摘要：装配式建筑构件中高性能混凝土具备稳定性、持久性、强度等方面优势，通过科学设计配比参数能够提供可行性较高的配合比设计思路。本文通过分析装配式建筑构件配合比的设计思路，围绕材料选择、配合比计算等方面结合实例探究装配式建筑构件混凝土的具体设计内容，进而为改善混凝土强度提供理论支持。
关键词：装配式建筑；建筑构件；混凝土配合比
前言：在生产装配式建筑构件时，为了避免窝工，提升生产效率，降低模具投放，对于混凝土的早期强度要求较高，普通的混凝土配比设计方案无法满足工厂对于构件的要求，因此有必要探索实用的装配式建筑构件混凝土配合比设计思路，提升配合比设计水平，实现混凝土配比试验中新设备、新工艺、新材料的应用。
一、装配式建筑构件概述
装配式建筑是在工地利用预制构件进行装配的建筑，需要将提前生产完成的柱、板、墙、梁等进行组装。装配式建筑搭建速度较快，能够节省劳动力，受天气的影响较低，因此可以极大程度地避免渗漏、墙体开裂等问题，能够全面提升住宅的安全性，对于环境污染较小。而建筑构件在施工现场需要进行混凝土的浇筑和搭接，进而保证建筑的安全性和可靠性。混凝土配合比是混凝土中材料间的比例关系，因此配合比设计在混凝土工程中十分关键，会关系到装配式建筑施工的成本、质量、进度。
二、装配式建筑构件混凝土配合比的设计思路分析
（一）强度等级
装配式建筑构件混凝土强度等级包含C30、C35、C40、C45、C50等类型，C40及以上的混凝土具有较低的水胶比、胶材用量较大的特点，36小时的强度趋近于20Mpa，因此达到了混凝土构件的拆模早期强度要求。而C30和C35的混凝土由于水胶比大、胶材用量较少，因此设计难度较高，24小时的强度不超过10Mpa，36小时的强度小于15Mpa，按照传统设计思路无法满足混凝土构件的拆模早期强度要求。
（二）设计思路
1.水泥材料
为了使混凝土构件满足拆模早期强度要求，降低混凝土的成本，可以围绕以下几方面进行处理：其一，选择早期强度较高的水泥或PII52.5水泥，挑选合适的高性能减水剂，保证其具有较高的减水率，减少混凝土水胶比，提升其早期强度。对于C30和C35等低强度混凝土，可以提前增加水泥用量、胶凝材料，减少水胶比，提升其配置强度[1]。其二，生产减水剂时，建议选择早期性较高的母液，进而提升混凝土的早期强度，同时科学选择胶材品种和组合。当前大部分配合比胶材属于粉煤灰和水泥的组合，没有矿粉。由于粉煤灰28天活性指数只有62%，同时其颗粒形态属于玻璃球状，具备高温烧结而成的玻璃体，需要组织其早期水化。因此，在满足拆模早期强度标准的建筑构件中，混凝土水泥用量较多，会增加成本影响耐久性。
2.水泥和矿粉的组合思路
相较于粉煤灰，矿粉的活性较高，在7天可以达到80%，28天能够达到100%。矿粉通过物理加工细化，其中的三氧化二铝、二氧化硅能够直接参与水泥水化，氢氧化钙与三氧化二铝、二氧化硅通过产生化学反应，形成铝酸盐凝胶、硅酸盐凝胶，对于混凝土的早期强度影响较小。同时，矿粉表面积约420m2/kg，当水泥水化时可以当作晶核，完成晶核反应，促进水泥水化的作用。如果混凝土的水泥用量较大，其中的一部分水泥细小颗粒会化为晶核，材料量过多会导致其中的颗粒无法得到充分的水化作用，对于混凝土耐久性和强度具有一定影响，因此在相同的胶材用量基础上，如果混凝土在添加好矿粉后，相较于不加或者加入较少的矿粉，混凝土强度会相对较高。
因为矿粉的颗粒直径相较于水泥颗粒较小，将其加入到水泥颗粒的缝隙中后，可以实现良好的填充作用，达到集料填充效应。此外，矿粉水化相较于水泥十分缓慢，矿粉中的活性物质如三氧化二铝、二氧化硅和水泥水化后产生的氢氧化钙会逐渐发生化学反应，进而形成硅酸盐凝胶和铝酸盐凝胶，这些物质体积较大，可以产生微膨胀效应，增加了混凝土的密实程度，既可以提升混凝土强度又能优化混凝土的实用性和耐久性。因此，建议建筑构件混凝土配合比设计时，胶材组合可以选择水泥和矿粉。
三、装配式建筑构件混凝土配合比设计实例分析
（一）设计案例分析
以混凝土构件中设计难度最高的C30混凝土为例，探究装配式建筑构件混凝土配合比的优化设计。某项目工程地下2层与地上33层结构，楼层建筑为剪力墙结构，且其中全预制混凝土楼梯属于建筑构件，工程要求24小时混凝土需要达到30摄氏度的养护环境温度、150-160mm的坍落度要求，25Mpa的拆模强度，60%的湿度要求。
（二）材料选择
1.选择水泥
本项目楼梯结构中C30混凝土的要求是24小时的拆模强度应满足20Mpa。因此为了确保这一要求，需要赋予混凝土的良好施工性能，既应该考虑水胶比降低因素，又需要选择早期强度高的水泥材料[2]。因此建议选择PII52.5型酸盐水泥，该材料的优势包含流动性强、色泽佳、坍落度损失较小等方面，关键后期强度、早期强度高，能够达到早期混凝土拆模强度的标准。此外，因为材料的水化快、早期强度高，可以形成大量氢氧化钙，进而促进掺合料活性的升级，突出混凝土材料的耐久性、强度。掺合料活性的加强能够极大程度低增加了掺合料的用量，经过设计发现该PII52.5硅酸盐水泥的3天强度是33Mpa，28天强度为58Mpa。
2.选择矿物掺合料
建议尽可能通过矿物掺合料避免水泥的较大用量，通过二次水化作用会出现晶核与膨胀填充效应，可以提升混凝土的紧密度，提升耐久性、强度。同时，密切分析掺合料的水化与水泥的水化速度是否同步，注意不可过于滞后，切勿对混凝土的早期强度造成影响。建议设计部门选择矿粉材料替换部分水泥用量，例如对100-150kg的水泥进行替换，同时对C40或其以上的混凝土增加矿粉掺量，既不会对材料强度造成影响，也能够极大程度地降低水泥的用量，节约混凝土使用的成本，减少其黏度、坍落度损失，提升其流动性。通过掺加矿粉使得混凝土结构更加密实，突出了混凝土材料的耐久性。
建议选择S95级矿粉进行设计，其来料均匀、质量稳定，满足国家有关技术标准和要求。该矿粉7天活性指数为79%，28天的活性指数是101%。而建筑构件不采用粉煤灰的主要因素包含以下内容：当前市场中粉煤灰质量不确定，Ⅱ级粉煤灰中夹杂着一些Ⅲ级灰，导致质量常不合格，同时材料色差较大，影响建筑结构的外观和质量，因此会影响混凝土24小时的早期拆模强度。
3.选择骨料
骨料中细骨料（砂）十分关键，需要达到早期较高的拆模强度，因此水胶比较小，不适合使用细度在2.3以下的砂，否则会提升混凝土的黏度，增添施工难度。在选择细骨料时需要采自河流中下游的中砂、如细度是2.7的中砂，该材料的颗粒级配佳、外观圆润，契合建筑构件工作性要求。不过，含泥量为0.5%的中砂属于非活性骨料，需要慎重选择。为了达到拆模早期的强度要求，水胶比很低，混凝土粘度较大。若想减少混凝土粘度，满足施工的性能需要增加碎石的表面积，因此骨料的粒径应低于25mm，且不可采用粒径超过25mm的碎石块。碎石处于相同重量时，粒径越小其表面积越大，能够充分将胶材分散开，减少混凝土的黏度，通过增加胶结面积提升混凝土强度。此外，建议选择颗粒形态好、石材强度高的粗骨料，若颗粒级配不佳，可以选择复合5-25mm的碎石。
4.选择减水剂
普通脂肪族减水剂由于减水量较低，在早期建筑构件强度较小的前提下，由于较低的水胶比，会逐渐形成巨大的用水量。若水胶比相同情况下，相较于其他胶材，聚羧酸减水剂的减水率较高，不过会出现早期强度低、坍落度较大的问题，由于24小时其强度较低，因此不能达到建筑构件拆模标准。在使用脂肪族减水剂生产混凝土时，会在材料表面生成不规则形状的气泡，对混凝土的外观和质量产生不良影响。因此，建议选择25%减水率的减水剂，尽可能降低混凝土配合比的用水量，节约胶材，提升结构耐久性。此外，选择科学的减水剂设计出的混凝土保塑效果佳，坍落度损失小，确保施工性能。且聚羧酸减水剂中聚羧酸母液复配形成早强母液，相较于普通的试剂提升15%的早期强度，建议加入1.0%-1.8%的胶凝材料。
（三）建筑构件混凝土配合比设计
1.计算配置强度
本项目目标混凝土强度是C30，结合《普通混凝土配合比设计规程》中关于配制强度的计算公式如下：1.645.png)
+fcu，k≤fcu，0[3]。在该式子中，fcu，0实际上是混凝土的配制强度（单位是Mpa）；fcu，k是混凝土设计强度（单位是Mpa）；.png)
（单位是Mpa）。结合本项目工程计算发现，30+1.645×5≤fcu，0=38.2（MPa），该计算公式可以得出相关配制强度，标养28天后强度可以满足38.2Mpa的标准。但是标养24小时的配制强度仍然较低，数值在10Mpa左右，不能达到20Mpa的拆模强度标准。因此需要将配制强度提升至55Mpa，通过降低水胶比，使24小时的强度满足20Mpa，因此建议在设计时选择55Mpa的配制强度。
2.确定砂率
普通混凝土配合比设计规程中强调，当水胶比在0.4-0.5、坍落度超过60mm、碎石粒径在20mm左右时，β（砂率）选择33%。同时，坍落度每增加20mm，混凝土结构中砂率就会提升1%。当砂的细度低于2.5时，降低砂率；当砂的细度高于2.5时，降低砂率。因此，计算混凝土的配合比砂率公式为：βs=33%+[（150-60）20]%+1%≈39%。
3.强度实测和成本对比
当混凝土试件完成后，将会处于自然养护阶段，因此应科学设置相关数值，其中，温度值为30℃；湿度约65%。在数据测量分析得出C30类型混凝土的24h早期强度是15.6MPa。36h的强度是22.5MPa，当材料自然养护时间满足36h时，早期强度达到了20MP，契合生产要求的成本，需要分析混凝土成本与同类混凝土相比是否较低。在与某建筑构件中C30混凝土对比成本后发现，该工程选择粉煤灰、水泥组合作为胶凝材料组合，为了满足24h的拆模强度要求，即20MPa。一般水泥的用量比较大，会满足350kg/m3的标准。经过分析发现，该项目中使用的水泥、矿粉凝胶材料组合的配合比与粉煤灰、水泥组合相比，可以达到20Mpa拆模强度标准。但是按照设计技术的要求分析，混凝土强度是37.4时，砂率是35，坍落度为90-150mm。
（四）科学设计配合参数
建筑构件的混凝土配合比设计应注意对于各项参数的控制，浆骨比、砂率、水胶比、减水剂的实际掺量是控制重点。其中，对于水胶比的控制应满足混凝土特点，通过低水胶比提升其耐久性、避免渗透情况。因此，工程需要确保混凝土水胶比低于0.40；例如，C50强度的混凝土水胶比数值需要在0.370.33内，C80强度的混凝土水胶比数值应在0.28-0.24内。依据强度等级明确水胶比，能够依托矿物细掺合料的数量和种类，分层调节强度；而浆骨比是骨料和水泥浆的比例，浆骨体积比需要设置为35：65，该比例中混凝土的工作性、强度、体积的稳定性等要素体现出较高理想化，混凝土也处于最佳状态。
而针对C50、C70强度的混凝土，20%、50%水泥需要经由优质的粉煤灰或15%-30%矿渣进行替代，强度低于C80的混凝土需要借助15%、35%的优质粉煤灰、矿渣与5%、10%的硅灰进行结合。此外，砂率的控制同样会关系到混凝土的性能，因此在使用粗骨料时应明确这一点，混凝土强度会伴随着砂率的提升而减少，弹性模量同样减小，因此需要结合总胶凝材料的用量、输送要求、粗细颗粒骨料级配进行设计、科学选择砂率。例如，当胶凝材料的总用量低于360kg/m3时，1.6-2.2细度的模数细砂、2.33的中砂、3.1-3.7的粗砂占比分别是0.38、0.40、0.42；若胶凝材料总用量为420kg/m3-480kg/m3间，细砂、中砂、粗砂的比是0.34、0.36、0.38；减水剂的掺量直接关系到混凝土的强度与耐久性，且混凝土的流动性和坍落度会受到不同程度的影响，因此需要采用1.5%-2%间的掺量。
（五）选择用水量
一般可以按照《普通混凝土配合比设计规程》中强调的塑性混凝土用量进行配合比设计，同时依据混凝土坍落度计算用水量。经过分析发现，碎石坍落度是90mm，最大粒径是20mm时，可以设置215kg的用水量；碎石坍落度是90mm、最大粒径为31.5mm时建议选择205kg的用水量。在本项目中，碎石最大粒径值是25毫米，可以取210kg的中间值用水量，且每增加40毫米的坍落度，会提升10千克的用水量，如果坍落度为110mm，则混凝土配比中用水量为215kg/m2。
（六）解决双掺或多掺问题
双掺或多掺问题会使混凝土强度的凝结时间、增长时间延长，导致工程的进度受到消极影响。若掺合料质量较差或者用量较大，也会使混凝土出现长时间的塑性情况。因此，混凝土配合比设计时应依据工程施工的气候、环境、结构特征、施工方式、具体要求、强度等级进行设计，科学控制矿物活掺合料的掺入总量。例如，在使用硅酸盐水泥时，可以提升活性矿物掺合料掺入总量，若在冬天施工，则应选择具有非缓凝性质的减水剂，并减少活性矿物掺合料的掺入总量。
结论：综上所述，通过探究装配式建筑构件的混凝土配合比设计内容中得出，如果设计强度较小，需要提升配置强度，减少水胶比，使用矿粉胶凝和水泥材料代替传统材料组合，进而大大减少设计成本，通过降低水泥用量提升矿物掺合料的总量，突出混凝土的耐久性和性能，优化装配式建筑构件的质量。
参考文献：
[1]高岚.装配式混凝土构件工厂生产质量管控及监管探索[J].商品混凝土，2020，（Z1）：18-19+21.
[2]方小婉，姚汝方，于峰，等.配合比参数对混凝土硫酸盐冻融破坏的影响[J].水电能源科学，2020，38（01）：123-126+103.
[3]高春风，李红林，常成.装配式建筑构件混凝土技术研究[J].建筑结构，2019，49（S1）：892-894.
论文作者:吴群
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：混凝土论文; 强度论文; 构件论文; 水泥论文; 建筑论文; 材料论文; 用量论文; 《基层建设》2019年第32期论文;