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混凝土配合比设计研究

文摘   2024-11-01 07:02   河南  
前言
混凝土中各种材料的组成比例是混凝土的配合比，表达方法有2种，如下所示：
一是以每立方米混凝土中各组成材料质量来表示，如水泥=m1kg，水=m2kg，砂=m3kg，石子=m4kg。二是以每立方米混凝土中各材料质量比值来表示，如水泥:砂:石子=N1:N2:N3，水灰比W/C=N4:N5。
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），材料特性和施工环境要求，混凝土配合比设计的目标是在符合工程要求的前提下精确选择材料用量。
1混凝土配合比设计方法
一是根据混凝土强度等级选择水灰比、确定用水量、水泥用量、砂石用量并计算出混凝土的“初步配合比”；二是通过这个初步比例来试制混凝土并对用水量以及砂率进行调整计算“基准配合比”；三是检查混凝土强度与和易性并对水灰比、砂石使用量进行适当调整最终确定“试验室配合比”；四是按照工地材料的实际状况进行试验室配合比调整得到“施工配合比”。

2混凝土配合比设计的步骤
2.1初步配合比计算    
2.1.1满足强度等级的要求
fcu，0≥fcu，k+1.645σ（1）
式中：σ为强度标准差；fcu，k为立方体抗压强度标准值（单位MPa）；fcu，0为混凝土配制强度（单位MPa）。
2.1.2选择水灰比
根据混凝土配制强度计算水灰比
W/C=αafce/（fcu，0+αaαbfce）（2）
式中：fcu，0、fce分别为混凝土配制强度（单位MPa），水泥28d的抗压强度实测值（单位MPa）；αa、αb为回归系数，W/C为水灰比。
为了满足现行规范的要求，进行水灰比计算时还要考虑混凝土所处的环境条件和耐久性。
2.1.3确定用水量
根据施工要求和《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）规定，可以在0.40至0.80的范围内选择适宜的水灰比。若水灰比低于0.4或需要采用特殊成型技术来制作混凝土，则必须进行试验以确定所需的水量以确保混凝土的品质。塑性和干硬性混凝土的用水量选用可参考表1、表2。    
2.1.4确定水泥用量
mc0=mw0/（W/C）（3）
式中：mc0、mw0分别为每立方米混凝土所需的水质量，水泥质量，以上单位kg。

根据公式（3）可以推算出每立方米混凝土所需的水泥量然后再通过表3检验是否符合耐久性标准。
2.1.5选择砂率
根据表4的数据，可以采用不同种类、尺寸的粗骨料以及不同的水灰比来确定混凝土中砂的含量。
2.1.6计算砂石用量
（1）用质量法时，按下式计算：    
Mc0+ms0+mg0+mw0=mcp（4）
βs=ms0/（ms0+mg0）（5）
式中：mc0、ms0、mg0、mw0分别为水泥、砂、石、水的用量，以上单位kg；mcp为拌和物的假定质量，单位kg；βs为砂率。
（2）用体积法时，按下式计算：
mc0/ρc+mg0/ρg+ms0/ρs+mw0/ρw+0.01α=1（6）
βs=ms0/（ms0+mg0）（7）
式中：α为混凝土的含气量百分数；ρc、ρg、ρs、ρw分别为水泥密度、粗集料的表观密度、细骨料的表观密度、水的密度，以上单位kg/m3；βs为砂率。
通过以上计算可以得到每立方米混凝土各组成材料的质量之比即混凝土初步配合比。
2.2基准配合比计算
根据常见的工程材料，进行混凝土配合比试验，然后看工作性是否满足施工和易性要求。若混凝土拌合物流动性不符合要求，可在保持水灰比不变的情况下适当调整水用量或砂比例，直至达到相关标准并制定混凝土基准配合比方案。
2.3试验室配合比计算
为了确保混凝土强度的准确性，建议进行三次不同的试验，每次试验都采用不同的配合比。可以选择一种配比方案作为基准配合比，并对其他两种配合比方案进行调整，使其水含量分别增加或减少0.05%或对砂量进行调整，分别增加或减少1%。    
为了确定每立方米混凝土材料的用量，可以根据试验结果得出混凝土强度与水灰比之间的关系，并确定与所需配制的混凝土强度相对应的水灰比。
根据坍落度测量结果，对配合比进行调整。根据所选择的水灰比，对基准配合比中粗集料和细集料的使用量进行调整，以确定mg和ms的数值从而得出试验室配合比。
2.4施工配合比计算
试验室配合比是以砂石干状态下进行计算而施工时砂石常含有一定量水分，需要考虑砂石实际含水量。在实验室环境中，水泥：砂：碎石的配合比是1:x:y，水灰比为W/C。然而在施工现场砂和碎石的含水率分别为Wx和Wy。因此为了满足施工现场的需要，按照以下比例进行配制，水泥:砂:碎石的比例为1:x(1+Wx):y(1+Wy)，最终得到混凝土施工配合比。
3配合比设计过程中出现的问题及原因
3.1强度得不到保证
施工现场与实验室对材料的储存控制，在环境条件和技术手段上存在着明显的差异。虽然经过设计计算得出混凝土试验室配合比，但商品混凝土的生产企业出于成本考虑的原因和经营管理理念上打小算盘，往往会在原材料品质的检测控制环节上，以牺牲质量为代价，例如当涉及到混凝土原材料的处理时，忽略粗骨料的颗粒尺寸超过规定标准，最终会导致骨料级配不均匀。此外，细骨料中含有过多的泥和有机物等，也不符合要求，对于添外加剂和活性粉煤灰等并未给予足够的重视，以次充好，盲目追求经济效益的最大化。由于施工现场检测手段的局限性，从而造成混凝土在建筑工程施工中的强度不足。    
3.2 坍落度得不到保证
在工地上，可以使用一种简单直接的方法来评估混凝土的流动性，通过这种方式能够有效地确认现场混凝土的配合比是否符合设计要求并准确评估混凝土的流动性。如果原材料的计量控制不严格或者水的使用量有所偏差，那么混凝土的流动性将会受到影响。要使混凝土的实际流动性与预期值基本一致，这取决于正确执行混凝土的配合比设计规范。尽管如此，但一些施工场所并未对坍落度进行测量，坍落度超过了标准，导致混凝土发生离析从而降低了其强度，坍落度过高的主要原因是在原材料中加入过多的水。在施工时，果混凝土的流动性不佳将对混凝土品质产生影响，为了解决这一问题应及时根据实际情况进行相应的调整。
3.3 混凝土出现泌水
（1） 在混凝土生产过程中每一次拌合都需要测试集料含水率，以免出现集料的含水率增大，新拌的混凝土出现泌水。在储存外加剂过程中出现沉淀或者悬浮现象，拌合时加入这样外加剂后混凝土也会出现泌水现象，见图 1。
   
（2） 低温造成水泥化学反应减慢，因而不需要过多水参与化学反应，从而混凝土会排除多余的水分。
（3） 在干燥的空气中，混凝土表面会散失和蒸发水分。但在潮湿的空气中，水分难以在混凝土表面蒸发从而会造成混凝土内部水分饱和，出现泌水现象，见图 2。
3.4 混凝土出现假凝
（1） 如果水泥中水化极快的铝酸三钙含量较高时，就会加快水化反应，增加需水量，造成混凝土快速凝结，出现假凝。水泥的比表面积较大时也会造成需水量增加，导致假凝。集料中含泥量增多，使得集料的比表面积增大，需水量也会增大，占用了参加水泥水化反应的水分，所以造成混凝土缺水。
（2） 高温天和大风天，混凝土更容易出现假凝，高温和大风加快了混凝土表面水分的蒸发，造成表面裂纹和假凝，又使得混凝土内部的水向表面渗透，导致混凝土内部缺水，造成假凝。
（3） 空气湿度过低，会加快混凝土表面水分的流失，导致混凝土水化反应缺水，出现假凝。西北地区较其他地区更易出现假凝。
4 配合比设计过程出现问题的改进建议
4.1 合理选择原材料
在混凝土生产中，合理、适当地选用原材料是非常重要的。选用适当的原料，关系到工程的成功与否。目前国内市场上各种原料品种繁多，因此原料的挑选是万万不可忽视的。
水泥必须在稳定性和适应性好的前提下进行选用。在选用掺合料时，应根据混凝土本身的特点，选用适当的外加剂。除此之外，还需要对掺合料的性能有一个全面的认识。减水剂在混凝土中起着很大的作用，是配制混凝土时必须考虑的一个重要问题。当使用掺合料时，必须由专业人员操作，在施工前对其进行培训，小心地交代，以确保结果的正确性。    
4.2 合理选择配合比参数
在混凝土配合比设计中，合理地选取配合比参数，提高混凝土质量，也是节省工程造价的关键。外加剂的加入也必须严格控制其用量，它对提高混凝土质量和提高混凝土性能起着不可取代的作用。为了防止混凝土在施工过程中产生的裂缝，必须调整好原材料用量，通过比较实验，选择出最优的配合比，全方位地提高混凝土的强度。在进行混凝土配合比设计时，首先要控制水灰比，单位用水量，砂率，除以上提及的三个参数外，水胶比、高效减水剂掺量也是需要特别注意的参数。
4.3 细化配比环节
外加剂的最佳掺量可获得混凝土配合比设计最佳的技术经济效果，在符合其各项功能指标的条件下，可以使用最低掺量。首先要达到混凝土的各项指标，不要一开始就使用掺量的最低限量。混凝土在试配和选用外加剂时，首先要了解外加剂的基本性质和工程的实际需求，并确保外加剂的合理使用。先将外加剂与混凝土充分混合，再用混凝土进行试验，选择适当的掺合料用量。配合比的用量也要考虑到外加剂的种类，但也要考虑到减水剂的最优用量。多数时候，当减水剂的加入量达到最优时，其综合效应才会更好。这对优化混凝土的质量、改善混凝土的性能、降低混凝土的裂缝情况都起着至关重要的作用。其次，要对掺合料的选用和掺入量进行研究。掺合料不同的组成，其对水泥的作用也各不相同。因此，在实际施工中，应根据工程需要，合理地选用不同的混合料，以确保其综合性能。    
4.4 控制混凝土的和易性
当混凝土拌合物的流动性达不到设计标准，而粘聚性、保水性良好的情况下，可适当调节水、水泥掺量，直到试验证实工作性能达到要求为止。在此基础上砂、石用量不变，但水泥和水的用量却发生了变化。
经试拌实测，混凝土拌合物的流动性满足设计要求，但其粘聚性、保水性较差，应维持原有水泥和水的用量，通过对砂率的调节来改变其粘聚性、保水性。直到流动性、粘聚性、保水性都能达到要求。
经试拌实测，混凝土拌合物的流动性不能满足设计要求，而粘聚性、保水性又较差时，应该保持水灰比和砂石总量不变，适当地调整用水量和砂率直至符合设计要求为止。
结束语
混凝土的设计、生产和使用过程中，配合比设计起着非常重要的作用，影响诸多问题。
（1） 技术效益。混凝土所选用的原材料要符合工程技术标准才能达到混凝土配合比设计的目标。合理的配比设计才能确保建筑结构的强度、耐久性且施工中易于浇筑和振捣。    
（2） 经济效益。合理的配合比设计不仅可以降低生产混凝土的费用还能减少混凝土在凝固过程中释放的热量。砂、石材料尽可能就地取材才能产生可观的经济效益。另外通过优化配合比设计能显著减少混凝土所需的水泥的消耗，从而实现生产成本的降低，引入粉煤灰以及矿渣等矿物掺合料也是一种高效的方法可以减少混凝土中水泥的使用量。
（3） 社会效益。在实现社会效益方面，保护环境和节约能源是关键。合理的配比设计不仅可降低水泥用量还能消纳粉煤灰、矿渣等固体废弃物，还能减轻城镇化发展对资源、能源、环境和社会形成的压力。    

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