混凝土梁配合比設(shè)計(jì)

王琳琳

鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站（450000）

混凝土梁配合比設(shè)計(jì)

王琳琳

鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站（450000）

這里以砂、碎石、水泥、減水劑為原料，經(jīng)過試驗(yàn)分析確定既經(jīng)濟(jì)又能符合設(shè)計(jì)要求的C30混凝土配合比的過程。在混凝土的配合比設(shè)計(jì)前需要了解工程的基本資料，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和原材料，確定混凝土的組成成分，對(duì)原材料及性能進(jìn)行檢測(cè)，首先計(jì)算出初步配合比，調(diào)整混凝土的工作性，確定基準(zhǔn)配合比，再通過強(qiáng)度復(fù)核，確定混凝土的試驗(yàn)室配合比。在滿足工作性、強(qiáng)度、耐久性的條件下，選擇經(jīng)濟(jì)配合比。

混凝土梁；配合比設(shè)計(jì)；減水劑

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

選擇的水泥為普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)42.5。

1.2 砂

采用細(xì)度模數(shù)為2.8、含泥量為0.6%的中砂。

1.3 石子

采用壓碎值為2.2%、含泥量為0.6%的碎石。

1.4 減水劑

Point-400高效減水劑是一種萘系減水劑，摻量為2%減水率為20%，是一種緩凝型高效減水劑。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 不加減水劑的混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 初步計(jì)算配合比

①計(jì)算混凝土配制強(qiáng)度（fcu,o）

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011），混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算公式:

式中:fcu,o—混凝土配制強(qiáng)度(MPa)；fcu,k—混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；σ—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

根據(jù)已知條件，設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度fcu，k=30 MPa，無混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，查標(biāo)準(zhǔn)差表1為σ=5.0 MPa。即:

表1 標(biāo)準(zhǔn)差σ值（MPa）

②計(jì)算水灰比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，小于C60則:

式中:W/B—混凝土水灰比；αb、αa—回歸系數(shù)，根據(jù)所選粗骨料為碎石見表2；fb—水泥28 d膠砂強(qiáng)度，無統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度值，可按規(guī)范要求計(jì)算。

表2 回歸系數(shù)選用表

由公式2可知:

本工程為干燥環(huán)境中的框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）中混凝土的耐久性可知，鋼筋混凝土最大水灰比為0.65，故取滿足耐久性要求的水灰比0.58即可。

③確定每立方米混凝土用水量

根據(jù)混凝土的坍落度要求及粗骨料種類，粗骨料最大粒徑查表3選用用水量，當(dāng)骨料最大粒徑為20 mm時(shí),拌合物稠度按90 mm考慮,用水量為215 kg/m3,設(shè)計(jì)坍落度為150 mm,在此基礎(chǔ)上，坍落度每增加20 mm，用水量增大5 kg/m3。

④確定每立方米混凝土水泥用量

本次配合比計(jì)算中沒有添加礦物摻和料，膠凝材料用量即為水泥用量。由表4混凝土的最小膠凝材料用量及水灰比知鋼筋混凝土最小膠凝材料用量為330 kg/m3，計(jì)算每立方米混凝土水泥用量為410 kg，大于330 kg/m3。水泥用量符合要求。

表3 塑性混凝土的用水量（kg/m3）

表4 混凝土的最小膠凝材料用量

⑤確定砂率

坍落度大于60 mm的混凝土，可在表5混凝土的砂率的基礎(chǔ)上，按坍落度每增大20 mm、砂率增大1%的幅度予以調(diào)整。即150-60=90,90/20=4.5。當(dāng)水膠比為0.55時(shí),選砂率為36%,故當(dāng)坍落度為150 mm時(shí)，砂率βs=40%。

表5 混凝土的砂率（%）

式中:mco—每立方米混凝土的水泥用量(kg)；mgo—每立方米混凝土的碎石用量(kg)；mso—每立方米混凝土的砂用量(kg)；mwo—每立方米混凝土的用水量(kg)；mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg)、其值可取2 350～2 450 kg；βs—砂率(%)。

新拌混凝土的表觀密度接近一個(gè)固定值，在2 350～2 450 kg之間，這樣就可以假定每立方米新拌

⑥計(jì)算砂、石用量，并確定初步計(jì)算配合比（重量法）

按下列公式計(jì)算:混凝土的質(zhì)量，查資料知碎石粒徑為5～20 mm，C30的混凝土表觀密度接近2 400，故假定每立方米混凝土拌合物的重量mcp=2 400 kg，根據(jù)式（3）、（4）以及計(jì)算所得mwo=235 kg、mco=410 kg求得mgo、mso，直接以每立方米混凝土中各材料的用量表示。計(jì)算拌制1 kg/m3各物質(zhì)量mco=700 kg、mgo=1 052 kg、mso= 410 kg、mwo=235 kg，即混凝土的初步計(jì)算配合比為水:水泥:砂:碎石=235:410:700:1 052。

⑦混凝土拌合

根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)算水灰比、砂率、用水量、石子用量，混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中要求的最小拌量20 L，在試拌過程中，首先稱量原材料，根據(jù)混凝土的初步配合比，可知水:水泥:砂:碎石=4.76 kg:8.2 kg:14.0 kg:21.04 kg，水泥、砂、碎石先攪拌均勻，加入2/3的飲用水，攪拌，隨后加入剩余1/3的飲用水，攪拌均勻,攪拌方式與現(xiàn)場(chǎng)相同，均為機(jī)械攪拌。

⑧新拌混凝土工作性調(diào)整

工作性調(diào)整，根據(jù)初步配合比配成混凝土拌合物，先確定混凝土坍落度。同時(shí)觀察黏聚性和保水性。當(dāng)不滿足要求時(shí)，按下列原則進(jìn)行調(diào)整:

1）當(dāng)坍落度不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在保持水灰比不變的情況下，同時(shí)增加用水量和相應(yīng)的水泥用量。

2）當(dāng)坍落度大于設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在保持砂率不變的情況下，同時(shí)增加砂和碎石用量。

3）當(dāng)黏聚性和保水性不良時(shí)，可適當(dāng)增加砂用量，即增大砂率。

4）當(dāng)拌合物顯得砂漿量過多時(shí)，可單獨(dú)加入適量石子，以降低砂率。

在本次試驗(yàn)中坍落度不滿足設(shè)計(jì)要求，可在水灰比不變的情況下，少量增加水和水泥用量，直至坍落度滿足要求，同時(shí)，觀察混凝土拌合物的黏聚性、保水性良好。

根據(jù)初步配合比拌制的混凝土坍落度為140 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求，通過調(diào)正水泥凈漿用量，可調(diào)整混凝土坍落度，使坍落度滿足要求，增加1%的水泥凈漿，調(diào)整如下:

砂率為40%保持不變，假定每立方米混凝土重量為2 400 kg，由式（3）、（4）計(jì)算砂、碎石用量mco= 698 kg、mgo=1 048 kg，稱量原材料20 L，攪拌，測(cè)定坍落度為152 mm，符合施工要求，測(cè)定混凝土的表觀密度?；炷恋幕鶞?zhǔn)配合比為水:水泥:砂:碎石= 240:414:698:1 048。

表6 混凝土工作性調(diào)整

2.1.2 試驗(yàn)室配合比

在確定混凝土的初步配合比后，還應(yīng)進(jìn)行混凝土的表觀密度校正，但當(dāng)混凝土表觀密度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差的絕對(duì)值不超過計(jì)算值的2%時(shí),初步計(jì)算配合比即為基準(zhǔn)配合比，計(jì)算得知實(shí)測(cè)表觀密度與計(jì)算表觀密度的差值小于計(jì)算值的2%，不必進(jìn)行調(diào)整,經(jīng)過強(qiáng)度檢測(cè)后的配合比為試驗(yàn)室配合比。

2.2 加減水劑混凝土配合比設(shè)計(jì)

加減水劑的目的是為了節(jié)約水泥用量，同時(shí)提高混凝土的強(qiáng)度，由減水劑相對(duì)于水泥摻量2%時(shí)減水率20%。不加減水劑的混凝土配合比可知，混凝土的用水量mwo=248×(1-20%)=198 kg，水泥用量mco=mwo/(W/C)=198/0.58=341 kg，砂、碎石用量按表觀密度2 425 kg/m3，計(jì)算得mco=754 kg、mgo=1 132 kg，即初步配合比（第一次試配）水:水泥:砂:碎石= 198:341:754:1 132。另外兩個(gè)配合比的水灰比比基準(zhǔn)配合比分別增加和減少0.05；用水量與基準(zhǔn)配合比相同,砂率分別增加和減少1%。計(jì)算各值見表7。

表7 加減水劑混凝土各原材料計(jì)算用量

表8 攪拌20 L混凝土各材料用量

對(duì)加入減水劑的新拌混凝土進(jìn)行坍落度及和易性調(diào)整，調(diào)整方法與不加減水劑的基準(zhǔn)配合比相同。按表8稱量原材料，同時(shí)檢驗(yàn)混凝土拌合物的黏聚性、流動(dòng)性、保水性和表觀密度，并對(duì)坍落度不滿足設(shè)計(jì)要求，和易性不良的混凝土拌合物進(jìn)行調(diào)整，滿足坍落度、和易性要求的混凝土拌合物制作混凝土試件，在混凝土的工作性、坍落度滿足要求以后，測(cè)定拌合物的實(shí)際表觀密度，并對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)第三次試配進(jìn)行調(diào)整，坍落度不滿足設(shè)計(jì)要求，增加1%水泥凈漿，調(diào)整如下:

砂率為41%保持不變，每立方米混凝土重量為2 425 kg，由式（3）、（4）計(jì)算砂、碎石用量mco=782 kg、mgo=1 126 kg，稱量原材料20 L即水:水泥:砂:碎石:減水劑=4.00 kg:6.34 kg:15.64 kg:22.52 kg:126.8 g，攪拌，測(cè)定坍落度為151 mm，黏聚性、保水性良好，符合施工要求,測(cè)定混凝土的表觀密度2 531 kg/ m3。則混凝土的基準(zhǔn)配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=200:317:782:1 126:6.34。由計(jì)算得知三組混凝土表觀密度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的差值都不超過2%。因此，不用進(jìn)行混凝土表觀密度校正，則混凝土的試驗(yàn)室配合比可以確定見表9。

表9 混凝土基準(zhǔn)配合比（1 m3）

2.3 施工配合比

試驗(yàn)室配合比是以干燥材料為基準(zhǔn)計(jì)算得到的，但在實(shí)際施工中所用的砂石含有一定的水分,因此，在現(xiàn)場(chǎng)配料前，必須先測(cè)砂石的含水率，在用水中將砂石帶入的水扣除,并相應(yīng)增加砂石的稱量值。若施工現(xiàn)場(chǎng)砂含水率為a%，碎石含水率為b%則:

式中:mwo、mso、mgo、mco是經(jīng)過強(qiáng)度校核,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的試驗(yàn)室配合比。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的干燥的環(huán)境情況以及施工距離的遠(yuǎn)近，可適當(dāng)調(diào)整用水量，以達(dá)到混凝土和易性良好。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中有兩組基準(zhǔn)，其中一組是以不加減水劑M0與加減水劑的M1、M2、M3作為對(duì)比，不加減水劑為基準(zhǔn)。另外一組是加減水劑的M1與M2、M3對(duì)比，以M1為基準(zhǔn)，水灰比上下波動(dòng)0.05，經(jīng)試拌調(diào)整，滿足和易性要求的混凝土配合比見表10。

3.2 結(jié)果分析

由圖1、2、3可知，水灰比同為0.58時(shí)混凝土的3 d、7 d、28 d強(qiáng)度M1＞M0，加減水劑混凝土的3 d、7 d強(qiáng)度M2＞M1＞M3，加減水劑混凝土的28 d強(qiáng)度M2＞M1＞fcu,o＞M3。M1和M0水灰比均為0.58，M1的強(qiáng)度大于M0，減水劑可適當(dāng)提高混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)加減水劑時(shí)，水灰比越小混凝土強(qiáng)度越高，水泥是混凝土中的膠凝材料,主要起膠結(jié)骨料的作用，水灰比小時(shí)水泥用量較大,水泥的膠結(jié)能力比較強(qiáng)，形成的骨架結(jié)構(gòu)較牢固,提高了混凝土的強(qiáng)度。M3的28 d強(qiáng)度小于配制強(qiáng)度,這一組配合比不滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到強(qiáng)度要求的配合比為M1、M2。

由圖4可知加減水劑可明顯降低水泥用量，可以改善混凝土的和易性，減水劑是一種表面活性劑，可以吸附于水泥顆粒表面，使水泥帶上相同的電荷，產(chǎn)生電斥力，使原來凝結(jié)在一起的水泥絮凝結(jié)構(gòu)分散。因此，水泥加減水劑，使具有相同工作性的情況下所需的用水量減少，同時(shí)水泥的用量也減少，分散的水泥顆粒使水泥的水化速度加快，也可以提高混凝土的強(qiáng)度。加減水劑的混凝土中，水泥用量最少的是M3，其次是M1、M2，因?yàn)镸3強(qiáng)度不滿足要求，以節(jié)約水泥為目的最佳選擇是M1,故最佳配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=198:341:754:1 132:6.82。

表10 不加減水劑混凝土配合比

表11 加減水劑混凝土配合比

圖1 不同水灰比對(duì)混凝土3d強(qiáng)度的影響

圖2 不同水灰比對(duì)混凝土7 d強(qiáng)度的影響

圖3 不同水灰比對(duì)混凝土28 d強(qiáng)度的影響

圖4 不同水灰比水泥用量

4 結(jié)論

對(duì)混凝土原材料水泥、砂、碎石、減水劑的檢測(cè)，配合比計(jì)算以及對(duì)混凝土拌合物的檢測(cè)、調(diào)整，對(duì)滿足坍落度要求的混凝土，測(cè)定3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度值可得出下結(jié)論:1）加減水劑的混凝土水灰比在0.53～0.63的范圍內(nèi),混凝土的強(qiáng)度與混凝土的水灰比呈反比，混凝土的強(qiáng)度隨水灰比的增加而減少。2）摻加減水劑，可以節(jié)約水泥，改善混凝土的和易性，提高混凝土的經(jīng)濟(jì)性。3）通過試驗(yàn)得到滿足強(qiáng)度、耐久性要求的經(jīng)濟(jì)配合比為水:水泥:砂:碎石:減水劑=198:341:754:1 132:6.82。