混凝土配合比設(shè)計(jì)原則
2006-06-06 00:00
混凝土配合比設(shè)計(jì)是指混凝土各組成材料數(shù)量之間的比例關(guān)系。常用的表示方法有兩種：一種是以1m3混凝土中各組成材料的質(zhì)量表示，如水泥336kg，砂654kg，石子1215kg，水195kg；另一種方法是以各項(xiàng)材料相互間的質(zhì)量比（常以水泥質(zhì)量為 1 ）來表示，將上述配合比換算成水泥:砂:石:水=1:1:95:3.62:0.58。
一、混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本要求
配合比設(shè)計(jì)的基本要求即使所配制的混凝土在比較經(jīng)濟(jì)的原則下具有所期望的性能：拌合物的和易性、混凝土的強(qiáng)度和耐久性。經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)有兩個(gè)方面：一方面節(jié)約水泥用量，降低混凝土的成本（包括材料、勞動(dòng)力、能源的節(jié)約）；另一方面長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和整體的經(jīng)濟(jì)效益好（如耐久性好，維護(hù)費(fèi)用少，導(dǎo)熱性小，使用中能耗低等）。
對(duì)特殊工程中使用的混凝土配合比，除有以上要求外，還應(yīng)滿足特殊要求（如耐火性、防輻射等。）
二、混凝土配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)
混凝土配合比設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是確定水泥、水、砂子和石子這四項(xiàng)基本組成材料用量之間的三個(gè)比例關(guān)系。即：水與水泥之間的比例關(guān)系，常用水灰比表示；砂與石子之間的比例關(guān)系，常用砂率表示；水泥漿與骨料之間的比例關(guān)系，常用單位用水量來反映。水灰比、砂率、單位用水量是混凝土配合比的三個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)檫@三個(gè)參數(shù)與混凝土的各項(xiàng)性能之間有著密切的關(guān)系，在配合比設(shè)計(jì)中正確地確定這三個(gè)參數(shù)，就能使混凝土滿足上述設(shè)計(jì)要求。
三、混凝土配合比設(shè)計(jì)的步驟
進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)首先要正確選定原材料品種、檢驗(yàn)原材料質(zhì)量，然后按照混凝土技術(shù)要求進(jìn)行初步計(jì)算，得出“試配配合比”。經(jīng)試驗(yàn)室試拌調(diào)整，得出“基準(zhǔn)配合比”。經(jīng)強(qiáng)度復(fù)核（如有其他性能要求，則須作相應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目）定出“試驗(yàn)室配合比”，最后以現(xiàn)場(chǎng)原材料實(shí)際情況（如砂、石含水等）修正“試驗(yàn)室配合比”從而得出“施工配合比”。
1 ．試配配合比的計(jì)算
（1）計(jì)算配制強(qiáng)度
為使混凝土的強(qiáng)度保證率能滿足規(guī)定的要求，在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，必須使混凝土的配制強(qiáng)度（fcu,o）高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)（fcu,k）。當(dāng)混凝土強(qiáng)度保證率要求達(dá)到95％時(shí)，fcu,o 可采用下式計(jì)算：
fcu,o= fcu,k +1.645σ
式中σ―混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（N／mm2）。σ采用至少 25 組試件的無偏估計(jì)值。
式中σ―混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（N／mm2）。σ采用至少 25 組試件的無偏估計(jì)值。
如具有 25 組以上混凝土試配強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，σ可按下式求得：
式中 n ― 同一品種混凝土試件的組數(shù)，n≥25 ；
fi ― 第 i 組試件的強(qiáng)度值( N／mm2)；
fn ―n組試件強(qiáng)度的平均值（N／mm2）。
根據(jù)JGJ/T55-96，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 CZO 、 C25 級(jí)，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算值低于2.5MPa時(shí)，計(jì)算配制強(qiáng)度用的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)取用 25MPa；當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)等于或大于 C30 級(jí)，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算值低于3.0MPa時(shí)，計(jì)算配制強(qiáng)度用的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)取用 30MPa 。
如施工單位不具有近期的同一品種混凝土強(qiáng)度資料時(shí)，其混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ可按表7-22取用。
表 7 – 22 σ取值表
|
混凝土強(qiáng)度等級(jí) |
低于 C20 |
C20～C 35 |
高于 C35 |
|
σ |
4.0 |
5.0 |
6.0 |
注：1 摘自《 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 》GB50204-92 ;
2 在采用本表時(shí)，施工單位可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)σ值作適當(dāng)調(diào)整。
( 2 ）初步確定水灰比（ W/C )
根據(jù)配制強(qiáng)度fcu，o ，按下式計(jì)算所要求的水灰比值（其中 A ，B 取值為不具備試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料時(shí)的取值）：
采用碎石時(shí)： fcu，o = 0.48fce ( c／w-0.52 )
采用卵石時(shí)： fcu，o = 0.50fce ( c／w-0.61 )
采用卵石時(shí)： fcu，o = 0.50fce ( c／w-0.61 )
為了保證混凝土必要的耐久性，水灰比還不得大于表 7-23 中規(guī)定的最大水灰比值，若計(jì)算所得的水灰比大于規(guī)定的最大水灰比值時(shí)，應(yīng)取規(guī)定的最大水灰比值。
表 7-23 混凝土最大水灰比和最小水泥用量
|
環(huán)境條件 |
結(jié)構(gòu)物類別 |
最大水灰比值 |
最小水泥用量 | |||||
|
干燥環(huán)境 |
正常的居住或辦公用房屋內(nèi) |
素混凝土 |
鋼筋混凝土 |
預(yù)應(yīng)力混凝土 |
素混凝土 |
鋼筋混凝預(yù)應(yīng)力 |
預(yù)應(yīng)力混凝土 | |
|
不作規(guī)定 |
0.65 |
0.60 |
200 |
260 |
300 | |||
|
潮濕環(huán)境 |
無凍害 |
高濕度的室內(nèi)
室外部件
在非侵蝕性土和（或）水中的部件 |
0.70 |
0.60 |
0.60 |
225 |
280 |
300 |
|
有凍害 |
經(jīng)受凍害；室外部件
在非侵蝕性土和（或）水中經(jīng)受凍害的部件
高濕度且經(jīng)受凍害中的室內(nèi)部件 |
0.55 |
0.55 |
0.55 |
250 |
280 |
300 | |
|
有凍害和除凍劑的潮濕環(huán)境 |
經(jīng)受凍害和除冰劑作用的室內(nèi)和室外部件 |
0.50 |
0.50 |
0.50 |
300 |
300 |
300 | |
注：1. 當(dāng)用活性滲合料取代部分水泥時(shí)，表中的最大水灰比及最小水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。
2. 摘自《 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程 》 JGJ/T55 ～96。
( 3）選取每 1 m3混凝土的用水量（W o）
用水量主要根據(jù)所要求的坍落度值及骨料種類、粒徑來選擇。首先根據(jù)施工條件按表7-11選用適宜的坍落度，再按表 7-12 選定每 1 m3時(shí)混凝土用水量。
另外，單位用水量也可按下式大致估算：
式中，T----混凝土拌合物的坍落度（ cm ) ；
K----系數(shù)，取決于粗骨料種類與最大料徑，可參考表 7-24 取用。
表7-24 混凝土單位用水最計(jì)算公式中的 K 值
|
系數(shù) |
碎石 |
卵石 | ||||||
|
最大粒徑（mm ) | ||||||||
|
10 |
20 |
40 |
80 |
10 |
20 |
40 |
80 | |
|
K |
57.5 |
53.0 |
48.5 |
44.0 |
54.5 |
50.0 |
45.5 |
41.0 |
注：1.采用火山灰硅酸鹽水泥時(shí)增加 4.5 ～6.0；
2 采用細(xì)砂時(shí)，增加 3.0。
( 4 ）計(jì)算混凝土的單位水泥用量（ Co）
根據(jù)已選定的每1m3混凝土用水量（Wo）和得出的水灰比（W/C）值，可求出水泥用量( Co）：
Co= Wo /(w/c)
為保證混凝土的耐久性，由上式計(jì)算得出的水泥用量，還要滿足表 7-23 中規(guī)定的最小水泥用量的要求，如計(jì)算得出的水泥用量小于規(guī)定的最小水泥用量，則應(yīng)取規(guī)定的最小水泥用量。另外，GB50204-92 中還規(guī)定混凝土最大水泥用量不宜大于 550㎏/m3 ，故應(yīng)綜合決定水泥用量。
( 5 ）選用合理的砂率值（Sp )
合理的砂率值主要應(yīng)根據(jù)混凝土拌合物的坍落度、粘聚性及保水性等特征來確定。一般應(yīng)通過試驗(yàn)找出合理砂率。如無使用經(jīng)驗(yàn)，則可按骨料種類、粒徑及混凝土的水灰比，參照表7-13 選用合理砂率值。
另外，砂率也可根據(jù)以砂填充石子空隙并稍有富余以撥開石子的原則來確定。根據(jù)此原則可列出砂率計(jì)算公式如下：
式中 Sp -----砂率，%；
S ，G----- 分別為每 1 m3混凝土中砂及石子用量，kg ；
Vos,Vog分別為每 1 m3混凝土中砂及石子的松散體積，m3；
ρ´os，ρ´og-----分別為砂和石子的堆積密度，㎏/ m3；
P -----石子空隙率，%；
β----- 砂剩余系數(shù)，又稱撥開系數(shù)，一般取 1.1～ 1.4。
( 6 ）計(jì)算粗、細(xì)骨料的用量（Go，So )
粗、細(xì)骨料的用量可用絕對(duì)體積法或假定表觀密度法求得。
1）絕對(duì)體積法假定混凝土拌合物的體積等于各組成材料絕對(duì)體積和混凝土拌合物中所含空氣的體積之總和。因此，可用下式聯(lián)立計(jì)算Go，So：
式中Co,Go，So,Wo-----分別為 1 m3混凝土的水泥用量、石子用量、砂用量、水用量（ kg ) ；
ρc，ρog，ρos，ρww，-----分別為水泥密度、石子表觀密度、砂表觀密度、水的密度（kg/m3）；
α-----混凝土含氣量百分?jǐn)?shù)，% ，在不使用含氣型外加劑時(shí)，α可取為1；
Sp砂率，％。
2 ）假定表觀密度法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果原材料情況比較穩(wěn)定，所配制的混凝土拌合物的表觀密度將接近一個(gè)固定值，這樣就可先假設(shè)一個(gè)混凝土拌合物表觀密度ρcp(kg/m3），由以下兩式聯(lián)立求出GoSo：
Co+Go+So+Wo=ρcp。
ρcp 可根據(jù)積累的試驗(yàn)資料確定，在無資料時(shí)可根據(jù)骨料的表觀密度、粒徑以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在 2400～2450 kg/m3的范圍內(nèi)選取。
通過以上步驟，可將水泥、水、砂和石子的用量全部求出，得到初步計(jì)算配合比。
注：以上混凝土配合比計(jì)算，均以干燥狀態(tài)骨料為基準(zhǔn)（干燥狀態(tài)骨料系指含水率小于 0.5 % 的細(xì)骨料或含水率小于 0.2 %的粗骨料），如需以飽和面干骨料為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則應(yīng)作相應(yīng)的修改。
2 基準(zhǔn)配合比的確定
以上求出的各材料用量，是借助于一些經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)計(jì)算出來的，或是利用經(jīng)驗(yàn)資料查得的，因而不一定能夠符合實(shí)際情況，必須經(jīng)過試拌調(diào)整，直到混凝土拌合物的和易性過試拌調(diào)整，直到混凝土拌合物的和易性符合要求為止，然后提出供檢驗(yàn)混凝土強(qiáng)度用的基準(zhǔn)配合比。
調(diào)整混凝土拌合物和易性的方法：當(dāng)坍落度低于設(shè)計(jì)要求時(shí)，可保持水灰比不變，適當(dāng)增加水泥漿量或調(diào)整砂率；若坍落度過大，則可在砂率不變的條件下增加砂石用量；如出現(xiàn)含砂不足、粘聚性和保水性不良時(shí)，可適當(dāng)增大砂率，反之應(yīng)減少砂率。每次調(diào)整后再試拌，直到和易性符合要求為止。當(dāng)試拌調(diào)整工作完成后，應(yīng)測(cè)出混凝土拌合物的實(shí)際表觀密度（ρ）。
3.試驗(yàn)室配合比的確定
經(jīng)過和易性調(diào)整試驗(yàn)得出的混凝土基準(zhǔn)配合比，其水灰比值不一定選用恰當(dāng)，其結(jié)果是強(qiáng)度不一定符合要求，所以應(yīng)檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度。一般采用三個(gè)不同的配合比，其中一個(gè)為基準(zhǔn)配合比，另外兩個(gè)配合比的水灰比值，應(yīng)較基準(zhǔn)配合比分別增加及減少0.05 ，其用水量應(yīng)該與基準(zhǔn)配合比基本相同，但砂率可分別增加或減小1％。每個(gè)配合比至少制作一組試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 試壓（在制作混凝土強(qiáng)度試塊時(shí)，尚需檢驗(yàn)混凝土拌合物的和易性及測(cè)定表觀密度，并以此結(jié)果作為代表這一配合比的混凝土拌合物的性能）。若對(duì)混凝土還有其他技術(shù)性能要求，如抗?jié)B標(biāo)號(hào)、抗凍標(biāo)號(hào)等要求，則應(yīng)增添相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。
假設(shè)已滿足各項(xiàng)要求的每立方米混凝土拌合物各材料的用量為：水泥=C拌、砂＝S拌、石子=C拌、水=W拌，則試驗(yàn)室配合比（ 1 m3混凝土的各項(xiàng)材料用量）尚應(yīng)按下列步驟校正：
先計(jì)算混凝土表觀密度計(jì)算值ρc,c：
ρc,c=C拌＋S拌＋C拌＋W拌
再按下式計(jì)算混凝土配合比校正系數(shù)δ：
δ=ρc,t /ρc,c
當(dāng)混凝土表觀密度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差的絕對(duì)值不超過計(jì)算值的2 ％時(shí)，則按上述方法計(jì)算確定的配合比為確定的設(shè)計(jì)配合比，當(dāng)兩者之差超過2 %時(shí)，應(yīng)將配合比中每項(xiàng)材料用量均乘以校正系數(shù)占值，即為確定的設(shè)計(jì)配合比。
4 施工配合比
試驗(yàn)室得出的配合比，是以干燥材料為基準(zhǔn)的，而工地存放的砂、石材料都含有一定的水分。所以現(xiàn)場(chǎng)材料的實(shí)際稱量應(yīng)按工地砂、石的含水情況進(jìn)行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。假設(shè)工地測(cè)出砂的含水率為 a %、石子的含水率為b%，則上述試驗(yàn)室配合比換算為施工配合比為（每1m3各材料用量）
C= C ( kg )
S = s ( 1 + a % ) ( kg )
G =G ( 1 + b % ) ( kg )
W= w-S·a ％一G·b% ( kg )
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