3.1 混凝土配合比設計原則

混凝土配合比設計要在滿足設計要求的強度、容重、耐久性與施工和易性的條件下，盡量使水泥用量少。設計混凝土配合比時，應遵循以下原則^［3-1］。

（1）根據工程要求、結構型式、施工條件和原材料情況，配制既滿足工作性、強度與耐久性等要求又經濟合理的混凝土，確定各種材料用量。

（2）合理選擇水泥品種及強度等級。

（3）在滿足工作性要求的前提下，應選用較小的單位用水量。

（4）在滿足強度、耐久性及其他要求的前提下，選用合適的水膠比。

（5）應選取最優砂率，即在保證混凝土拌合物具有良好的黏聚性并達到要求的工作性時用水量最小、拌合物密度較大所對應的砂率。

（6）為降低水泥用量及改善和易性，應摻用優質摻合料（粉煤灰等）和外加劑。

（7）選用可能的骨料最大粒徑和粗骨料用量。根據建筑物結構的斷面和鋼筋布置的稠密程度及施工設備等情況，應盡可能選用較大的骨料最大粒徑和較大的骨料用量。

（8）選擇較好骨料級配。骨料級配（包括粗細骨料各自的級配和砂率），對混凝土的密實性及和易性有較大的影響。根據就地取材的原則，在選擇骨料級配時應考慮料場的實際級配，盡量減少棄料，降低骨料生產費用。

（9）經濟性，盡量降低混凝土單價。

混凝土配合比設計必須滿足工程結構設計要求的強度。水工混凝土的強度服從“水灰比定則”，即“水灰比”是混凝土強度的決定性因素。當混凝土的原材料、質量和其他條件不變時，水灰比大小決定混凝土的強度大小。滿足強度要求的水膠比，可根據工程所建立的混凝土強度與水膠比的關系曲線或關系式確定。對于尚未建立強度與水灰比關系的工程，可從混凝土強度與水膠比及水泥強度等級的關系式初步選定。

混凝土除滿足結構要求的強度外，還應滿足其耐久性的要求。一般而言，強度足夠的大體積內部混凝土，在通常的情況下都是耐久的。在這種情況下，強度是選擇水膠比的主要根據。但當并不需要很高的強度、卻因環境條件比較惡劣而需求混凝土具有較高的耐久性時，對耐久性的要求則是選擇水膠比的主要根據。這時，為了滿足耐久性的要求，往往規定水膠比的最大允許值。可以根據建筑物的類型和使用條件，參照有關的規范選擇水灰比。

混凝土的耐久性與其內部毛細孔隙大小及分布狀態有關。而毛細孔隙大小及分布狀態與用水量和膠凝材料的水化程度有關。混凝土用水量多，其內部毛細孔隙就多，外部侵蝕性介質（如含有害物的水或氣體）滲透至其內部的可能性就會增加，對混凝土的耐久性不利。

在保證混凝土強度、耐久性的要求下，施工和易性也是配合比設計考慮的原則之一。

和易性是混凝土拌合物滿足施工要求的重要技術性能，它對施工質量有直接的影響。工作性好的混凝土在施工過程中骨料抗分離性好，泌水小，可獲得較高的混凝土強度和耐久性。一個設計適當的配合比必須易于澆筑并用現有設備能振搗密實，易于施工，離析和泌水應降至最小。如果工程需要，應當以增加砂漿用量重新設計配合比來改善工作性，而不是用單純增加用水量的方法來改善工作性。因為用水量增加不僅會降低混凝土強度和耐久性，而且混凝土拌合物也容易離析，因此在滿足和易性的要求下，盡量降低混凝土的用水量，保持水灰比不變，用水量越小，水泥用量也越少。

在施工許可的條件下，用盡可能小的坍落度，坍落度愈小，用水量愈少；骨料最大粒徑愈大，用水量也愈少。同時，骨料的級配好，空隙率小，粗細骨料的比例即砂率合適，混凝土的用水量也少。所以在施工許可的條件下，應選用較小的坍落度，選用最大粒徑較大的粗骨料和最佳的骨料級配以減少混凝土的用水量。

當砂、石骨料和膠凝材料種類不變時，影響和易性的主要因素是用水量、漿骨比、砂率、外加劑品種與劑量。若施工要求調整和易性時，應遵循以下原則：

1）增加用水量應保持水灰比不變。

2）漿骨比是水泥漿（或膠材漿液）與骨料之比。增大漿骨比即增加漿液濃度，可以增加拌合物的黏聚性，增加坍落度。

3）用增減砂率來調整拌合物的稠度。坍落度在一定范圍內用增減砂率調整是有效的。

4）為了獲得理想的和易性，而用水量又不增加時，采用品質優良的外加劑，特別是減水劑，就能達到目的。

在單位體積混凝土中，粗骨料的體積含量最大，因此，粗骨料的體積密實性直接關系到混凝土的空隙率。混凝土粗骨料的空隙率越小，充填空隙的水泥砂漿用量越少。為了達到最佳的粗骨料體積密實度，應選擇粗骨料的最佳級配，使其空隙率減小。

粗骨料的最大粒徑越大，在給定體積的粗骨料或在骨料級配相近或較好的粗骨料中，較大粒徑粗骨料的表面積和空隙率要比較小粒徑粗骨料的小，那么，包裹和充填的水泥砂漿量少，在同樣的用水量時，能夠獲得較好的和易性。但是，粗骨料的最大粒徑應根據結構物斷面尺寸、鋼筋間距以及施工工藝條件和要求來選定。根據水工建筑物設計的規范要求，混凝土粗骨料最大粒徑應不大于結構物斷面最小尺寸的1/4，不大于鋼筋最小凈距的3／4，不大于板厚的1/2^［3-2］。

另外，在選擇粗骨料最佳級配時，要盡量兼顧骨料開采加工與使用量的關系，使利用率最高，棄料最少。

在滿足強度和耐久性以及施工和易性，保證獲得優良工程質量后，降低混凝土成本就是要考慮的問題，所以經濟性也是混凝土配合比設計應遵循的基本原則。

混凝土的組成材料中，水泥的用量相對較少，但成本最高。在滿足混凝土技術要求的條件下，應盡量減少水泥的用量，減少水泥的用量不僅可以降低混凝土成本，而且還可降低混凝土的水化熱溫升，從而避免或減少溫度變化引起的混凝土開裂。為了減少水泥用量，可用合適的摻合料（如粉煤灰等），取代部分水泥，使用適當的外加劑，采用較小的坍落度，以及采用最大粒徑較大的骨料和最佳砂率。對于水利水電工程大體積混凝土來說，使用量最多的還是骨料，要降低工程費用，應盡量就地取材。在有天然骨料且能滿足要求時，應優先使用天然骨料；如果得不到合適的天然骨料，應就地開采加工人工骨料。無論是天然骨料，還是人工骨料，都要盡量提高其利用率，減少棄料。配合比設計的經濟性還應與施工所要求的質量控制指標有關^［3-2］。

很明顯，改變混凝土一種組分用量時必定會影響其他組分用量的變化。例如，在1m³混凝土中，減少水泥用量就必定增加骨料用量。在一定的材料和一定的工程（即結構類型和施工方法已定）的條件下，配合比設計受用水量、水灰比和砂率諸因素控制。改變混凝土配合比的一個參數，會對混凝土兩種互相影響的性能產生相反的影響。例如，增加混凝土的用水量，雖會增加混凝土的流動性但卻會降低混凝土的強度。事實上，混凝土的和易性由兩個重要部分組成，即稠度（易于流動）和黏性（抵抗離析）。當增加用水量時兩者恰恰受到相反的影響，流動性增加同時黏性減小。