摘要：现代的混凝土工程已经不能完全适应传统的基于经验的配合比设计方法，以致于在配置的时候遇到不少问题。相关人员和机构在混凝土配合比设计发展中研究新的设计方法，包括全计算机化的设计方法、计算法、基于专家系统、配合比优化设计等。这些研究探索促进了混凝土配合比技术的快速发展。
关键词：混凝土配合比；合理设计方法
1 导言
混凝土配合比设计是配制混凝土时涉及到的最基本也是最关键的问题。只要有混凝土原材料和设备，就能配制混凝土，但原材料的种类、性质和用量会影响混凝土的性能、质量与成本，进而影响混凝土结构的安全性、耐久性和经济性。所以，混凝土配合比设计的关键是根据原材料的种类和性质，确定其用量，使配制好的混凝土既有一定的经济性，又能满足结构设计要求的强度和耐久性。
2 混凝土配合比设计原则
混凝土以水泥为主，掺用若干粉状矿物掺和料和外加剂配制成的胶结浆体，将散落的砂、石拌合均匀，浇注在梁、板、柱等各种模型中，牢固地粘结成一个整体的工程材料。混凝土在配制生产过程中，除要求水泥基胶结材浆体本身均匀外，还要求通过搅拌将每个砂、石颗粒用浆体包裹分割开来，再通过振捣等施工工艺，使砂、石获得最紧密的堆积，被胶结材料牢固地粘结在一起。泵送大流动性混凝土和自密实混凝土还要求胶结材浆体有足够的粘性和流动性，施工时能将砂石均匀悬浮在胶结材浆体中。混凝土生产搅拌过程中会有砂、石带进一部分空气，由于耐久性的要求，还会通过掺入引气剂引进一部分气体。因而混凝土是一种含多种原材料，含固、液、气三相的多元多相水泥基复合材料。为此，设计配制优质混凝土必须遵守以下原则：（1）混凝土由胶结材浆体（胶结材+水+减水剂）体积、空气体积、砂体积、石体积四部分组成，应按这四部分体积比进行混凝土配合比设计。（2）水泥基胶结材浆体是决定混凝土施工工作性和混凝土强度、耐久性的关键组分，因此应首先按施工工艺强度、耐久性要求，尽可能科学合理地选定水泥品种、水灰比（水胶比），单方水量与高效减水剂品种、用量以及掺合料品种、用量，配制出适用的胶结材浆体。（3）所有砂、石和粉状固体颗粒应有最密实的堆积。（4）新拌混凝土必须具备施工工艺要求的施工性能。（5）混凝土浇筑后经振捣、养护等工艺应能满足结构设计要求的各种性能，如抗压强度、弹性模量、抗渗、抗冻融等性能。
3 设计符合要求的胶结材浆体
普通混凝土从施工工作性可区分为干硬性混凝土（塌落度小于10cm）、低塑性混凝土（塌落度10～40cm）、塑性混凝土（塌落度50～90cm）、流动性混凝土（塌落度100～150cm）和流动性混凝土（塌落度大于160cm）五种类型。干硬性混凝土浆体只要将胶结材料与水混合均匀即可，低塑性和塑性混凝土浆体则应适当添加塑化剂或普通减水剂，流动性混凝土和大流动性混凝土浆体则需要添加高效减水剂并在胶结材中掺含大量玻璃微珠的粉煤灰组分，以利于施工和易性。各种类型混凝土依据施工工艺及强度、耐久性等要求，可适当添加矿物拌合料。鉴于混凝土为工程结构材料，混凝土配合比除考虑施工工作性外，更重要的是要根据结构强度、耐久性要求进行设计。
4 按堆积密实原则设计单方砂、石量
在设计出符合混凝土强度、耐久性和施工工作性要求浆体的基础上，在每m3混凝土中除去浆体体积和空气体积外，剩余部分便是砂、石体积。如前所述，在设计混凝土配合比时所有砂、石及粉状固相颗粒应有最密实的堆积。怎样才能获得最密实的堆积呢，方法有二。一是种著名的富勒氏连续级配理论，其方程式如式（1）：
式中p———通过某筛孔的百分数（%）；
d———筛孔的孔径（mm）；
D———粗骨料最大粒径（mm）。
另一种获得密实堆积的方法为间断级配，以间隔三个以上筛号的小颗粒填充大颗粒空隙。鉴于目前国内建筑工程施工混凝土的石子最大粒径多为25mm和20mm，下面用（1）式计算石子最大粒径为25mm和20mm的砂、石最密实堆积级配数据如表所示（略）。笔者经反复多次试验，最大粒径为25mm和20mm的石子，如按表内两级配复配，空隙率均可降至38%以下，如按三级配、四级配复配，则空隙率可降至36%以下。鉴于砂、石来源与材质不同，在配制混凝土时，不宜用与石子统一的连续级配要求砂子，一般均用砂率表述砂、石配合关系。从计算数据看，石子最大粒径为25mm的普通混凝土的连续级配砂率约为40%，石子最大粒径为20mm的普通混凝土的连续级配砂率约为45%。但由于最大粒径为25mm的石子用（1）式计算的密实堆积状态的砂子偏粗，比粒度为4，若换用比粒度为5的偏粗中砂，则砂量变为39.9×4/5=31.9%，加上石子的60.1%，砂石合计为31.9+60.1=92%，则砂率变为31.9/92.0=34.7%，较原计算砂率降低5.2%（5%左右）。同样，计算的堆积密实状态的砂子比粒度为4.63，已属于偏粗的中砂，如改用比粒度为5的中砂，砂率约降低2%。对于砂率，日本建设省提出的“新RC计划”认为，最大堆积密实度理论对于骨料比表面积与多余的起润滑作用的浆体数量的影响考虑得不够，提出有利于新拌混凝土流动性的砂率降低值。笔者经试验证明，在胶结材量较多时适当减少砂率，确有利于混凝土的流动性。表1为笔者探索自密实混凝土配合比过程中的部分试验数据。表1的数据说明，对于胶结材多的混凝土，按堆积密实曲线适当减少砂率，不仅有利于流动性，而且有利于浆体与骨料的总体密实性，在表3中体现为强度也有一定程度的提高。另外从堆积密实原则看水泥及掺合料粉体与砂石的堆积关系，由于水泥、S95磨细矿渣粉的粒径多在1~80!m之间，一级粉煤灰稍细一些，二级粉煤灰稍粗一些。如按d2=d1/2的筛孔缩减规律看，胶结材粉体或浆体与砂、石混拌均匀，也符合间断级配堆积密实规律。综上所述，设计混凝土配合比必须按强度、耐久性与施工工作性要求，设计出合乎要求的胶结材浆体。有了胶结材浆体体积，则在每m3混凝土拌合物中，除去浆体体积和空气体积就是砂、石体积。然后根据石子最大粒径按堆积密实及有利于流变性原则选择合适的砂率，即应得出符合要求的混凝土配合比。
表1适当降低砂率的效果
5 结语
总之，合理设计优质混凝土配合比，首先要根据结构物强度、耐久性与施工性的要求设计胶结材浆体，其次按环境与耐久性设定空气量。在胶结材浆体体积与空气体积确定后，剩余的空间便是砂、石体积，再根据堆积密实原则针对不同类型混凝土与石子最大粒径，提出建立的五个连续级配计算式求得最适宜的单方石子量。基于混凝土拌合物的堆积密实性与流变性的规律，砂率必然随胶结材浆体量的增减而变化，通过本文论证，设计混凝土配合比时，不宜以砂率为主导参数，而宜根据不同类型混凝土和石子最大粒径按堆积密实原则选用适宜的单方石子量。这样，除去胶结材浆体体积、空气和石子体积，便是砂子体积。
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论文作者:郑犇1,魏燕燕2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/21
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