公路工程高性能水泥混凝土配合比设计优化分析

李晋

摘要 为充分发挥公路工程试验工作指导生产和控制质量的关键作用，规范标准配合比设计和施工配合比的优化调整行为，提升水泥混凝土生产过程管理水平，实现提质降本增效，文章对水泥混凝土配合比优化调整的强制要求进行分析。研究表明，标准配合比设计时应充分考虑项目部的实际管理水平、工艺水平、材料质量及设备能力等情况，合理确定混凝土试配强度，对混凝土强度试验数据的数理统计实施分析。

关键词 水泥混凝土；配合比设计；优化

中图分类号 TU528文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0024-03

0 引言

在优化调整混凝土配合比设计时，应熟知每一个试验配合比的设计意图，严密监控各种变化因素，在不违背原配比设计原则的前提下，及时准确地采取相应对策，才能更有利于水泥混凝土稳定生产，确保质量均衡。在标准配合比设计阶段，当项目部计划使用的原材料涉及多个料源厂家时至少准备2个不同的配合比设计；当材料发生变化时，应及时更换配合比，避免影响施工进度[1-3]。

1 水泥混凝土配合比设计优化

高性能混凝土的特点是采用低水胶比的同时，选用优质原料且掺入矿物掺和料和高效外加剂[4-6]。

（1）在混凝土标准配合比和施工配合比设计过程中要充分考虑构件外观质量。

提高混凝土和易性、黏聚性可从骨料级配、砂率、胶凝材料用量等方面入手，减少离析和泌水。當混凝土出现蜂窝、气泡、水波纹、鳞状色斑、孔洞等质量缺陷时，在排除模板、浇筑、振捣、养护等施工因素后[7-9]，配合比可参照表1的解决方法，根据优先级进行调整。

表1 高性能水泥混凝土质量的缺陷及解决方法

序号 质量缺陷 解决方法

1 蜂窝 ①提高浆集比；②提高砂率。

2 水波纹 ①核查实际用水量；

②调整外加剂用量或配方，提高黏聚性。

3 鳞状色斑 ①提高浆集比；

②调整外加剂用量或配方，提高黏聚性。

4 孔洞 ①提高浆集比和砂率；②优化级配。

5 气泡 ①核查细集料含泥量和石粉含量；

②调整外加剂用量，降低振动黏度。

（2）集料的控制。细集料含泥量、石粉含量较标准配合比增大时，通过增加减水剂用量或降低砂率来改善混凝土拌和物工作性。当减水剂调整范围达到胶凝材料总量的±0.2%仍无法满足拌和物工作性能要求时，更换含泥量、石粉含量更低的细集料。粗集料粒径变化较大时重新进行筛分试验。依据单粒粒级筛分结果合成满足要求的连续级配进而确定各档粗集料掺配比例，见表2～3。集料含水率发生变化时[10-12]，材料用量应按照下述方法进行调整：

①当粗集料含水率<0.3%时，含水率可忽略不计。湿法加工的机制砂及河砂等细集料通过试验测定含水率，在保证水胶比和砂率不变的前提下计算施工用细集料质量及施工用水量的调整计算公式如下：

（1）

（2）

式中：ms——细集料质量；m′sb——标准配合比设计细集料质量；ωs——含水率；mw——施工用水质量；m′wb——标准配合比设计施工用水质量。

②粗集料含水率>0.3%时考虑粗集料含水，在保证水胶比和砂率不变的前提下计算施工用粗、细集料质量及施工用水量的调整计算公式如下：

（3）

（4）

（5）

式中：mg——粗集料质量；m′gb——标准配合比设计粗集料质量。

（3）减水剂的控制。每批减水剂进场后，须对减水剂的减水率和减水剂与胶凝材料的相容性进行检测，根据检测结果及时调整减水剂掺量或调整减水剂配方。水泥混凝土的凝结时间受环境温度影响较大，气温升高、气候干燥时，水化热反应加快，混凝土中水分损失大，凝结时间缩短，坍落度经时损失变大；气温降低，水化热反应变慢，凝结时间增加。根据气温变化及时调整掺合料比例并通知减水剂厂家调整减水剂的配方，重新进行配合比验证，确保混凝土工作性能、力学性能、耐久性和经济性满足要求[13-15]。

（4）混凝土拌合。由于试验室所用混凝土搅拌机容量太小，所以要在混凝土拌和站进行试拌后最终确定施工配合比[16-18]。

2 C35混凝土水泥混凝土配合比设计实例

2.1 原材情况

水泥为山水水泥有限公司P.O 42.5水泥，强度富余系数1.16，砂为机制砂；碎石为河北镇石料场，掺配比例5～15 mm∶15～25 mm∶25～35 mm=15.0%∶50.0%∶

35.0%；粉煤灰为阳城电厂粉煤灰；外加剂为山西三维华邦聚羧酸高性能减水剂，掺量为1.40%，减水率25.0%。

2.2 理论计算

（1）计算配制强度：

fcu，o= fcu，k+1.645σ =35+1.645×5.0=43.2 MPa

式中，fcu，k——标准强度（MPa）；σ——标准差，无量纲。

（2）计算水胶比：

W/B==0.42

（3）考虑耐久性要求，经试验确定水胶比为0.40，控制坍落度160～200 mm时，选取每1 m3混凝土用水量为225 kg，掺减水率β=25%的减水率。计算配比的每1 m3混凝土用水量mwo=225×（1?25%）=169 kg，聚羧酸高性能减水剂掺量经试验为1.40%时减水效果最好[19]。

（4）计算水泥用量（mco）、外加剂用量（mao）：

①胶凝材料用量mbo=mwo/（W/B）=169/0.40=422 kg

②掺合料用量mfo=mboβf =422×15%=63 kg

③水泥用量mco=mbo?mfo=359 kg

④外加剂用量mao=mbo×Ba=422×1.4%=5.908 kg

（5）选取砂率：βS=40%。

（6）按质量法计算砂、石的用量：

①mco+mfo+mwo+mgo+mso=mcp（每1 m3混凝土的假定重量）此处mcp=2 420 kg/m3。

②mso+mgo=mcp?mco?mfo?mwo

=2 420?359?63?169=1 829 kg/m3

③mso=（mso+mgo）×βS=1 829×0.40=732 kg/m3

④mgo=（mso+mgo）?mso=1 829?732=1 097 kg/m3

（7）计算的初步配合比如下：

mco∶mfo∶mso∶mgo∶mwo∶mao=359∶63∶

732∶1 097∶169∶5.908=0.85∶0.15∶1.73∶2.60∶

0.40∶0.014

2.3 试配、调整及确定

2.3.1 试配

（1）经过试验，表观密度为2 430 kg，确定混凝土强度试验用的基准配合比如下：

mco∶mfo∶mso∶mgo∶mwo∶mao=359∶63 ∶

732∶1097∶169∶5.908=0.85∶0.15∶1.73∶2.60∶

0.40∶0.014

（2）以基準水胶比以及上下浮动0.03，并做1%砂率调整作为强度试验三个水胶比，各种材料用量如表4。

（3）每组混凝土拌和物表观密度的实测值分别为2 420 kg/m3、2 430 kg/m3、2 440 kg/m3。

2.3.2 调整

根据试验得出的混凝土强度与混凝土配制强度（fCU，0）相对比，按照实际要求直接选用表4中B组配合比。

2.3.3 确定

B组配合比混凝土的表观密度计算值ρC.C=2 420 kg/m3、实测表观密度ρc.t=2 430 kg/m3，两者偏差为（2 430?

2 420）/2 420=0.4%<2.0%，所以不予调整，所以该组配合比即为确定的设计配合比：

mco∶mfo∶mso∶mgo∶mwo∶mao=359∶63 ：

732∶1 097∶169∶5.908=0.85∶0.15∶1.73∶2.60∶

0.40∶0.014

3 结语

综上所述，定期对工程实体进行回弹强度检测，当回弹强度明显低于设计强度时准确分析判明原因，排除浇筑、振捣、养护等施工因素后及时调整浆集比。工程实践证明，当水泥浆体积占总体积的35.0%，集料体积占总体积的65.0%时，混凝土体积稳定性最好，实体表面质量最高，根据现场实际情况可参照此数据进行相应调整。

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