3.3 混凝土配合比設計

3.3.1 配合比設計步驟

配合比設計就是確定出混凝土中水泥、水、砂、石子四種主要組成材料之間相對的關系并計算出它們的數量。

混凝土中各種原材料的品質、數量對混凝土的各項技術性能都有一定的影響。對于不同的工程，混凝土的技術要求及原材料是不同的，故在混凝土配合比設計時，必須根據工程的設計要求及原材料要求進行計算和試驗，其他工程的混凝土配合比只能作為參考。

在原材料確定的條件下，按以下步驟進行混凝土的配合比設計。

（1）根據設計要求的混凝土強度和耐久性，初步選定水灰（膠）比。

（2）根據施工要求的坍落度和粗骨料最大粒徑等，確定用水量。

（3）根據粗骨料的最大粒徑及級配，確定砂率。

（4）根據水膠比與用水量計算膠材用量，再采用“體積法”或“質量法”計算砂石骨料用量。

（5）在初步計算配合比的基礎上，通過試拌與必要的調整，確定1m³混凝土中各組成材料的用量。

3.3.2 混凝土配制強度計算

根據設計強度等級計算配制強度。混凝土強度是混凝土最重要的性能之一，從工程結構設計的觀點看，設計規定的混凝土強度是最低要求的強度。考慮到在生產中由于原材料質量和生產因素的波動，以及試件制作、養護和試驗的差異，均要求設計混凝土的配合比要有一定的強度富余，換句話說，施工用的配合比的平均強度應當大于設計強度，這個施工平均強度叫做配制強度，根據配制強度（而不是設計強度）設計配合比，強度富余量應該是多少，與質量控制水平有關。質量控制得好，在生產過程中混凝土強度的變化范圍小，強度富余量可以小一些；如果質量控制得差，生產過程中混凝土強度波動幅度大，必將相應地要求增加富余強度，這樣就需要提高配制強度，增加膠材用量。從這里可以看出，加強質量控制，不僅能保證工程質量，也是一種有效的節約措施^［3-2］。

為了使混凝土強度具有要求的保證率，必須使配制強度大于設計強度等級。富余強度的大小，除取決于強度保證率的要求外，還取決于混凝土強度的波動范圍，即混凝土的標準差。當混凝土的設計強度等級和要求的保證率已知時，混凝土的配制強度可按下式計算^［3-3］：

式中 f_cu，0——混凝土配制強度，MPa；

f_cu，k——混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值，MPa；

t——概率度系數，由給定的保證率P選定，其值按表3.3-1^［3-3］選用；

σ——混凝土立方體抗壓強度標準差，MPa。

當有強度資料時，混凝土抗壓強度標準差σ，可按同品種混凝土抗壓強度統計資料確定：

（1）統計時，混凝土抗壓強度試件總數應不少于30組。

（2）根據近期相同抗壓強度、相同生產工藝和配合比的同品種混凝土抗壓強度資料，混凝土抗壓強度標準差σ按下式計算：

式中 f_cu，i——第i組試件抗壓強度，MPa；

m_fcu——n組試件的抗壓強度平均值，MPa；

n——試件組數。

（3）當混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值小于和等于25MPa，其抗壓強度標準差σ計算值小于2.5MPa時，計算配制抗壓強度用的標準差應取不小于2.5MPa；當混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值等于或大于30MPa，其抗壓強度標準差計算值小于3.0MPa時，計算配制抗壓強度用的標準差應取不小于3.0MPa。

當無近期同品種混凝土抗壓強度統計資料時，σ值可按表3.3-2^［3-1］取用。施工中應根據現場強度的統計結果調整σ值。

3.3.3 配合比基本參數

混凝土配合比基本參數有水膠比、用水量、骨料級配與砂率、摻合料與外加劑摻量等。

（1）水膠比

根據混凝土配制強度選擇水膠比。在適宜范圍內，可選擇3～5個水膠比，在一定條件下通過試驗，建立強度與膠水比的回歸方程式（3.3-3）或圖表，按強度與膠水比關系，選擇相應于配制強度的水膠比。

式中 f_cu，0——混凝土的配制強度，MPa；

f_ce——水泥28d齡期抗壓強度實測值，MPa；

（c+p）/w——膠水比；

w/（c+p）——水膠比；

A、B——回歸系數，應根據工程使用的水泥、摻合料、骨料、外加劑等，通過試驗由建立的水膠比與混凝土強度關系式確定。

進行混凝土配合比設計時，混凝土的水灰比（或水膠比），根據設計對混凝土性能的要求，應通過試驗確定，并不超過表3.3-3的規定值^［3-2］。

混凝土的水灰比還應滿足設計規定的抗滲、抗凍等級要求。混凝土抗滲和抗凍等級與水泥品種、水灰比、外加劑和摻合料品種及摻量、混凝土齡期等因素有關，應通過試驗建立相應的試驗成果圖表。在沒有試驗資料時，可參考表3.3-4及表3.3-5選擇水膠比。^［3-2］

摻摻合料時混凝土的最大水膠比應適當降低，并通過試驗最后確定。

長期處于潮濕、嚴寒環境和有耐久性要求的混凝土，應摻用引氣劑或引氣減水劑。

最后選定的水膠比應既能滿足配制強度的要求，又能滿足抗凍、抗滲等特性要求，同時必須符合設計、施工規范對混凝土最大水膠比允許值的規定。

（2）用水量

混凝土用水量應根據骨料最大粒徑、砂石顆粒形狀與級配、坍落度或VC值、外加劑與摻合料品種及摻量，以及適宜砂率通過試驗確定。

1）常態混凝土用水量：

①水膠比在0.40～0.70范圍，當無試驗資料時，其初選用水量可按表3.3-6選取。^［3-1］

②水膠比小于0.40的混凝土以及采用特殊成型工藝的混凝土用水量應通過試驗確定。

2）流動性混凝土的用水量宜按下列步驟計算：

①以表3.3-6中坍落度90mm的用水量為基礎，按坍落度每增大20mm用水量增加5kg/m³，計算出未摻外加劑時的混凝土用水量。

②摻外加劑時的混凝土用水量可按下式計算：

式中 m_w——摻外加劑時混凝土用水量，kg；

n_w0——未摻外加劑時混凝土用水量，kg；

β——外加劑減水率。

3）碾壓混凝土用水量：

水膠比在0.40～0.70范圍，當無試驗資料時，其初選用水量可按表3.3-7^［3-1］選取。

（3）骨料級配與砂率

粗骨料按粒徑依次分為5～20mm（小石）、20～40mm（中石）、40～80mm（大石）、80～150mm或120mm（特大石）四個粒級。水工大體積混凝土宜盡量使用最大粒徑較大的骨料，粗骨料最佳級配（或組合比例）應通過試驗確定，一般以緊密堆積密度較大、用水量較小時的級配為宜。當無試驗資料時，可按表3.3-8^［3-1］選取。

砂率是砂子的體積與砂和石總體積的比例。由于砂、石的表觀密度相近，可將它們的體積比近似視為質量比，即砂率是指砂子的質量占砂和石的總質量的百分數，但在配比設計中，仍應按體積比計算。砂率的變化，會使骨料的總表面積發生明顯的變化。砂率對混凝土拌合物的流動性和黏聚性均有很大影響。砂率的選擇是根據粗骨料的最大粒徑、級配、顆粒表面形狀、表面積和空隙率、砂子的細度模數、水灰（膠）比、是否摻用引氣劑和減水劑及施工工藝要求而定。

最優砂率就是指在保證拌合物具有良好的黏聚性并達到要求的流動性條件下，用水量最小時所采用的砂率。在試驗中，先選幾種砂率，通過混凝土拌合物試拌，測定每次不同砂率時拌合物的坍落度，觀察其黏聚性、骨料分離和泌水等，選出最佳的砂率。

常態混凝土初選砂率見表3.3-9^［3-2］，碾壓混凝土初選砂率見表3.3-10^［3-3］。

選擇最優砂率，一般是用選定的水膠比，初選幾種砂率，從最大的砂率開始，每次減少砂率1%～2%進行試拌，直到拌得的混凝土和易性不好為止。試拌時，先將水泥、砂、石干拌均勻，然后逐漸加入拌合水，使坍落度達到要求的數值，記錄實際所用水量（包括砂、石表面含水量），并按此用水量一次加水進行校核試驗。試拌后選出滿足和易性要求的最小用水量對應的砂率。

（4）摻合料與外加劑的摻量

混凝土摻合料品種與摻量，以及外加劑品種與摻量均應通過試驗確定。有抗凍要求的混凝土，必須摻用引氣劑，其摻量應根據混凝土的含氣量要求通過試驗確定。對大中型水電水利工程，混凝土的最小含氣量應通過試驗確定；當沒有試驗資料時，混凝土的最小含氣量見表3.3-11^［3-4］。混凝土的含氣量不宜超過7%。

3.3.4 混凝土配合比計算

混凝土配合比計算，在水膠比、用水量的選定情況下，計算膠材（水泥+摻合料）用量；在膠材用量、用水量與砂率確定情況下采用“體積法”或“質量法”計算砂石骨料用量。

（1）膠材用量、水泥用量與摻合料用量按下式計算^［3-1］

式中 m_c——每立方米混凝土水泥用量，kg；

m_p——每立方米混凝土摻合料用量，kg；

m_w——每立方米混凝土用水量，kg；

P_m——摻合料摻量；

w/（c+p）——水膠比。

（2）砂石骨料用量采用“體積法”或“質量法”計算^［3-1］。

1）體積法的基本原理是混凝土拌合物的體積等于各項材料的絕對體積與空氣體積之和。

每立方米混凝土中砂、石的絕對體積為

砂子用量：

石子用量：

式中 V_s，g——每立方米混凝土中砂、石的絕對體積，m³；

m_w——每立方米混凝土用水量，kg；

m_c——每立方米混凝土水泥用量，kg；

m_p——每立方米混凝土摻合料用量，kg；

m_s——每立方米混凝土砂子用量，kg；

m_g——每立方米混凝土石子用量，kg；

α——混凝土含氣量；

S_v——體積砂率；

ρ_w——水的密度，kg/m³；

ρ_c——水泥密度，kg/m³；

ρ_p——摻合料密度，kg/m³；

ρ_s——砂子飽和面干表觀密度，kg/m³；

ρ_g——石子飽和面干表觀密度，kg/m³。

各級石子用量按選定的組合比例計算。

2）質量法的基本原理是混凝土拌合物的質量等于各項材料質量之和。

混凝土拌合物的表觀密度應通過試驗確定，計算時可按表3.3-12選用^［3-1］。

砂石總質量：

式中 m_s，g——每立方米混凝土中砂、石總質量，kg；

m_c，e——每立方米混凝土拌合物質量假定值，kg；

m_w——每立方米混凝土用水量，kg；

m_c——每立方米混凝土水泥用量，kg；

m_p——每立方米混凝土摻和料用量，kg；

m_s——每立方米混凝土砂子用量，kg；

m_g——每立方米混凝土石子用量，kg；

S_m——質量砂率。

各級石子用量按選定的組合比例計算。