馬孟會 杜紅偉

[摘 要]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，混凝土的用途也隨之廣泛，已經(jīng)滲入到當(dāng)今社會的各大領(lǐng)域。本論文主要介紹了混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本原則和方法，并舉例說明了混凝土配合比設(shè)計(jì)的整個過程及注意事項(xiàng)。通過大量的實(shí)驗(yàn)確定出滿足工程各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求的組成材料的用量。

[關(guān)鍵詞]混凝土配合比；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；抗壓；抗磨；抗腐蝕；抗?jié)B

中圖分類號：G581 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）34-0338-02

0 引言

混凝土配合比設(shè)計(jì)就是要確定出每立方米混凝土中各組成材料的用量。混凝土配合比設(shè)計(jì)主要有兩個目的：（1）得到符合性能要求的混凝土；（2）在盡可能低的成本下獲得滿足性能要求的混凝土。

1 基準(zhǔn)混凝土配合比的計(jì)算

為了進(jìn)一步提高混凝土的各項(xiàng)性能，需要我們對牧原集團(tuán)所提供的混凝土配合比進(jìn)行更深一步的調(diào)整和設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

抗壓強(qiáng)度要求：混凝土28d試配抗壓強(qiáng)度≥40MPa；

耐磨性能要求：28d齡期單位面積磨損耗量不大于3.5kg/m2；

抗?jié)B等級要求：P8；

抗酸腐蝕性能要求：180d時在硫酸的腐蝕下混凝土抗壓強(qiáng)度下降率≤0.6；

坍落度要求：混凝土坍落度在75～90mm之間。

牧原公司的使用環(huán)境要求混凝土具有一定的耐磨性、抗?jié)B性和抗腐蝕性。所用原材料情況如下：

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥密度ρoc=3100kg/m3，強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)值的富余系數(shù)為1.16；

粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，ρf=2200kg/m3；

骨料：粗骨料采用粒徑范圍為5～31.5mm的碎石，符合連續(xù)級配，石子的表觀密度為ρog=2650kg/m3；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.63的細(xì)砂，表觀密度為ρos=2600kg/m3；

水：拌合水中各物質(zhì)滿足《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》；

外加劑：選用木鈣減水劑。

實(shí)驗(yàn)時所選用的實(shí)驗(yàn)方法如下：

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用 GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定；

抗?jié)B試驗(yàn)采用GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定采用逐級加壓法；

耐磨試驗(yàn)采用JTGE3 0-200《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定；

抗硫酸腐蝕試驗(yàn)提高硫酸溶液濃度的加速腐蝕法；

混凝土坍落度、含氣量、以及表觀密度的測得采用GB50080-202《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。

1.初步計(jì)算混凝土配合比

計(jì)算混凝土的配置強(qiáng)度（fcu，0）：fcu，0=30+1.645×5=38.225MPa。確定水膠比（W/B）：對于碎石，αa=0.53，αb=0.2，fb=1.16×42.5=49.3MPa。水膠比W/B=αafb/（fcu，0+αaαbfb）=0.53×49.3/（38.225+0.53×0.2×49.3）=0.6，參考文獻(xiàn)[1]，由于建筑物所處環(huán)境情況，水膠比暫取0.53。計(jì)算用水量（mwa）：對于粒徑為31.5mm的碎石混凝土，當(dāng)所需坍落度為75～90mm時，1m3混凝土的用水量可選用205kg，參考表1[5]。計(jì)算混凝土的水泥用量（mco）：mco=mwa/（W/C）=205/0.53=387kg，查表2[5]，對應(yīng)水膠比0.55，最小水泥用量300kg，故可取mco=387kg。 選擇砂率（βs）：查文獻(xiàn)砂率的取值范圍一般為35%～40%，故暫取砂率為35%。體積法計(jì)算砂石用量（ms0，mg0）： mc0/3.1+mW0/2.65+mS0/2.6+mg0/1+101=1000，mS0/（mS0+mg0）×100%=35%，解此聯(lián)立方程，mg0=1128kg，mS0=609kg。故mc0：mS0：mg0：mwa=387：609：1128：205，適配測得混凝土坍落度為81mm，符合要求，混凝土的表觀密度為2367kg/m3，接近理論密度，含氣量0.9%，不需調(diào)整。

2 在基配基礎(chǔ)上加入減水劑和摻和料

（1）加入木鈣減水劑

木鈣減水劑的摻量為0.25%[6]，減水率為12%，計(jì)算配合比如下：水泥用量不變即為387kg；用水量mwa=205×（1-12%）=180kg；水灰比W/C=180/387=0.465；減水劑用量ma0=387×0.25%=0.97kg；仍按砂率35%計(jì)算，計(jì)算得mS0=633kg，mg=1175kg；經(jīng)試拌，坍落度滿足要求，測得混凝土表觀密度為2338kg/m3，δ=2375/2338=1.016<1.02，含氣量2.2%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土28d強(qiáng)度fcu，k=0.465×fce（W/C-0.07）=41.1MPa>30MPa，滿足強(qiáng)度要求，因此不需調(diào)整，配合比為mc0：mS0：mg0：mw0=387：633：1175：180。

（2） 加入摻和料，采用等量取代法，采用12.5級普通硅酸鹽水泥粉煤灰等量取代水泥百分率fm=30%。計(jì)算粉煤灰摻量F=mc0×fm=387×30%=116kg，C=387-116=271kg；用水量W=mw0/mc0×（C+F）=180kg；水泥和粉煤灰的漿體體積Vp=C/ρC+F/ρf+W/ρw=271/3.1+116/2.2+180/1=320kg；集料總體積VA=1000（1-α）-VP=1000×（1-2.2%）-320=658L，因加入了木鈣減水劑，混凝土的含氣量變?yōu)?.2%[3]，計(jì)算砂石用量S/2.65+G/2.6=658，S/（S+G）=35%，S=607kg，G=1124kg。摻入粉煤灰后混凝土的配合比為C：F：S：G：W=271：116：607：1124：180.測得表觀密度為2455kg/m3，含氣量2.2%，因加入粉煤灰會增加混凝土坍落度，經(jīng)調(diào)整滿足要求的混凝土配合比為C：F：S：G：W=241：103：640：1185：161。

（3）作用機(jī)理分析

減水劑主要是用來降低混凝土中水的比例，達(dá)到減水效果，降低水膠比，從而減少混凝土在水分蒸發(fā)后留下的空隙，增進(jìn)了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，即提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；粉煤灰作為參和料不僅可以取代部分水泥，減少混凝土的水泥用量、降低成本，而且還可以減少混凝土的單位用水量，同時粉煤灰的微集料具有填充作用，從而改善混凝土的各項(xiàng)性能。

3 砂率對混凝土性能的影響

3.1 計(jì)算不同砂率混凝土的配合比

在規(guī)范允許范圍內(nèi)，改變砂率，實(shí)驗(yàn)觀察測得混凝土性能的改變。分別再計(jì)算砂率為36%、37%、38%、39%、40%時混凝土的配合比。由加入減水劑和粉煤灰的配合比可知mc0=241kg，mw0=161，mf0=103kg，帶入mc0/ρC+mf0/ρf+mW0/ρW+mS0/ρS+mg0/ρg+2.2×10=1000，mg0/（mg0+mS0）=36%，將數(shù)據(jù)代入方程式241/3.1+mg0/2.65+mS0/2.6+103/2.2+161/1+22=1000，mS0=0.56mg0，計(jì)算得C：F：S：G：W=341：103：657：1167：161。計(jì)算剩余砂率，并將數(shù)據(jù)計(jì)入表3。

3.2 不同砂率對混凝土性能的影響

對按不同砂率拌制的混凝土分別進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)的抗壓、抗?jié)B、耐磨實(shí)驗(yàn)、180d養(yǎng)護(hù)的抗酸腐蝕實(shí)驗(yàn)，表4中的數(shù)據(jù)是同一個試驗(yàn)中6個試件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

（1）混凝土的抗壓試驗(yàn)：試驗(yàn)表明：在合理的砂率范圍內(nèi)，隨著砂率的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，因此存在一個最佳砂率。砂率在最佳砂率的基礎(chǔ)上減小，混凝土的黏聚性和保水性均下降，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；砂率增大，抗壓性和黏聚性提高，但是當(dāng)砂率過大時，水泥砂漿不足以包括骨料表面，黏聚性反而下降，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低?；炷林饕脕沓惺軌毫?，牧原集團(tuán)要求的首項(xiàng)混凝土性能就是混凝土的抗壓性能?？箟夯炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)際工程對混凝土強(qiáng)度的要求、各種配合物的技術(shù)性能及現(xiàn)場施工時的施工條件，選擇合理的材料、確定出抗壓混凝土各配合物用量之間比例關(guān)系。

（2）混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)：試驗(yàn)表明：隨著砂子的含量在混凝土中的增加，其抗?jié)B強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。砂率的提高改變了混凝土中細(xì)顆粒的表面積，使混凝土的密實(shí)度增加。但增加砂率時需要考慮混凝土的和易性，黏聚性和坍落度[2].施工經(jīng)驗(yàn)所得，在砂中加入一定量的石粉，有利于提高混凝土的抗?jié)B性?？?jié)B混凝土又稱為防水混凝土，抗?jié)B混凝土在抗?jié)B時的工作原理是：對普通混凝土內(nèi)部存在毛細(xì)管和空隙造成滲水的現(xiàn)象，需采取一定的防護(hù)技術(shù)措施，提高混凝土的抗?jié)B性、密實(shí)性和憎水性。

（3）混凝土的抗磨試驗(yàn)：試驗(yàn)表明：隨著砂率的提高，混凝土的耐磨度逐漸減小，抗磨損性能降低。查閱資料可知，砂漿負(fù)責(zé)粘結(jié)和承載混凝土，在混凝土的磨損過程中首先被破壞，隨著砂率的提高，混凝土磨損的表面中砂漿所占的比例增大表面砂漿的的耐磨性能比骨料差從而使混凝土的耐磨性能降低[1]。如果混凝土中砂的比例增大，混凝土內(nèi)部的空隙就會增加，混凝土界面的有效受力面積減少，耐磨性能降低。所以提高混凝土耐磨性能的一般措施是在合理的砂率范圍內(nèi)，選擇較低的砂率。

（4）混凝土的抗腐蝕試驗(yàn)：試驗(yàn)表明：砂率對混凝土的抗酸腐蝕性能影響不大，能確定是，在合理砂率范圍內(nèi)，隨著砂率的增大，混凝土抗酸腐蝕性能增強(qiáng)。查閱大量的研究資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土處于侵蝕性環(huán)境當(dāng)中，會遭到化學(xué)侵蝕（酸腐蝕）而破壞。如果選擇合適的砂率，能夠在一定程度上提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性，就能夠在一定程度上抵抗外部侵蝕介質(zhì)的破壞作用，有效降低化學(xué)腐蝕的程度和延緩化學(xué)腐蝕的發(fā)展速度。牧原集團(tuán)所要求的的抗腐蝕混凝土主要是針對硫酸的腐蝕。耐酸混凝土往往也具有一定的耐熱性，所以耐酸混凝土不僅可以解決一般建筑物的抗酸性腐蝕問題，而且以解決具有嚴(yán)苛腐蝕條件的工程問題[3]。建筑物幾乎都要經(jīng)受長時間的風(fēng)吹雨淋，腐蝕也是建筑物需要解決的首要問題，當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中使用的強(qiáng)酸介質(zhì)對建筑物的腐蝕性更大。為解決這一問題，粉煤灰與木鈣減水劑一直被土木工程界用到抗酸混凝土中.

（5）確定合理的砂率：在滿足坍落度要求的情況下，確定出合理的砂率。通過對混凝土抗壓，抗?jié)B，耐磨，抗腐蝕等性能的實(shí)驗(yàn)，綜合砂率對它們的各種影響，確定出最為合適的砂率為37%，此時混凝土的配合比為mc0：mf0：mS0：mg0：mw0=241：103：674：1148：161，混凝土的性能達(dá)到最佳。

4 結(jié)語

在分析牧原集團(tuán)所需的混凝土最佳配合比過程中，重點(diǎn)分析了砂率對混凝土各項(xiàng)性能的影響，確定出加了木鈣減水劑和粉煤灰的混凝土最佳砂率為37%，此時混凝土的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。同時在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)砂率對混凝土的抗?jié)B和耐腐蝕性能的影響不大，因此仍需做大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定混凝土的最佳配合比。

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[6] 杜紅偉，混凝土性能與工程應(yīng)用[M]，南陽：中國電力出版社，2017。

作者簡介

馬孟會（19960101），女，漢族，主要從事土木工程設(shè)計(jì)及施工方面的研究

杜紅偉（19640117），男，漢族，教授，工程碩士，主要從事土木工程材料及施工技術(shù)方面的研究