混凝土配合比对建筑结构抗震性能的影响研究

邓勇 袁红木 冉涛 罗玉川 吴凡

【摘要】鉴于混凝土在建筑工程中的重要性，本文首先介绍了混凝土的基本组成及配合比的概念，分析了强度与工作性的权衡以及配合比参数的选择，探讨混凝土配合比与抗震性能的关系，文中涵盖了强度、抗剪性能、变形能力、耐久性以及耗能能力等方面的研究。研究发现，混凝土的强度、韧性、耐久性等性能与抗震性能密切相关，合理的配合比设计可以显著提高建筑结构的抗震性能。

【关键词】混凝土；配合比；抗震性能；强度；抗剪性能

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.047

Study on the Influence of Concrete Mix Ratio on Seismic Performance of Building Structures

DENG Yong， YUAN Hongmu， RAN Tao， LUO Yuchuan， WU Fan

（China Construction 7th Engineering Bureau Co.， Ltd. Sichuan Branch， Chengdu 610000， China）

Abstract： Given the importance of concrete in construction engineering， this article first introduces the basic composition of concrete and the concept of mix proportion， analyzes the balance between strength and workability， and the selection of mix proportion parameters. It explores the relationship between concrete mix proportion and seismic performance， covering research on strength， shear performance， deformation capacity， durability， and energy dissipation capacity. The research has found that the strength， toughness， durability， and other properties of concrete are closely related to seismic performance. Reasonable mix design can significantly improve the seismic performance of building structures.

Keywords： concrete； mix proportion； seismic performance； strength； shear resistance

0引言

在建筑工程中，抗震性能是至關重要的因素，直接关系到结构的安全性和可靠性。混凝土作为常用的建筑材料之一，其配合比的设计和优化对于提升建筑结构的抗震性能具有关键作用。鉴于此，本文旨在探讨混凝土配合比对建筑结构抗震性能的影响，以期为建筑工程的抗震设计提供更科学、可行的指导和方法。深入研究混凝土的组成与配合比参数，分析其与抗震性能之间的关系，将有助于更好地理解和应用混凝土材料，提高建筑结构的抗震能力。

1混凝土材料与配合比

1.1混凝土的基本组成

混凝土是一种由水泥、骨料、砂、水等材料组成的复合材料，各成分的比例和性质直接影响混凝土的性能。水泥是混凝土的胶凝材料，常用的有普通硅酸盐水泥、高性能混凝土中的粉煤灰和矿渣粉等。骨料和砂是混凝土的骨架材料，其粒度分布和物理性质会影响混凝土的强度和工作性。水作为混凝土的反应介质和调整材料，其用量会影响混凝土的流动性和终凝时间。

1.2混凝土配合比的概念

混凝土配合比是指混凝土中各种原材料的比例和用量。其设计需要综合考虑结构的性能和使用环境。水灰比（水的质量与水泥的质量之比）的选择对混凝土的强度和耐久性影响显著，较低的水灰比通常对于高强度混凝土有利，而较高的水灰比可提高混凝土的可塑性和工作性。骨料和砂的粒度分布也直接影响混凝土的强度和流动性，较好的粒度分布可以提高混凝土的工作性。例如，对于C30混凝土，常见的配合比为：水泥∶砂∶骨料∶水=1∶2∶3∶0.45，其中0.45是水灰比，决定了混凝土的强度和工作性。

1.3混凝土强度与工作性的权衡

提高混凝土的强度通常需要降低水灰比。例如，在C50混凝土中，水灰比为0.4，而在C70混凝土中，水灰比通常会降至0.35左右。这种降低水灰比的做法可以提高混凝土的抗压强度，但同时也会降低其流动性和可塑性，使得混凝土更加黏稠，难以施工。因此，在工程设计中，需要综合考虑混凝土的强度和工作性需求，以选择合适的水灰比和添加外加剂等方式，实现两者的平衡。

1.4混凝土配合比参数的选择

水灰比是其中一个关键参数，它表示混凝土中水的用量与水泥的用量之比。较低的水灰比通常会提高混凝土的强度和耐久性，但可能降低工作性。例如，在C40级混凝土中，常见的水灰比为0.45左右。骨料粒径的选择也影响混凝土的工作性和强度。粒径较小的骨料可以提高混凝土的流动性，但可能降低其抗压强度。掺合料如粉煤灰和矿渣粉的添加可以改善混凝土的耐久性和抗裂性。

在实际工程中，根据设计要求和施工条件，混凝土设计师需要选择合适的配合比参数，以满足工程的性能要求。例如，对于需要高抗压强度和耐久性的桥梁结构，可以采用低水灰比的C60混凝土，并添加适量的粉煤灰来提高耐久性。综合考虑这些参数的选择，可以实现混凝土性能的最佳平衡。

2混凝土配合比与抗震性能

2.1混凝土强度与抗震性能关系

在抗震设计中，结构的抗震能力通常需要依赖混凝土的抗压强度来提供支撑。较高的混凝土抗压强度可以增加结构的刚度，减小变形，从而提高其抗震性能。例如，在地震区域的桥梁设计中，通常会选用高强度混凝土（如C80级），以确保结构在地震作用下具备足够的抗震承载能力。此外，混凝土的强度也直接影响着结构的耐久性，因为抗震性能与结构的寿命密切相关。

然而，需要注意的是，仅仅追求高强度的混凝土并不一定能够保证良好的抗震性能。过高的强度可能导致结构过于脆弱，在地震荷载下易发生开裂和破坏。因此，在混凝土配合比设计中，需要综合考虑结构的强度、刚度和韌性，以实现抗震性能的全面提升。

2.2混凝土配合比与抗剪性能

抗剪性能直接影响结构在地震荷载下的承载能力和变形能力。合理的混凝土配合比可以改善混凝土的抗剪性能。例如，通过控制骨料的粒径分布，可以提高混凝土的内聚力，增加其抗剪强度。此外，添加适量的纤维（如钢纤维或聚丙烯纤维）可以显著提高混凝土的抗剪性能，减缓剪力裂缝的扩展。

抗剪性能的提高对于抗震设计尤为关键，因为地震时结构往往受到复杂的剪切力作用。混凝土的抗剪性能不仅能够增加结构的抗震承载能力，还可以减小结构的位移，提高其韧性，从而降低地震灾害可能造成的损失。因此，在混凝土配合比设计中，考虑到抗剪性能的提升，可以有效增强结构的抗震性能，见表1。

2.3混凝土配合比与变形能力

适当的混凝土配合比可以控制结构在地震作用下的变形，从而保证结构在地震中不会超出安全范围。高强度混凝土通常具有较小的变形，适用于需要较小位移的结构，如高层建筑。但在一些需要具有较大变形能力的结构中，如桥梁、隧道等，通常会选择抗震变形能力较高的混凝土配合比。

例如，在长周期地震作用下，一些特殊工程需要考虑地震引起的长周期振动，此时需要选择混凝土配合比以保证结构具备良好的变形能力。合理的配合比设计可以使结构在地震作用下产生控制性变形，从而保证结构的安全性。

2.4混凝土配合比与耐久性

混凝土的耐久性是指其在不同环境条件下的长期使用性能，直接关系到结构的使用寿命。通过合理设计混凝土配合比，可以提升其耐久性。例如，在潮湿或含有盐分的环境中，适当控制水灰比和添加防护措施，如使用耐久性更强的水泥或掺合料，可以有效提高混凝土的抗侵蚀能力，延长结构的使用寿命。

此外，耐久性还涉及混凝土的抗冻融性、抗碱性等方面。在寒冷地区，通过选择合适的配合比参数和添加防冻剂，可以提高混凝土的抗冻融性，防止冻胀损坏。对于一些需要抵抗碱性侵蚀的环境，可以选择添加掺合料来提高混凝土的抗碱性。因此，在混凝土设计中，需要根据具体使用环境和要求，选择合适的配合比参数，以保证结构的耐久性。

2.5混凝土配合比与耗能能力

混凝土的耗能能力是指其在地震作用下吸收能量的能力，直接影响到结构的抗震性能。通过合理的混凝土配合比设计，可以提升结构的耗能能力，从而减轻地震作用对结构的影响。例如，通过添加纤维（如钢纤维或聚丙烯纤维）来增强混凝土的韧性和延性，使其能够在地震作用下产生一定程度的变形，吸收地震能量。

另外，一些特殊设计的混凝土配合比，如高强度混凝土配合高强度钢筋，也可以提高结构的耗能能力。通过控制配合比的参数，可以使结构在地震作用下产生控制性变形，从而保证结构的安全性。因此，在混凝土设计中，需要综合考虑耗能能力的提升，以保证结构具备良好的抗震性能。

3混凝土配合比优化方法

3.1强度-韧性平衡的考虑

一种常见的方法是通过调整水灰比来达到平衡。较低的水灰比通常可提高混凝土的韧性，但可能降低其抗压强度。因此，根据工程需求，可以在一定范围内选择适当的水灰比，以满足强度和韧性的要求。例如，对于需要高抗震性能的结构，可以选择C60级混凝土，并适度增加水灰比以提高工作性，同时使用高性能纤维增强混凝土的韧性。

此外，采用高性能混凝土材料也是实现强度-韧性平衡的有效方法。高性能混凝土通常具有更高的抗压强度和韧性，可以在不牺牲韧性的情况下提供更高的强度。例如，使用高性能混凝土，如高性能硅酸盐水泥和高性能粉煤灰，可以在混凝土配合比中实现更高的强度，同时保持较好的韧性。因此，在混凝土配合比的优化中，强度-韧性平衡应被视为一个核心考虑因素，以满足抗震性能的要求。

3.2高性能混凝土的应用

高性能混凝土通常具有更高的抗压强度、更好的变形能力和更好的耐久性，这使其在抗震设计中具有巨大潜力。例如，在大跨度桥梁和高层建筑中，使用C80级或更高级别的高性能混凝土可以有效提高结构的抗震性能，减小振动幅度，提高结构的稳定性。

此外，高性能混凝土还可以通过掺入适量的掺合料、纤维材料等来进一步优化，以增加其韧性和耗能能力。这些高性能混凝土的应用有助于提高结构的抗震能力，减小地震造成的损失。因此，在混凝土配合比的优化中，考虑使用高性能混凝土材料是一个重要的策略，特别是在需要提高结构抗震性能的工程项目中。

3.3纤维增强混凝土的效果

通过添加纤维材料，如钢纤维或聚丙烯纤维，可以明显改善混凝土的抗裂性和韧性。这些纤维能够防止裂缝的扩展，并在地震发生时吸收和分散能量，从而延缓结构的破坏。实验研究表明，添加适量的纤维可以显著提高混凝土的抗剪性能和耗能能力，减小地震时结构的位移和损伤。

例如，在桥梁结构中，采用FRC可以增加桥梁梁板的承载能力，同时提高其耐久性和抗震性能。对于地震易发区的建筑，使用FRC可以有效减小结构的震后维修和修复成本，提高结构的可持续性。因此，FRC的应用已成为提高混凝土结构抗震性能的重要方法之一。

3.4高强度钢筋的使用

高强度钢筋通常具有更高的屈服强度和抗拉强度，可以增加混凝土结构的承载能力和刚度。在地震设计中，选择高强度钢筋可以有效提高结构的抗震能力，减小结构的振幅和位移。

例如，普通钢筋的屈服强度一般为400 MPa左右，而高强度钢筋的屈服强度可以达到600 MPa以上。因此，使用高强度钢筋可以在不改变结构形态的情况下增加结构的承载能力。这在大跨度桥梁和高层建筑中尤为重要，因为这些结构通常需要更高的抗震性能。高强度钢筋的使用还可以减小结构的自重，降低地震荷载的影响。因此，在混凝土结构的设计和施工中，充分利用高强度钢筋是提高抗震性能的有效手段。

3.5预制混凝土元件的优势

预制混凝土元件在工厂内制作，具有更高的制造精度和质量控制，相对于现场浇筑，可以减小施工中的不确定性。这有助于确保结构的一致性和稳定性。

此外，预制混凝土元件通常采用高性能混凝土材料制作，如高强度混凝土和FRC，这使得它们具有较好的抗震性能。例如，在地震发生时，预制混凝土桥梁梁段能够在承受剧烈地震作用后迅速恢复正常使用，减小了交通中断的可能性。此外，预制混凝土结构可以减少现场施工时间，降低了工程的风险和成本。

4结束语

在本文中，我们深入探讨了混凝土配合比对建筑结构抗震性能的影响。通过对混凝土材料与配合比、强度与工作性的权衡、配合比参数的选择等方面进行详细的讨论，我们理解了如何在设计阶段优化混凝土的配合比，以实现强度、工作性和抗震性能的平衡。此外，我们还探讨了纤维增强混凝土、高强度钢筋和预制混凝土元件等技术手段在提高抗震性能方面的重要作用。综合这些方法，可以有效地提升混凝土结构的抗震性能，为地震灾害下的建筑安全提供了有力保障。

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【作者简介】

邓勇，男，1988年出生，工程師，学士，研究方向为建筑工程。

（编辑：于淼）