的相对氯离子扩散系数 D也不断增加，水胶比变大混凝土的抵抗 Cl-渗透的能力逐渐降低；混凝土的抗碳化性能随着水胶比的增大而逐渐降低。

（3）在混凝土胶凝材料用量、矿物掺合料掺量和水胶比不变的情况下，减水剂的用量随着砂率的增加而变大；混凝土的28d 抗压强度随着砂率的增加呈先增大后减小的变化趋势；随着混凝土砂率的增大，混凝土的干缩率也不断增大；混凝土的抗渗等级在各砂率条件下均可以达到 P12，但混凝土试件的最大渗水高度有所不同，砂率越大混凝土的渗水高度也越大；随着砂率的增大，混凝土的相对氯离子扩散系数 D不断增大，抗 Cl-渗透性能变差；砂率对混凝土的抗碳化性能影响不大，混凝土的碳化深度的改变依然是由于砂率改变引起的水胶比的变化而造成的。

［通讯地址］河南省舞阳县人民路18号（462400）

张辉（1972—），男，本科，工程师，主要从事混凝土质量检测，商品混凝土公司管理，混凝土耐久性研究及应用。