淺談水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

摘要：分析了水泥混凝土面臨的問(wèn)題，指出傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法中的不足，并結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)及路用性能，提出了現(xiàn)代水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：混凝土，配合比設(shè)計(jì)，影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528．028     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A      文章編號(hào)：1009-6825（2005）22-0147-02

引言

      水泥混凝土由于具有強(qiáng)度高、原材料儲(chǔ)量大、可塑性能優(yōu)異、成本低廉，在土木工程中起著極其重要的作用，是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的建筑材料。它是由水泥、砂、石、添加劑、外加劑和適量水混合逐漸硬化形成的人工石材，因此原材料的種類(lèi)、性質(zhì)和用量等因素直接關(guān)系到混凝土的質(zhì)量、成本和性能，進(jìn)而關(guān)系到土木結(jié)構(gòu)物的品質(zhì)、造價(jià)和壽命，但是現(xiàn)有水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)存在經(jīng)驗(yàn)成分多，應(yīng)用中不宜量化控制的問(wèn)題，這就限制了此類(lèi)結(jié)構(gòu)的推廣及應(yīng)用。而為解決三農(nóng)問(wèn)題，國(guó)家加大了農(nóng)村公路以及低造價(jià)公路建設(shè)的投資力度，修筑此類(lèi)結(jié)構(gòu)，水泥路面是首選，因此如何準(zhǔn)確確定組成材料及其用量，使其滿(mǎn)足工作性、強(qiáng)度和耐久性要求是關(guān)鍵所在。

1 現(xiàn)代土木工程對(duì)水泥混凝土提出新的要求

    1）混凝土品種增多，出現(xiàn)了高性能混凝土、輕骨料混凝土、纖維混凝土、防水混凝土、加氣混凝土、低溫混凝土、泵送混凝土和噴射混凝土等。其中高性能混凝土（HPC）是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)外學(xué)者曾稱(chēng)之為21世紀(jì)混凝土。近年來(lái)，不同性能混凝土的研究和應(yīng)用日益受到人們重視。．坍落度應(yīng)不小于120 mm，且粘聚性和保水性良好。

    2）混凝土的成分更加豐富，粉煤灰及其他摻合料和外加劑等被廣泛使用到混凝土的配制中，使混凝土的應(yīng)用更加廣泛。

    3）混凝土需要滿(mǎn)足的性能指標(biāo)提高，從單一的強(qiáng)度指標(biāo)擴(kuò)展到若干齡期的強(qiáng)度、工作性能和耐久性能等多項(xiàng)指標(biāo)。

    4）對(duì)結(jié)構(gòu)物壽命的要求延長(zhǎng)。工程實(shí)踐證明，在正常使用條件下普通混凝土的使用期限可達(dá)50年～100年；而在惡劣環(huán)境條件下經(jīng)十幾年或更短時(shí)間就遭到嚴(yán)重破壞，需要修補(bǔ)，甚至更新重建。高性能混凝土的耐久性應(yīng)從目前50年～100年的使用期限，提高到500年～l000年，且具有廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。

    5）施工工藝多樣化。水泥混凝土面層可以采用多種施工方法進(jìn)行鋪筑：小型機(jī)具攤鋪和振實(shí)；軌道式攤鋪機(jī)攤鋪和振實(shí)，配以其他工序的配套機(jī)械；滑模式攤鋪機(jī)攤鋪和振實(shí)，配以其他工序的配套機(jī)械；平地機(jī)攤鋪和振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，配以其他小型機(jī)具；瀝青混合料攤鋪機(jī)攤鋪和初步壓實(shí)，壓路機(jī)碾壓配以其他機(jī)具和機(jī)械。

2 傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法的缺陷

      傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法是一種基于經(jīng)驗(yàn)的方法，混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能提出的要求比較簡(jiǎn)單，配制混凝土的原材料種類(lèi)也比較少，因此傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法還存在許多不足之處。混凝土配合比設(shè)計(jì)理應(yīng)是一個(gè)完善的體系，包括原材料選擇、配合比計(jì)算、性能設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)。事實(shí)上，人們?cè)谶M(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)有意或無(wú)意地采用了這一體系，但所采用的體系的完善程度各不相同，而且大都不完善。

    1）從原材料選擇來(lái)看，多數(shù)是依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行的，帶有很大的主觀(guān)性。各人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)不同，知識(shí)量也不等。這就為混凝土配合比設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的隨機(jī)性。

    2）從配合比設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)看，各種沒(méi)計(jì)方法的計(jì)算方法互不相同。配合比計(jì)算的實(shí)質(zhì)就是四元（單位混凝土中水、水泥和粗細(xì)集料用量）一次方程組求解。從數(shù)學(xué)角度來(lái)講，四元一次方程組求解需要四個(gè)獨(dú)立方程式的聯(lián)立才能解出。而配合比設(shè)計(jì)中一般都采用需水性定則、水灰比定則和絕對(duì)體積法或假定容重法，這就提供了三個(gè)方程式；各配合比設(shè)計(jì)方法的不同在于第四個(gè)方程式的確定。為了完成配合比設(shè)計(jì)，各種方法都引進(jìn)了不同的關(guān)系式。我國(guó)引入了砂率；前蘇聯(lián)引入了砂漿撥開(kāi)系數(shù)；英國(guó)引入了骨灰比；美國(guó)引入了粗集料最佳用量。另外因?qū)Ω咝阅芑炷恋恼J(rèn)識(shí)不足，對(duì)它的配合比設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)和大量的試配，計(jì)算過(guò)程在各種設(shè)計(jì)方法中似乎都不甚重要。

    3）從性能設(shè)計(jì)來(lái)看，理想的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的主要性能（即：工作性能、強(qiáng)度和耐久性）的設(shè)計(jì)，雖然目前的各種設(shè)計(jì)方法基本都考慮到了這三方面的性能，但是似乎還沒(méi)有一種方法真正做到了對(duì)這三方面性能的設(shè)計(jì)。雖然最終都可能配出滿(mǎn)足三方面性能要求的混凝土，但這似乎不能歸功于該配合比設(shè)計(jì)體系的先進(jìn)性，而應(yīng)歸功于設(shè)計(jì)人員的大量試配工作。

    4）從性能檢測(cè)來(lái)看，每一種配合比設(shè)計(jì)體系也都是不甚完善的。對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性的檢測(cè)相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較完善，而對(duì)新拌混凝土性能（主要是工作性）的檢測(cè)應(yīng)該說(shuō)是不合理、不完善的。各個(gè)設(shè)計(jì)體系大都采用Abrams的坍落度試驗(yàn)（塑性混凝土）和維勃稠度試驗(yàn)（干硬性混凝土）來(lái)檢測(cè)新拌混凝土的工作性。但這兩種試驗(yàn)都不能全面有效地反映新拌混凝土的工作性。當(dāng)然，研究者在試驗(yàn)室內(nèi)可能會(huì)使用其他方法來(lái)檢測(cè)新拌混凝土的工作性，但它們畢竟沒(méi)有很好地應(yīng)用到混凝土施工中去。

3 現(xiàn)代水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)思想

      隨著現(xiàn)代建筑工程技術(shù)要求的提高，水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想應(yīng)從強(qiáng)度設(shè)計(jì)向多種性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，從可行性設(shè)計(jì)向優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。F∞指出：合理的材料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該在符合相關(guān)規(guī)范給出的包括強(qiáng)度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經(jīng)濟(jì)性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經(jīng)濟(jì)和適用的混凝土。配合比設(shè)計(jì)中主要考慮的因素有：

     1）水灰比。有關(guān)水灰比、水泥品種、外加劑、粗集料級(jí)配等因素對(duì)路面混凝土性能影響的試驗(yàn)表明，無(wú)論28d抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度，上述因素的主次為：水灰比一水泥品種一外加劑一粗集料級(jí)配。由此可見(jiàn)，水灰比對(duì)路面強(qiáng)度的影響是很大的。水灰比過(guò)大，多余水在硬化后的混凝土中形成氣孔，減小了混凝土抵抗荷載作用的有效斷面，在孔隙周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中。水灰比愈小，水泥混凝土的強(qiáng)度也愈高，因此在滿(mǎn)足和易性要求的前提下，應(yīng)盡可能采用小的水灰比。此外，路面混凝土水灰比大小還應(yīng)考慮道路等級(jí)、氣候因素等。

    2）砂率。其大小主要影響混凝土的稠度，在水灰比低時(shí)這種影響表現(xiàn)得比較遲鈍，但砂率的改變會(huì)使混凝土的空隙率和集料的總表面積有顯著改變，直接影響硬化混凝土的品質(zhì)。砂率過(guò)大，在水泥漿用量不變的情況下，會(huì)使混凝土的水泥漿顯得過(guò)少，成型的路面表現(xiàn)砂漿層過(guò)厚，對(duì)耐磨耗、減少收縮不利。另外，從混凝土抗斷裂的角度考慮，砂漿也不宜過(guò)大。試驗(yàn)表明，混凝土的抗裂能力隨粗集料的增加而增加，因此在正常砂率的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少砂率，增加粗集料用量，對(duì)提高路面混凝土的抗折性能是必要的。

    3）集灰比。對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響在混凝土強(qiáng)度較高時(shí)表現(xiàn)得較明顯，當(dāng)水灰比相同時(shí)，混凝土隨集灰比的增長(zhǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與集料數(shù)量增大、集料吸收的水分量增大、實(shí)際水灰比變小有關(guān)，與混凝土內(nèi)部孔隙總體積減少有關(guān)，還與較高標(biāo)號(hào)混凝土水泥用量較大有關(guān)。在適當(dāng)增大集灰比后，水泥膠結(jié)作用和集料的連鎖作用得到了充分的發(fā)揮。

      提高路面混凝土性能的核心在于提高集料與砂漿界面的粘結(jié)強(qiáng)度，這可以通過(guò)合理選擇原材料和正確的配合比設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用道路水泥或C3S和C4AF含量高的其他水泥品種；選用細(xì)度模數(shù)大，耐磨性好的細(xì)集料；巖石品種是選擇粗集料的關(guān)鍵，應(yīng)綜合考慮巖石的物理力學(xué)性能，通過(guò)比較試驗(yàn)確定；配合比設(shè)計(jì)采用合適的水灰比、砂率及集灰比至關(guān)重要，也應(yīng)盡量通過(guò)比較試驗(yàn)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

      合理的材料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該在符合相關(guān)規(guī)范給出的包括強(qiáng)度、耐久性、均勻性、和易性、滲透性和經(jīng)濟(jì)性等要求的前提下，確定各種成分的用量，獲得最經(jīng)濟(jì)和適用的混凝土。要對(duì)水泥混凝土路面配合比設(shè)計(jì)深入系統(tǒng)的研究，使混凝土配合比設(shè)計(jì)體系更加科學(xué)合理、方便快捷，從而推動(dòng)水泥混凝土科學(xué)的發(fā)展。

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Some knowing about the mix proportion design of cement concrete
XU Yin-ming LIWei-guang CAI Rong

Abstract：The problems it confronts in mix proportion design of cement concrete are analyzed as well as the disadvantages existed in traditional mix proportion design method．Combined with experiences and requirements on road performances modern mix  proportion design and the points for attention are presented．
Keywords：concrete，mix proportion design，influencing factor