摘要：传统配合比设计方法是以强度为基础，依靠统计和经验以及查表得出相关参数，“全计算法”设计混凝土配合比则是依据混凝土体积模型以及空隙填充理论，经过一系列公式推导，从而计算出各组成材料的用量，是一种科学的设计混凝土配合比方法，适用于现代高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土配合比设计。
关键词：全计算法 设计 混凝土配合比
前言：
水泥混凝土是指由水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料加水与外加剂充分拌合均匀后经水化硬化后而成的一种人造材料，是当今世界上用量最大、用途最广的一种建筑材料。“全计算法”进行水泥混凝土配合比设计观点最初是由陈建奎、王栋民教授于2000年发表于《硅酸盐学报》，陈建奎教授在2000年巴黎的国际混凝土学术会议上宣读了有关“全计算法”的论文，引起了与会专家的极大关注。该法从鲜为人知的创建初始阶段到逐渐被人们所接受，经过了十年时间的推广，在应用上并取得了良好的技术经济效益。混凝土配合比设计的理念和方法，体现着不同时期混凝土科学的发展水平，长期以来，广大技术人员都是依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）进行混凝土配合比设计，无论是假定容重法还是绝对体积法，都是一种以经验为基础的半定量设计方法，以强度为主要指标。而现代高性能混凝土对其耐久性、工作性提出了更高要求，“全计算法”是一种更合理、更科学的混凝土配合比设计计算方法。
一.“全计算法”设计混凝土配合比的理论依据：
根据国外的有关规范和研究成果显示，要使混凝土同时达到最佳的施工工作性和强度性能，胶凝浆体体积与骨料的体积比应为35：65。如果浆体体积过多，混凝土则产生体积收缩徐变，影响混凝土体积稳定性，反之，浆体体积过低则混凝土拌合物和易性差，不利于施工。混凝土的强度与用水量呈线性关系，用水量大则强度低，反之则强度高，在确定了胶凝浆的体积后，确定其用水量，就可以准确计算出其它各材料组分的用量。
（一）、“全计算法”基于水泥混凝土空隙填充理论：
W—— 水的体积 （l/m3）
Vc ——水泥的体积 （l/m3）
Vf—— 掺合料的体积 （l/m3）
Va ——含气量即空气的体积 （l/m3）
Vs —— 砂（细骨料的体积） （l/m3）
Vg —— 石子（粗骨料的体积） （l/m3）
Ve——浆体体积 （l/m3）
Ves——干砂浆体积 （l/m3）
（三） 、推导基本的计算公式
1.砂率计算
根据混凝土体积模型可知：
浆体体积 Ve=W+Vc+Vf+Va ①
集料体积 Vs+Vg=1000-Ve ②
干砂浆的体积 Ves= Vc+Vf+Vs+Va ③
式中：W—— 水的体积 （l/m3）
Vc ——水泥的体积 （l/m3）
Vf—— 掺合料的体积 （l/m3）
Va ——含气量即空气的体积 （l/m3）
Vs —— 砂（细集料的体积） （l/m3）
Vg —— 石子（粗骨料的体积） （l/m3）
Vs= Ves-（Vc+Vf+Va）
Vc+Vf+Va=Ve-W
Vs=Ves-Ve+W
则砂子重量：S=（Ves-Ve+W）× ρs ④
式中：S——砂的用量（kg/m3）ρs ——砂的表观密度
Vg=1000-Vs-Ve
Vg=1000-Ves-W
则石子的重量：G=（1000-Ve-W）ρg ⑤
式中： G——石子的重量（kg/m3）
ρg ——石子的表观密度（kg/m3）
砂率：Sp= S/（S+G）×100%
（Ves-Ve+W）ρs
Sp= ————————————————————×100%
（1000- Ves- W）ρg+（Ves-Ve+W）ρs
上式是砂率计算的通用公式。
当ρs = ρG时（即ρs =2.65，ρg =2.70）可将上式简化为
Ves-Ve+W
Sp= ——————————————×100% ⑥
1000-Ve
从上式可以表明，混凝土的砂率随用水量的增加而增加，随胶凝材料的增加而减少，是反比例关系。
要使混凝土同时达到最佳的施工和易性和最好的强度性能，胶凝材料的体积与骨料体积比为35：65。
故对于1m3混凝土，可取Ve=350（l/m3）， Vs+Vg=650（l/m3）
2.干砂浆体积的确定
对于一定颗粒的碎石，表观密度ρ0，（堆积）紧密密度为ρb，与石子空隙率（P）的关系为：
P=1-ρb /ρ0
根据混凝土的体积模型的观点：石子的空隙由干砂浆来填充。当单位体积的混凝土中，石子间的孔隙率被干砂浆填满时，则得干砂浆体积为：
Ves=1000P=1000×（1-ρb /ρ0） （l/m3） ⑦
上式可以通过实测石子的表观密度ρ0 和堆积紧装密度ρb精确计算，通常情况下，最大粒径25mm的碎石ρ0=2.70，ρb=1.55，则干砂浆体积为：
Ves=1000×（1-1.55/2.70）= 426（l/m3）
石子粒径越大，比表面积越小，因此空隙率越小。
石子最大粒径与Ves（l/m3）的关系
3.用水量计算公式，根据水灰比定则：
fcu.p=aAfce[（C+F）/W-aB] ⑧
式中：（C+F）/W——灰水比
C.F——分别为水泥，矿物掺合料的用量，（kg/m3），用字母“B”表示。
Ve=W+Vc+Vf+Va
fcu.p=aAfce[B/W-aB] 解方程
设矿物掺合料在胶凝材料中的体积为x，即水泥与掺合料的体积比则为（1-x）：x，则有
Ve-Va
W=—————————————————————
1 fcu.0
1+———————————（———— +aB）
（1-x）ρc+xρf aAfce
上式为掺加各种不同数量矿物掺合料时单方混凝土用水量的计算公式，
式中：ρc =3.15kg/m3、ρf =2.51kg/m3.分别为水泥、掺合料的密度。
当x=0时，，即无掺合料时，
Ve-Va
W =———————————— ⑨
0.317
1+ —————
（W/B）
当x=25%时，即水泥与矿物掺合料（如粉煤灰、矿渣、硅灰）的体积比为75：25时，得到
Ve-Va
W= —————————— ⑩
0.335
1+—————
W/B
式⑧中的系数[1/（1-x）ρ0+xρf]的大小与掺合料的体积掺量有关，计算表明，x的变化对此系数影响不大，因此，一般在计算时采用公式⑩，即系数为0.335。当掺合料的密度与设定值相差较大时，可用公式⑧进行精确计算用水量。
X对函数的影响
从上述关系表明：
①混凝土的用水量取决于强度和水胶比，强度高，水胶比小，用水量少。
②.矿物掺合料的品种（密度不同）和掺量影响混凝土的用水量。
③含气量越大，混凝土用水量越少。
二、混凝土配合比的设计步骤：
1.配制强度
fcu，p=fcu，k+1.645σ
fcu，p—— 配制强度等级
fcu，k——设计强度等级
σ——混凝土强度标准差，可根据近期同类混凝土强度资料求得，若无历史统计资料时，强度标准差可根据要求的强度等级按下表选定取用．
标准差σ值表
２.水胶比：
aAfce
Ｗ/B ＝——————————
fcup＋ aAaB fce
3.用水量
Ｖe－Ｖa
Ｗ＝——————
0.335
1＋————
W/B
Ve——浆体体积
Va——气体体积
W/B——水胶比
掺外加剂后的用水量：
W0=（1-β）Ｗ
β——外加剂的减水率，（%）
４.胶凝材料用量：
Ｗ0
Ｃ＋Ｆ＝—————————— =B
Ｗ/（C＋Ｆ）
Ｃ＝（１－α）B
Ｆ＝Bα
式中：B＝胶凝材料用量（kg/m3）
α＝矿物掺合料的用量，（%）
C——水泥用量（kg/m3）
Ｆ——矿物掺合料用量（kg/m3）
５.砂率及集料的用量
Ves-Ve+W
Ｓp=————————×100％
1000－Ve
S／（S+G）=Ｓp
{
S／ρs +G／ρg =0.65
解方程组得S、G
S——砂用量（kg/m3）
G——碎石用量（kg/m3）
ρs ——砂的表观密度 （kg/m3）
ρg ——石子的表观密度（kg/m3）
结束语
混凝土由水泥、矿物掺合料、砂、石子、水和外加剂等多种成分按严格的比例关系组成，传统配合比设计方法不可能得到优化的配合比，而“全计算法”在设定的条件下能精确计算出每个组分的用量和比例。配制强度、水胶比、用水量、胶凝材料组成与用量，砂率及粗、细集料及外加剂等均可以通过公式计算而定量确定，最终确定混凝土配合比．与传统配合比设计中大量参数经过查表取值的经验方法比较，其科学性大大的提高了。
论文作者:葛宋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/6
标签：体积论文; 混凝土论文; 用水量论文; 用量论文; 石子论文; 强度论文; 掺合论文; 《基层建设》2019年第23期论文;