混凝土配合比设计步骤，土木工程材料

混凝土配合比设计包括初步配合比的计算、试验室配合比的设计和施工配合比的确定。

1．初步配合比的计算

根据混凝土原材料的性能、设计要求的强度、施工要求的坍落度和使用环境所要求的耐久性，利用经验公式及经验参数，初步计算出混凝土各组成材料的用量，以得出供试配用的初步配合比。混凝土配合比设计应采用工程实际使用的原材料；配合比设计所采用的细集料含水率应小于0.5%，粗集料含水率应小于0.2%。

（1）确定配制强度fcu,0。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）规定，配制强度应按下式确定：

① 当混凝土的设计强度等级小于C60时，配制强度应按下式确定：

式中　fcu,0——混凝土配制强度（MPa）；

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值，这里取混凝土的设计强度等级值（MPa）；

σ——混凝土强度标准差（MPa）。

② 当设计强度等级不小于C60时，配制强度应按下式确定：

③ 混凝土强度标准差应按下列规定确定：

a.当具有近1～3个月的同一品种、同一强度等级混凝土的强度资料，且试件组数不小于30时，其混凝土强度标准差应按下式计算：

式中　σ——混凝土强度标准差；

fcu,i——第i组的试件强度（MPa）；

mfcu——n组试件的强度平均值（MPa）；

n——试件的组数。

对于强度等级不大于C30的混凝土，当混凝土强度标准差计算值不小于3.0 MPa时，应按式计算结果取值；当混凝土强度标准差计算值小于3.0 MPa时，应取3.0 MPa。

对于强度等级大于C30且小于C60的混凝土，当混凝土强度标准差计算值不小于4.0 MPa时，应按式计算结果取值；当混凝土强度标准差计算值小于4.0 MPa时，应取4.0 MPa。

b.当没有近期的同一品种、同一强度等级混凝土强度资料时，其强度标准差σ可按表取值。

表4.16　强度标准差σ值

（2）混凝土拌和物的工作性。

混凝土的工作性的选择取决于混凝土构件自身的特点，包括构件截面尺寸大小、钢筋疏密程度及施工方式。通常，当构件截面尺寸较小、钢筋较密或采用人工插捣时，坍落度可选择得大一些；反之，则坍落度可选择小一些的，见表4.17。

表4.17　混凝土浇筑时坍落度要求

（3）混凝土的耐久性。

混凝土的耐久性主要取决于混凝土的密实程度，而密实度又取决于混凝土的水胶比和胶凝材料用量。当水胶比偏大或胶凝材料用量偏小时都有可能在硬化后的混凝土构件内部留下过多的孔隙，为日后引起混凝土耐久性不良现象留下隐患。当进行混凝土配合比设计时，为保证混凝土的耐久性，根据混凝土结构的环境类别，对混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量，应符合下表规定。

① 混凝土结构的环境类别划分应符合表4.18要求。

表4.18　混凝土结构的环境类别

注：① 室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境。
② 严寒和寒冷地区的划分应符合《民用建筑热工设计规范》（GB50176—1993）的有关规定。
③ 海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定。
④ 受除冰盐影响环境为受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑。

② 设计使用年限为50年的混凝土结构，其混凝土材料宜符合表4.19规定。

表4.19　结构混凝土材料的耐久性基本要求

注：① 氯离子含量是指其占胶凝材料总量的百分比。
② 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.05%；最低混凝土强度等级应按表中的规定提高两个等级。
③ 素混凝土构件的水胶比及最低强度等级的要求可适当放松。
④ 有可靠工程经验时，二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级。
⑤ 处于严寒和寒冷地区二b、三a类环境中的混凝土应使用引气剂，并可采用括号中的有关参数。
⑥ 当使用非碱活性集料时，对混凝土中的碱含量可不做限制。

③ 混凝土的最小胶凝材料用量应符合表 4.20 规定；配置C15及其以下强度等级的混凝土，可不受表4.20控制。

表4.20　混凝土的最小胶凝材料用量

2．混凝土初步配合比设计阶段

1当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比可按下式计算：

式中　——混凝土水胶比；

fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值（MPa）；

αa，αb——回归系数。

回归系数αa和αb应根据工程所使用原材料，通过试验建立的水胶比与混凝土强度关系式确定。当不具备上述试验统计资料时，回归系数可按表4.21采用。

表4.21　回归系数选用表（JGJ 55—2011）

（1）当胶凝材料28 d胶砂抗压强度值（fb）无实测值时，可采用下列公式计算：

式中　fγ，sγ——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数（见表4.22）；

表4.22　粉煤灰影响系数(γf)和粒化高炉矿渣粉影响系数(γs)

注：① 采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰宜取上限值。
② 采用S75级粒化高炉矿渣粉宜取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0.05。
③ 当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经试验确定。

fce——水泥28d胶砂抗压强度(MPa)，可实测。

另外，矿物掺和料在混凝土中的掺量应通过实验确定，采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，钢筋混凝土中矿物掺和料最大掺量宜符合表4.23规定，对基础大体积混凝土，粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和复合掺和料的最大掺量可增加5%。采用掺量大于30% 的C类粉煤灰的混凝土，应以实际使用的水泥和粉煤灰掺量进行安定性检验合格。预应力混凝土中矿物掺和料最大掺量见表4.24。

表4.23　钢筋混凝土中矿物掺和料最大掺量

表4.24　预应力混凝土中矿物掺和料最大掺量

注：① 采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材料掺量20% 以上的混合材量计入矿物掺和料。
② 符合掺和料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量。
③ 在混合使用两种或两种以上矿物掺和料时，矿物掺和料总掺量应符合以上表中规定。

混凝土拌和物中水溶性氯离子最大含量应符合表4.25规定，其测试方法应符合现行行业标准《水运工程混凝土试验规程》（JTJ20） 中混凝土拌和物中氯离子含量的快速测定方法的规定。

表4.25　混凝土拌和物中水溶性氯离子最大含量

对于有预防混凝土碱集料反应设计要求的工程，宜掺用适量粉煤灰或其他矿物掺和料，混凝土中最大碱含量不应大于3.0 kg/m3。对于矿物掺和料碱集料，粉煤灰碱含量可取实测值的1/6，粒化高炉矿渣粉碱含量可取实测值的1/2。(www.xing528.com)

（2）当水泥28 d胶砂抗压强度（fce）无实测值时，可按下式计算：

式中　γc——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定（当缺乏买际统计资料时，也可按表4.26选用）；

表4.26　水泥强度等级值的富余系数(γc)

fce,g——水泥强度等级值（MPa）。

当计算出水胶比后，还应根据混凝土所处环境和耐久性要求的允许水胶比进行校核，要满足标准所规定的最大水胶比限定。

2．确定单位用水量和外加剂用量

（1）干硬性混凝土和塑性混凝土用水量的确定。当水胶比在0.40～0.80时，应根据粗集料的品种、粒径及施工要求的混凝土拌和物稠度，按表4.27、表4.28选取单位用水量mw0。

表4.27　干硬性混凝土的用水量（JGJ 55—2011）　单位：kg/m3

表4.28　塑性混凝土的用水量（JGJ 55—2011）　单位：kg/m3

注：① 本表用水量是采用中砂时的平均值。采用细砂时，1 m3混凝土用水量可增加5～10 kg；采用粗砂时，则可减少5～10 kg。
② 掺用各种外加剂或矿物掺和料时，用水量应相应调整。

（2）混凝水胶比小于0.40时，可通过试验确定。

掺外加剂时的混凝土用水量，可按下式来计算：

掺外加剂时，每立方米流动性或大流动性混凝土的用水量（mw0）可按下式计算：

式中　mw0——计算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

mw′0——未掺外加剂时推定的满足实际坍落度要求的每立方米混凝土用水量（kg/m3），以本规程表4.19中90 mm坍落度的用水量为基础，按每增大20 mm坍落度相应增加5 kg/m3用水量来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少；

β——外加剂的减水率（%），β值应根据试验确定。

（3）每立方米混凝土中外加剂用量（ma0）应按下式计算：

式中　ma0——计算配合比每立方米混凝土中外加剂用量（kg/m3）；

mb0——计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量（kg/m3）；

βa——外加剂掺量（%），应经混凝土试验确定。

（4）每立方米混凝土的胶凝材料用量（mb0）应按式计算，并应进行试拌调整，在拌和物性能满足的情况下，取经济合理的胶凝材料用量。

式中　mb0——计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量（kg/m3）；

mw0——计算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

W/B——混凝土水胶比。

（5）每立方米混凝土的矿物掺和料用量（mf0）应按下式计算：

式中　mf0——计算配合比每立方米混凝土中矿物掺和料用量（kg/m3）；

βf——矿物掺和料掺量（%）。

（6）每立方米混凝土的水泥用量（mc0）应按下式计算：

式中　mc0——计算配合比每立方米混凝土中水泥用量（kg/m3）。

（7）砂率（βs）根据集料的技术指标、混凝土拌和物性能和施工要求，参考既有历史资料确定。

当缺乏砂率的历史资料时，混凝土砂率的确定应符合下列规定：

① 坍落度为 10～60 mm 的混凝土，应根据粗集料的种类、最大公称粒径及水胶比按表选取。

② 坍落度大于 60 mm 的混凝土，砂率可由试验确定，也可在表4.29的基础上，按坍落度每增大20 mm，砂率增大1% 的幅度予以调整。

表4.29　混凝土的砂率（JGJ 55—2011）

注：① 本表数值是中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减小或增大砂率。
② 采用人工砂配制混凝土时，砂率可适当增大。
③ 只用一个单粒级粗集料配制混凝土时，砂率应适当增大。

③ 坍落度小于10 mm的混凝土，其砂率应由试验确定。

④ 掺用外加剂或掺和料的混凝土，其砂率应由试验确定。

（8）当采用质量法计算混凝土配合比时，粗、细集料用量应按相应公式计算，砂率应按相应公式计算。

① 质量法。质量法又称假定表观密度法，认为混凝土的质量等于各组成材料质量之和。

式中　βs——混凝土的砂率（%）；

ms0，mg0——计算配合比每立方米混凝土中的细、粗集料用量（kg/m3）；

mcp——每立方米混凝土拌和物的假定质量（kg），可取2 350～2 450 kg/m3。

② 体积法。当采用体积法计算混凝土配合比时，砂率应按相应公式计算，粗细集料用量应按公式计算：

式中　ρc——水泥密度，可取2 900～3 100 kg/m3；

ρs——细集料的表观密度（kg/m3）；

ρg——粗集料的表观密度（kg/m3）；

ρw——水的密度，可取1 000（kg/m3）；

ρf——矿物掺和料密度（kg/m3）；

α——混凝土的含气量百分数，在不使用引气型或引气型外加剂时，可取1。

长期处于潮湿或水位变动的寒冷和严寒环境以及盐冻环境的混凝土应掺用引气剂。引气剂掺量应根据含气量要求经试验确定，混凝土最小含气量应符合表4.30规定，最大不宜超过7.0%。

表4.30　混凝土最小含气量

注：含气量为气体占混凝土体积的百分比。

这样就得到初步配合比为水泥：矿物掺和料∶水∶砂∶石。初步配合比是利用经验公式或经验资料获得的，由此配成的混凝土有可能不符合实际要求，所以应对配合比进行试配、调整与确定。