装配式建筑混凝土构件的设计与应用

混凝土工程质量是否优良，其中一个最重要的因素就是混凝土性能是否达到设计要求。新拌混凝土和硬化混凝土的各项性能指标主要取决于所采用的原材料品质和配合比，因此可以通过选择原材料和优化原材料配合比例来保证混凝土性能符合要求，这就是配合比设计。普通混凝土的基本组成材料包括胶凝材料（包括水泥、矿物掺和料）、水、细骨料、粗骨料、外加剂，混凝土配合比设计就是要确定每立方米混凝土中各组成材料的用量，或各组成材料的质量比。

（一）基本要求

1.工作性

混凝土的工作性取决于结构类型、钢筋密集程度和采用的施工方法。单从流动度角度来看，泵送施工的混凝土要求有较大的流动性和较小的经时损失；免振捣施工要求混凝土能够自流平和自填充密实；碾压密实工艺则要求干硬性混凝土即可。通常在施工许可的条件下，尽可能使混凝土的坍落度小一些，坍落度越小，用水量越少，这有利于混凝土的长期性能、节约水泥用量、控制离析和泌水危害。骨料的最大粒径越大，用水量也越少；骨料的级配良好，堆积孔隙率小，粗细骨料的比例即砂率合适，混凝土的用水量也较少。所以在施工许可的条件下，应选用较小的坍落度，选用最大粒径较大的粗骨料和最佳的骨料级配。

对于使用外加剂的混凝土，要求外加剂和胶凝材料间具有良好的适应性，使外加剂用量控制在饱和点之内。实际应用中，改善工作性不能单独通过加水，而是通过增加水泥砂浆量、调整外加剂掺量和加入方式来调整。

2.强度

混凝土主要用于承受压力，因而配合比设计主要考虑满足抗压强度要求，也有特殊工程如道路、机场跑道主要是要求抗折强度达到要求。从结构安全的角度看，设计规定的混凝土强度是最低要求的强度，考虑到原材料质量波动，混凝土拌和、运输和浇筑的差异，以及试件制作、养护和试验的差异，国家标准和各部门技术规范均要求设计混凝土配合比要有一定的强度富余，即施工用配合比的混凝土平均强度（配制强度）应当大于设计强度。要根据配制强度（而不是设计强度）进行配合比设计，配制强度比设计强度应该富余多少，与实际生产、质量控制水平有关。质量控制好，在生产过程中混凝土强度的变化范围小，强度富余量可以小一些；如果质量控制差，生成过程中混凝土强度波动幅度大，要求相应地增加富余强度，这样就需要提高配制强度。

通常来说，实际混凝土强度的波动性服从正态分布规律，配制强度就是混凝土在实际生产中实际强度的平均值，混凝土配制强度通常根据实际强度保证率95%时的平均强度值确定。混凝土强度主要取决于水泥强度等级、水灰比/水胶比、水泥用量，同时受骨料粒径、级配、施工条件等因素影响。

3.耐久性

低渗透性是混凝土的第一道防线，因为绝大多数混凝土劣化破坏都与有害介质在混凝土中的渗透或迁移有关。成型浇筑良好、无原始裂缝时，强度越高的混凝土密实性越好，耐久性也越高。在普通暴露条件下，如果强度达到了设计要求，也就认为耐久性是符合设计要求的，所以在普通混凝土配合比设计中只考虑混凝土的使用期限，而不必另外考虑混凝土的耐久性。

混凝土暴露在恶劣的环境中，会缩短其使用期限，在这种情况下，配合比设计就必须考虑耐久性问题，例如在冻融条件下或者有除冰盐作用时，要求应用引气剂和低水灰比混凝土；混凝土受到化学侵蚀或硫酸盐作用时，可能要求应用减水剂或矿物掺和料，应用低水灰比或者抗硫酸盐水泥等；在某些情况下，虽然较大的水灰比能够满足强度要求，但由于耐久性要求，必须应用较小的水灰比。

对于重要的工程，如水坝、隧道、大型电站与核电站、桥梁与海港等大型建筑物，应进行骨料的碱活性试验，注意防止碱-骨料反应的危害。钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因，防止钢筋锈蚀的主要方法是提高保护层质量、增加保护层厚度、掺加矿物掺和料。掺加阻锈剂、应用钢筋涂层、采用阴极保护层，或者用低氯离子渗透性能的材料涂覆混凝土等，以防止各种原因引起的混凝土开裂。

4.经济性

混凝土配合比的设计应在保证质量的前提下省工省材才是最经济的。节约水泥用量是混凝土配合比设计中的一个主要目标，但必须采用合理的措施以保证混凝土综合性能达到设计要求。首先，使用混凝土外加剂和掺和料。使用减水剂既可以改善混凝土的工作性，也可以达到节约水泥的目的；掺加粉煤灰可以代替部分水泥，并改善混凝土的性能。其次，根据当地的砂石质量情况采用合理砂率和骨料级配。

（二）基本原理

1.强度设计

混凝土抗压强度与水灰比之间的关系是大多数配合比设计方法的基础，称为强度设计原理。早在1918年，美国人Abrams通过大量的试验，提出混凝土强度的水灰比定律：“对于给定材料，强度只取决于一个因素——水灰比”。

式中　σc——某一定龄期的抗压强度；

A——经验常数，主要取决于水泥性能，通常取A为96.5 MPa；

B——取决于水泥种类，一般取4；

W/C——水灰比。

强度与水灰比成反比的这种观点仍然是大多数配合比设计方法的基础。后来为简化设计，取水灰比倒数，导出近似的直线公式，该式称为混凝土配合比设计中计算强度的理论依据，即

式中　fcu，0——混凝土在标准养护28 d龄期时的抗压强度；

fce——水泥28 d抗压强度；

αa，αb——经验常数，主要与骨料种类有关；

C，W——单位体积混凝土中的水泥和用水量。

因此，根据强度设计原理，可以确定出使用不同水泥配制要求强度值混凝土的水灰比值，这也是混凝土配合比中最重要的参数之一。

2.耐久性设计

对于有耐久性要求的混凝土来说，除了在工作性和强度方面满足设计要求外，还要满足不同环境条件下的耐久性能。根据《高性能混凝土应用技术规程》的规定，按不同耐久性设计混凝土配合比时的要求如下：

（1）抗碳化耐久性设计

为确保混凝土抗碳化耐久性能，水胶比计算式为

式中　——水胶比；

c——钢筋混凝土的保护层厚度，cm；

a——碳化系数，室外为1.0，室内为1.7；

t——设计使用年限，年。

根据式（2.38），可在已知钢筋保护层厚度c、结构的使用年限t以及结构所处环境（室内或室外）条件下，计算出混凝土的最大允许水胶比。

（2）抗冻害耐久性设计

根据抗冻害劣化破坏作用的强弱，冻害地区可分成微冻地区、寒冷地区、严寒地区。根据不同冻害地区的划分，水灰比的最大值见表2.45。严寒地区，如西藏、东北、西北、华北，这些地域的冬季最低温度可达-16℃以下；寒冷地区，如安徽、山东、河南、湖北等地，这些地域的冬季最低温度可达-16～-10℃；微冻地区，如湖南、江西、贵州等地的一些山区，受冻害较轻微。

表2.45　不同冻害地区的混凝土水灰比最大值

为了确保混凝土具有高的抗冻性，应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜使用火山灰质硅酸盐水泥；宜选用连续级配的粗骨料，其含泥量不得大于1.0%，泥块含量不得大于0.5%；细骨料含泥量不得大于3.0%，泥块含量不得大于1.0%；要求骨料的吸水率和坚固性指标满足表2.46的要求。对抗冻性混凝土宜使用引气剂或引气型减水剂。当水胶比＜0.30时，可不掺引气剂；当水胶比＞0.30时，需要掺入引气剂，使混凝土含气量达到4%～5%。

表2.46　骨料的性能指标要求

（3）抗盐害破坏的耐久性设计

对海岸盐害地区，可根据盐害外部劣化因素分为：准盐害环境地区（离海岸250～1 000 m）、一般盐害环境地区（离海岸50～250 m）、重盐害环境地区（离海岸50 m以内）。盐湖周边250 m以内范围也属于重盐害环境地区。

根据结构所处环境条件，混凝土水胶比的最大值应满足表2.47的要求。

表2.47　盐害环境中混凝土水胶比最大值

（4）抗硫酸盐腐蚀耐久性设计

抗硫酸盐腐蚀混凝土采用的水泥，其矿物组成应符合C3A的质量分数小于5%、C3S的质量分数小于50%的要求；矿物掺和料应选用低钙粉煤灰、偏高岭土、矿渣、天然沸石或硅灰等。混凝土的最大水胶比宜按表2.48确定。

表2.48　抗硫酸盐腐蚀混凝土的最大水胶比

（三）设计步骤

《普通混凝土配合比设计规程》规定的设计步骤如下。

1.初步计算配合比

（1）计算混凝土配制强度

fcu,0=fcu,k+1.645σ　(2.39)

式中　fcu，0——混凝土配制强度，MPa。

fcu，k——混凝土的设计强度，MPa。

σ——混凝土强度标准差。当生产单位或施工单位具有统计资料时，可根据实际情况自行控制取值，当强度等级小于或等于C25时，不应小于2.5 MPa；当强度等级大于或等于C30时，不应小于3.0 MPa。无统计资料时，可参考表2.49取值。

表2.49　标准差的取值

（2）根据配制强度和耐久性要求计算水灰比

根据强度要求计算水灰比。依据上述强度理论给出的水灰比与强度之间的关系，可通过式（2.40）计算水灰比（W/C）：

式中　fcu，0——混凝土配制强度，MPa。

fce——水泥标准养护28 d的实测强度，MPa。当无实测值时，可根据公式：fce=γcfce，g确定，其中，γc为水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定；fce，g为水泥强度等级值，MPa。

αa，αb——经验常数，采用碎石时，αa=0.46，αb=0.07；采用卵石时，αa=0.48，αb=0.33。

从实际工程的耐久性角度出发，根据混凝土结构类型和环境条件查表2.50，得到最大水灰比限值。当使用活性掺和料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最小水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量，或水胶比和胶凝材料用量。在以耐久性为主要考察指标的重点工程中，还要根据上述耐久性设计中相关要求确定最大容许水胶比值。

比较强度要求的水灰比和耐久性要求的水灰比，取二者中的最小值。

表2.50　混凝土的最大水灰比和最小水泥用量

（3）确定用水量

根据实际施工的工作要求和骨料品种、粒径情况，由表2.51、表2.52选取每立方米混凝土的用水量。目前，绝大部分混凝土都为塑性混凝土，表中用水量是采用中砂时的平均取值。采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5～10 kg；采用粗砂时，则可减少5～10 kg；掺用各种外加剂或掺和料时，用水量应做相应调整。

表2.51　干硬性混凝土的单位用水量

表2.52　塑性混凝土的单位用水量

对于流动性和大流动性混凝土，用水量宜按以下方式计算：

以坍落度为90 mm时所对应的用水量为基础，按坍落度每增大20 mm，用水量增加5 kg，计算出未掺外加剂时的混凝土用水量。

掺外加剂时的混凝土用水量：

mwa=mw0(1-β)　(2.41)

式中　mwa——掺外加剂时单位混凝土用水量，kg/m3；

mw0——未掺外加剂时单位混凝土用水量，kg/m3；

β——外加剂的减水率。

（4）计算每立方米混凝土的水泥用量

计算水泥用量（mc0）：

查表2.50，复核此计算值是否满足耐久性要求的最小水泥用量，取二者中的较大值。

（5）确定合理砂率(www.xing528.com)

当无历史资料可参考时，混凝土砂率（βs）的确定应符合下列规定：

①坍落度在10～60 mm之间的混凝土，根据水灰比、粗骨料种类和粒径，由表2.53选取，可采用内插法，并根据附加说明进行修正；

②坍落度大于60 mm的混凝土砂率，可经试验确定，也可按坍落度每增大20 mm，砂率增大1%的幅度予以调整；

③坍落度小于10 mm的混凝土，其砂率应经试验确定；

④掺有各种外加剂或掺和料时，其砂率应经试验或参照其他有关规定选用；

⑤在有条件时，可通过试验确定最优砂率。以砂填充石子孔隙并使砂稍有剩余，剩余系数取1.1～1.4。

表2.53　混凝土砂率选用表

（6）计算砂、石用量

①体积法

体积法的基本原理是混凝土的总体积等于砂、石、水、水泥体积及混凝土中所含的少量空气体积之和。若以Vcc，Vc，Vw，Vs，Vg，Va分别表示混凝土以及混凝土中的水泥、水、砂、石、空气的体积，则有

Vcc=Vc+Vw+Vs+Vg+Va　(2.43)

若以ρw，ρc，ρs，ρg分别表示水、水泥、砂、石的表观密度（kg/m3），mc0，mw0，ms0，mg0分别表示水、水泥、砂、石的质量，则由式（2.43）可得

式中　α——混凝土含气量百分率，在不使用引气型外加剂时，可取1。

②质量法

质量法基本原理是混凝土的总质量等于各组成材料质量之和。当混凝土所用原材料和三项基本参数确定后，混凝土的表观密度（即1 m3混凝土的质量）接近某一定值。若预先能假定出混凝土表观密度，则有

mc0+mw0+ms0+mg0=mcp　(2.44)

式中　mcp——1 m3混凝土的假设质量，kg。

无论是体积法还是质量法，公式中都只有两个变量ms0，mg0，联合砂率公式：

从而便可计算出每立方米混凝土中水泥、水、砂、石的质量。

（7）确定初步计算配合比

根据上述方法求得的mc0，mw0，ms0，mg0，直接以每立方米混凝土中各材料的用量（kg/m3）表示初步计算配合比。也可以用各材料用量间的比例关系和水灰比表示，即mc0∶ms0∶mg0=1∶（ms0/mc0）∶（mg0/mc0），W/C。

（8）外加剂和矿物掺和料的确定

当使用外加剂和矿物掺和料时，其掺量应通过试验确定，并符合国家现行标准《混凝土外加剂应用技术规范》《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》《粉煤灰混凝土应用技术规程》和《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》等的规定。

2.基准配合比和实验室配合比

初步计算配合比是根据经验公式和经验图表估算而得到的，因此不一定符合实际情况，必须通过试拌验证。当不符合设计要求时，需调整使和易性满足施工要求，使水灰比满足强度和耐久性要求。

（1）调整工作性，确定基准配合比

根据初步计算配合比配成混凝土拌和物，先测定混凝土坍落度，同时观察黏聚性和保水性。如不符合要求，按下列原则进行调整：

①当坍落度小于设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，增加用水量和相应的水泥用量（水泥浆）；

②当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，增加砂、石用量（相当于减少水泥用量）；

③当黏聚性和保水性不良时（通常是砂率不足），可适当增加砂用量，即增大砂率；

④当拌和物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，即降低砂率。

在混凝土工作性满足要求后，测定拌和物的实际表观密度（ρc，s），令m拌=mc拌+mw拌+ms拌+mg拌，并按式（2.46）计算每立方米混凝土的各材料用量（即基准配合比），则有

式中　m拌——试拌调整后，混凝土各材料的实际总用量，kg；

ρc，s——混凝土的实测表观密度，kg/m3；

mc拌，mw拌，ms拌，mg拌——试拌调整后，水泥、水、砂、石实际拌和用量，kg；

mcj，mwj，msj，mgj——按照基准配合比配制1 m3混凝土中的水泥、水、砂、石用量，kg/m3。

如果初步计算配合比工作性完全满足要求而无须调整，也必须测定实际混凝土拌和物的表观密度，并利用式（2.46）计算mcj，mwj，msj，mgj，否则将出现“负方”或“超方”现象，即初步计算的1 m3混凝土各材料在实际拌制时可能会少于或多于1 m3。当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，则初步计算配合比即为基准配合比，无须调整。

（2）复核强度和耐久性，确定实验室配合比

根据和易性满足要求的基准配合比和水灰比，配制一组混凝土试件，并保持用水量不变。将水灰比分别增加或减少0.05，再配制两组混凝土试件，用水量应与基准配合比相同，砂率可分别增加或减少1%。制作混凝土强度试件时，应同时检验混凝土拌和物的流动性、黏聚性、保水性和表观密度，并以此结果代表相应配合比的混凝土拌和物的性能。

三组试件经标准养护28 d后，按相应标准测定抗压强度，以三组试件的强度和相应灰水比作图，确定与配制强度相对应的灰水比，并重新计算水泥和砂石用量。另外，当对混凝土的抗渗、抗冻等耐久性指标有要求时，则制作相应试件进行检验。强度和耐久性均合格的水灰比对应的配合比，称为混凝土实验室配合比。每立方米混凝土中各材料用量计作mc，mw，ms，mg。

具体调整依据以下原则：

①用水量（mw）应在基准配合比用水量的基础上，根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度进行调整确定；

②水泥用量（mc）应以用水量乘以选定的灰水比计算确定；

③粗骨料和细骨料用量（mg和ms）应在基准配合比的粗骨料和细骨料用量的基础上，按选定的灰水比进行调整后确定。

根据以上结果可计算混凝土的表观密度计算值（ρc，c）：

ρc,c=mc+mw+ms+mg　(2.47)

计算混凝土配合比校正系数δ：

式中　ρc，t——混凝土表观密度实测值，kg/m3。

当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，可不进行调整；当二者之差的绝对值超过计算值的2%时，应将配合比中每项材料的用量均乘以校正系数δ，即为最后确定的实验室配合比。

3.施工配合比

实验室配合比是以干燥（或饱和面干）材料为基准计算而得到的，但现场施工所用的砂、石骨料常含有一定水分，因此，在现场配料前，必须先测定砂石料的实际含水率，在用水量中将砂石带入的水扣除，并相应增加砂石料的称量值。设砂的含水率为a%，石子的含水率为b%，则施工配合比的计算方法如下：

水泥：=mc；

砂：=ms（1+a%）；

石：=mg（1+b%）；

水：=mw-ms×a%-mg×b%。

（四）高强混凝土配合比

以上配合比设计方法是一种传统的半经验方法，主要适用于普通强度等级的混凝土配合比设计。针对C60及以上高强混凝土配合比设计，需要注意以下几点。

（1）配制高强混凝土所用原材料应符合下列规定：①应选用质量稳定、强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。②对强度等级为C60的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于31.5 mm，对强度等级高于C60的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于25 mm，针片状颗粒含量不宜大于5.0%，含泥量不应大于0.5%，泥块含量不宜大于0.2%；细骨料的细度模数宜大于2.6，含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于0.5%。③配制高强混凝土时应掺用高效减水剂或缓凝高效减水剂，应掺用活性较好的矿物掺和料，且宜复合使用矿物掺和料。

（2）配合比的计算方法和步骤仍可按上述方法进行，基准配合比中的水灰比，可根据现有试验和工程资料选取；配制高强混凝土所用砂率及所采用的外加剂和矿物掺和料的品种、掺量应通过试验确定；高强混凝土的水泥用量不应大于550 kg/m3，胶凝材料总用量不应大于600 kg/m3。

（3）确定实验室配合比过程，采用三个不同的配合比进行混凝土强度试验时，其中一个应为基准配合比，另外两个配合比的水灰比宜较基准配合比分别增加或减少0.02～0.03；高强混凝土设计配合比确定后，还应用该配合比进行不少于6次的重复试验进行验证，其平均值不应低于配制强度。

（五）配合比设计案例

某框架结构钢筋混凝土，混凝土设计强度等级为C40，现场机械搅拌，机械振捣成型，混凝土坍落度要求为50～70 mm，根据施工单位的管理水平和历史统计资料，混凝土强度标准差σ取4.0 MPa。所用原材料如下：

水泥：普通硅酸盐水泥42.5级，密度ρc=3.1，水泥强度等级值富余系数γc=1.12；

砂：河砂Mx=2.6，Ⅱ级配区，ρs=2.65 g/cm3；

石子：碎石，Dmax=31.5 mm，连续级配，级配良好，ρg=2.70 g/cm3；

水：自来水。

要求：计算出混凝土的初步计算配合比。

解：

（1）确定混凝土配制强度（fcu，0）

fcu,0=fcu,k+1.645σ+40+1.645×4.0=46.58 MPa

（2）确定水灰比（W/C）

①根据强度要求计算水灰比（W/C）：

②根据耐久性要求确定水灰比（W/C）：由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，要求水灰比不大于0.65，故取满足强度要求的水灰比即可。

（3）确定用水量（mw0）

坍落度为55～70 mm时，采用中砂，碎石最大粒径为31.5 mm，则混凝土用水量取195 kg/m3。

（4）计算水泥用量（mc0）

满足耐久性对最小水泥用量的要求。

（5）确定砂率（βs）

通过插值（内插法）计算，取砂率βs=32%。

（6）计算砂、石用量

采用体积法计算，因无引气剂，取α=1，则

解上述联立方程，得

ms0=563 kg/m3；mg0=1 196 kg/m3

因此，该混凝土初步计算配合比为：mc0=433 kg/m3，mw0=195 kg/m3，ms0=563 kg/m3，mg0=1 196 kg/m3，或者：mc0∶mw0∶mg0=1∶1.30∶2.76，W/C=0.45。