水利水电工程实训中的混凝土配合比设计与强度关系

混凝土的配合比是指混凝土各主要组成材料之间用量的比例关系（重量比），一般以水∶水泥∶砂∶石表示，而以水泥为基数1。

混凝土配合比设计应使拌和所得的混凝土能满足强度、耐久性以及施工和易性等各项工程技术指标，并且做到经济合理。

（一）混凝土配合比设计应遵循的基本原则

（1）在满足强度和耐久性的前提下，尽可能选用较大的水灰比；

（2）在满足和易性的条件下，力求单位用水量最小；

（3）在保证粘聚性的要求下，砂率取较小值；

（4）在条件许可的情况下，应选择尽可能大的石子最大粒径；

（5）经济合理地选择水泥品种和标号，优先考虑采用优质、经济的混合材料和外加剂等。

（二）配合比设计的三个基本参数

1.水灰比

水灰比是水与水泥用量的重量比。

2.砂率

砂率是砂子重量占砂石总重量的百分数。

水泥受潮程度的鉴别与处理规定如下：水泥受潮是难以避免的，受潮程度不同，其强度降低程度也不同，应根据不同情况进行相应处理，参见表3-10。

表3-10　受潮水泥处理

3.单位用水量

单位用水量即1m3混凝土的总加水量。

（三）配合比设计方法

1.选择水灰比

水灰比的选择应同时满足混凝土的强度和耐久性要求。

（1）用强度与水灰比关系曲线确定水灰比。按实际施工应用的材料及指定的坍落度，拌制数种不同水灰比的混凝土拌和物，根据28d龄期的抗压强度绘制强度与水灰比的关系曲线，从曲线上查出与混凝土试配强度相应的水灰比。

（2）按强度要求用计算法确定水灰比。当工程紧迫或条件不足无法进行上述试验时，可根据混凝土试配强度，按下列经验公式求得水灰比。

采用碎石时：

采用卵石时：

式中　C/W——灰水比，其倒数即为水灰比；

　　　——混凝土试配强度，N/mm2；

　　　——水泥的实际强度，N/mm2。

水泥的实际强度需在28d龄期时才能试压测得，不够方便，所以也可用下式来求：

式中　fck——水泥标号（换算成N/mm2）；

　　　λ——水泥标号富余系数，不同质量的水泥，λ波动在1.00～1.13之间。

（3）按耐久性要求选择水灰比。满足耐久性要求的水灰比，应通过混凝土抗渗性、抗冻性等试验来确定。对于不同环境和类型的混凝土工程，水灰比最大允许值有所不同，下面列出有关规范所规定的最大水灰比允许值，见表3-11、表3-12、表3-13、表3-14。同时水灰比不得大于SL/T191—96《水工混凝土结构设计规范》规定的最大水灰比值，参见表3-15。

在强度和耐久性所要求的两个水灰比中，应选取较小者，以便能同时满足强度和耐久性的要求。

表3-11　普通混凝土最大水灰比和最小水泥用量表

注　1.本表所列水灰比，系指水与水泥（包括外渗混合材料）用量之比；2.表中最小水泥用量（包括外掺混合材料），当用人工捣实时应增加25kg/m3；当掺用外加剂，并能有效地改善混凝土的和易性时，水泥用量可减少25kg/m3；3.强度等级小于C10的混凝土，可不受本表限制；4.寒冷地区系指最冷月份的月平均温度在-5～-15℃之间，严寒地区则指最冷月份的月平均温度低于-15℃；5.本表摘自《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204—92）。

表3-12　水工混凝土水灰比最大允许值

注1.在环境水有侵蚀性的情况下，外部水位变化区及水下混凝土的最大允许水灰比应减小0.05；2.在采用减水剂和引气剂的情况下，经过试验论证，内部混凝土最大允许水灰比可增加0.05；3.寒冷地区，系指最冷月月平均气温在-3℃以下的地区；4.本表摘自SDJ207—82《水工混凝土施工规范》。

表3-13　海水港混凝土按耐久性要求的水灰比最大允许值

注　1.除全日潮港口外，其他海港有抗冻性要求的细薄构件（最小边尺寸小于300mm，包括沉箱工程），水灰比最大允许值应酌情减小；2.当有充分论证时，水灰比可酌量加大；3.对有抗冻性要求的混凝土，如抗冻性要求高时，浪溅区下部1m应随同水位变动区按抗冻性要求确定其水灰比；4.南方为连云港（含连云港）以南地区；5.本表摘自《港口工程混凝土质量控制标准》（报批稿），1994.10。

表3-14　淡水港混凝土按耐久性要求的水灰比最大允许值

注　1.当有充分论证时，水灰比可酌量加大；2.本表摘自《港口工程混凝土质量控制标准》（报批稿），1994.10。

表3-15　混凝土最大水灰比

注　1.结构类型为薄壁或薄腹腹构件时，最大水灰比宜适当减小；2.处于三、四类环境条件又受冻严重或受冲刷严重的结构，最大水灰比应按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》的规定执行；3.承受水力梯度较大的结构，最大水灰比宜适当减少。(www.xing528.com)

2.选择单位用水量

根据所用的砂石情况和指定的坍落度值，按实际资料得出的单位用水量经验值或参照表3-16选用用水量。

表3-16　混凝土用水量（kg/m3）参考表

注　1.本表适用于细度模数为2.7的中砂，当使用细砂时，用水量需增加5～10kg/m3；2.采用火山灰水泥或渗入火山灰质掺和料时，用水量需增加10～20kg/m3；3.单掺普通减水剂或引气剂时，可减水6%～10%；复合掺引气剂和普通减水剂或单掺高效减水剂时，可减水15%～20%；4.本表适用于骨料含水状态为饱和面干状态，当以干燥状态为基准时，用水量需增大10～20kg/m3。

当掺用外加剂时，还应按下式修正用水量：

式中　Wa——每立方米掺外加剂混凝土中的用水量；

　　　W0——每立方米未掺外加剂混凝土中的用水量（参见表3-16）；

　　　β——外加剂的减水率（参阅表3-16注3），对无减水作用的外加剂，β=0。

混凝土在浇筑地点的坍落度应根据结构物的条件及施工方法而定，不同工程采用的坍落度值可参照表3-17、表3-18或有关规范确定。

表3-17　水工混凝土拌和物在浇筑地点的坍落度（使用振捣器）

注　有温控要求或低温季节浇筑混凝土时，混凝土的坍落度可根据具体情况酌量增减。

表3-18　工业与民用建筑混凝土浇筑时的坍落度

注　1.本表系指采用机械振捣的坍落度，采用人工捣实时可适当增大；2.需要配制大坍落度混凝土时，应掺用外加剂；3.曲面或斜面结构的混凝土，其坍落度值应根据实际需要另行选定；4.轻骨料混凝土的坍落度，宜比表中数值减少10～20mm。

3.确定最佳砂率

根据骨料粒径DM和水灰比，可参照表3-19选定砂率Sp。

表3-19　砂率Sp（%）参考表

注　1.本表适用于卵石、细度模数为2.7的中砂所拌制的混凝土；2.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%；3.使用碎石时，砂率需增加3%～5%；4.使用人工砂时，砂率需增加2%～3%；5.掺用引气剂时，砂率可减少2%～3%；掺用减水剂时，砂率可减少0.5%～1.0%。

4.计算水泥用量

按下式计算水泥用量Ca：

式中　Ca——每立方米混凝土中的水泥用量，kg；

　　　Wa——每立方米混凝土中的加水量，kg。

5.计算粗、细骨料用量

已知砂率后，粗、细骨料的用量可用体积法或重量法求得。

用体积法计算时，可用下列公式计算：

用质量法（原称重量法）计算时，可用下列公式计算：

式中　Ca、Ga、Sa、Wa——每立方米混凝土中水泥、石子、砂和水的用量，kg；

　　　Cρ——每立方米混凝土拌和物的质量，kg；

　　　Sp——砂率，%；

　　　ρc——水泥密度，g/cm3；

　　　ρg——粗骨料的视密度，g/cm3；

　　　ρs——细骨料的视密度，g/cm3；

　　　ρw——水的密度，g/cm3；

　　　α——混凝土含气量百分数，%，在不使用引气型外加剂时，α可取为1。

6.混凝土施工配制强度

为了使混凝土强度具有规范要求的保证率，必须使混凝土施工配制强度大于其设计强度等级。《水工混凝土结构设计规范》规定混凝土强度等级（即立方体抗压强度标准值fcuk）为具有95%保证率的抗压强度值。因此，混凝土施工配制强度应为：

式中　σ0——混凝土抗压强度标准差；

　　　CV0——混凝土抗压强度离差系数，。

混凝土施工时的试配强度，一般也可参考表3-20取用。

表3-20　混凝土施工试配强度　（单位：N/mm2）

注　混凝土强度标准差σ0应按施工单位的原材料、混凝土生产工艺及生产质量水平等条件由统计确定，如无近期统计资料，可按下列情况取值：混凝土低于C20时；σ0取4；混凝土为C20～C35时，σ0取5；混凝土高于C35时，σ0取6。