混凝土配合比设计-建筑材料

混凝土配合比是指混凝土中各组成材料（水泥、水、砂、石）用量之间的比例关系。常用的表示方法有以下两种:

（1）以每m3混凝土中各项材料的质量来表示，如1m3混凝土中水泥300kg、水180kg、砂子720kg、石子1200kg。

（2）以各项材料相互间的质量比来表示。将上例换算成质量比为:水泥:砂子:石子＝1:2.4:4，水灰比为0.60。

5.5.1　混凝土配合比设计的要求及技术资料

设计混凝土配合比的任务，就是要根据原材料的技术性能及施工条件，确定出能满足工程所要求的各项技术指标并符合经济原则的各项组成材料的用量。

1.混凝土配合比设计的基本要求

（1）满足混凝土结构设计所要求的强度等级。

（2）满足施工所要求的混凝土拌和物的和易性。

（3）满足混凝土的耐久性（如抗冻等级、抗渗等级和抗侵蚀性等）。

（4）在满足各项技术性质的前提下，使各组材料经济合理，尽量做到节约水泥和降低混凝土成本。

2.配合比设计的技术资料

（1）明确设计所要求的技术指标，如强度、和易性、耐久性等。

（2）合理选择原材料，并预先检验，明确所用原材料的品质及技术性能指标，如水泥品种及强度等级、密度等；砂的细度模数及级配；石子种类、最大粒径及级配；是否掺用外加剂及掺和料等。

5.5.2　混凝土配合比设计的方法及步骤

混凝土配合比设计前需了解以下三个参数。

1.水灰比（W/C）

水灰比是指混凝土中水与水泥质量的比值，是影响混凝土强度和耐久性的主要因素。其确定原则是在满足强度和耐久性的前提下，尽量选择较大值，以节约水泥。

2.砂率（βs）

砂率是指砂子质量占砂石总质量的百分率。砂率是影响混凝土拌和物和易性的重要指标。砂率的确定原则是在保证混凝土拌和物黏聚性和保水性要求的前提下，尽量取小值。

3.单位用水量（mwo）

单位用水量是指1m3混凝土的用水量，反映混凝土中水泥浆与骨料之间的比例关系。在混凝土拌和物中，水泥浆的多少显著影响混凝土的和易性，同时也影响其强度和耐久性。其确定原则是在达到流动性要求的前提下取较小值。

水灰比、砂率、单位用水量是混凝土配合比设计的三个重要参数。

5.5.2.1　计算混凝土初步配合比

1.确定混凝土配制强度（fcu，o）

在正常施工条件下，由于人、材、机、工艺、环境等的影响，混凝土的质量总是会产生波动，经验证明，这种波动符合正态分布。为使混凝土的强度保证率能满足规定的要求，在设计混凝土配合比时，必须使混凝土的配制强度fcu，o不小于设计强度等级fcu，k，可按式（5-6）估计:

式中　fcu，o——混凝土的配制强度，MPa；

fcu，k——设计要求的混凝土强度等级，MPa；

σ——施工单位的混凝土强度标准差的历史统计水平，MPa，若无统计资料时，可参考表5-14取值；

表5-14　混凝土强度标准差σ值选用表

注　采用本表时，施工单位可根据实际情况，对σ值作适当调整。

t——与混凝土要求的强度保证率所对应的概率度，如表5-15所示。

表5-15　不同的强度保证率P对应的概率度t值选用表

注　若技术资料无明确要求时，保证率P一般可按95%考虑。

2.确定水灰比（W/C）

（1）满足强度要求的水灰比。根据已测定的水泥实际强度fce（或选用的水泥强度等级fce，g）、粗骨料种类及所要求的混凝土配制强度fcu，o，按混凝土强度经验公式计算水灰比，则有

（2）满足耐久性要求的水灰比。根据表5-16、表5-17及表5-12分别查出满足抗渗性、抗冻性及最大水灰比要求的水灰比值，取三者中的小值作为满足耐久性要求的水灰比。

表5-16　抗渗等级允许的最大水灰比

表5-17　抗冻等级允许的最大水灰比

同时满足强度、耐久性要求的水灰比，取以上两种方法求得的水灰比中的较小值。

3.确定单位用水量（mwo）

干硬性和塑性混凝土用水量的确定如下:

（1）W/C＝0.40～0.80时，根据施工要求的坍落度值和已知的粗骨料种类及最大粒径，可由表5-18（或表5-19）中的规定值选取单位用水量。

表5-18　水工混凝土单位用水量参考值　单位:kg/m3

注　1.本表适用于卵石、中砂所拌制的混凝土。
2.使用细砂时，用水量酌加5～10kg/m3。
3.使用碎石时，用水量酌加10～15kg/m3。
4.使用火山灰质硅酸盐水泥时，用水量酌加10～20kg/m3。
5.使用人工砂时，用水量酌加5～10kg/m3。
6.掺用引气剂或减水剂时，用水量酌加10～20kg/m3，也可视外加剂的性能而相应减少用水量。

表5-19　混凝土单位用水量选用（JGJ55—2000）　单位:kg/m3

注　1.本表用水量是采用中砂时的平均取值，采用细砂时，1m3混凝土用水量可增加5～10kg，采用粗砂则可减少5～10kg。
2.掺用各种外加剂或掺和料时，用水量应相应调整。
3.本表不适用于水灰比小于0.4或大于0.8的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土。

（2）W/C小于0.4或大于0.8的混凝土及采用特殊成型工艺的混凝土，用水量通过试验确定。

4.计算混凝土的单位水泥用量（mco）

根据已选定的单位用水量（mwo）和水灰比（W/C）值，可由式（5-8）求出水泥用量:

工业与民用建筑还要根据结构使用环境条件和耐久性要求，查表5-12，确定混凝土最小的水泥用量，最后取两值中大者作为1m3混凝土的水泥用量。

5.确定砂率（βs）

（1）计算法。测得混凝土所用砂、石的堆积密度，求出石子的空隙率，按以下原理计算砂率，砂子填充石子空隙并略有富余。即

式中　βs——砂率，%；

mso、mgo——砂、石用量，kg；

、——砂、石的堆积密度，kg/m3；

P——石子的空隙率，%；

k——拨开系数，k＝1.1～1.4，用碎石及粗砂时取大值。

（2）查实践资料法。根据本单位对所用材料的使用经验选用砂率。如无使用经验，按骨料种类规格及混凝土的水灰比，查表5-20（或表5-21）选取。

表5-20　水工混凝土砂率参考值　单位:%

注　1.本表适用于卵石混凝土，砂的细度模数为2.7。
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，砂率应增加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%。

表5-21　混凝土砂率选用（JGJ55—2000）　单位:%

注　1.本表数值是中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率。
2.本表适用于坍落度为10～60mm的混凝土。对坍落度大于60mm的混凝土，应在本表的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予在调整。
3.只用一个单粒级粗骨料配制混凝土，砂率应适当增大。
4.对薄壁构件砂率取偏大值。

6.计算1m3混凝土的砂、石用量（mso、mgo）

（1）质量法。假设（即估计）混凝土拌和物的体积密度为ρcp（kg/m3），按式（5-10）计算mso、mgo:

式中　ρcp——混凝土拌和物的假定表观密度，kg/m3，可根据粗骨料的种类和最大粒径参考表5-22选取；

表5-22　混凝土拌和物湿表观密度参考值

mco——1m3混凝土的水泥的质量，kg；

mso——1m3混凝土的砂的质量，kg；(www.xing528.com)

mgo——1m3混凝土的石子的质量，kg；

mwo——1m3混凝土的水的质量，kg。

（2）体积法。假定混凝土拌和物的体积等于各组成材料绝对体积及拌和物中所含空气的体积之和，用式（5-11）计算1m3混凝土拌和物的各材料用量:

式中　ρc、ρw——水泥、水的密度，kg/m3；

、——砂、石的堆积密度，kg/m3；

a——混凝土含气量百分数，在不使用引气剂外加剂时，可选取a＝1。

解以上联式，即可求出mso、mgo。

5.5.2.2　试配、调整，确定基准配合比

采用工程中实际采用的原材料及搅拌方法，按初步配合比计算出配制15～30L混凝土的材料用量，拌制成混凝土拌和物。首先通过试验测定坍落度，同时观察黏聚性和保水性。若不符合要求，应进行调整。调整原则如下:若流动性太大，可在砂率不变的条件下，适当增加砂、石用量；若流动性太小，应在保持水灰比不变的条件下，增加适量的水和水泥；黏聚性和保水性不良时，实质上是混凝土拌和物中砂浆不足或砂浆过多，可适当增大砂率或适当降低砂率，调整到和易性满足要求时为止。其调整量可参考表5-23。当试拌调整工作完成后，应测出混凝土拌和物的表观密度（ρcp），重新计算出1m3混凝土的各项材料用量，即为供混凝土强度试验用的基准配合比。

表5-23　条件变动时材料用量调整参考值

设调整和易性后试配15～30L混凝土的材料用量为水mwb、水泥mcb、砂msb、石子mgb，则基准配合比为:

式中　mwJ、mcJ、msJ、mgJ——基准配合比混凝土每立方米的用水量、水泥用量、细骨料用量和粗骨料用量，kg；

ρcp——混凝土拌和物表观密度实测值，kg/m3。

经过和易性调整试验得出的混凝土基准配合比，满足了和易性的要求，但其水灰比不一定选用恰当，混凝土的强度不一定符合要求，故应对混凝土强度进行复核。

5.5.2.3　复核强度及耐久性，确定实验室配合比

采用三个不同水灰比的配合比，其中一个是基准配合比，另两个配合比的水灰比则分别比基准配合比增加和减少0.05，其用水量与基准配合比相同，砂率值可分别增加或减少1%。每种配合比至少制作一组（三块）试件，每一组都应检验相应配合比拌和物的和易性及测定表观密度，其结果代表这一配合比的混凝土拌和物的性能，将试件标准养护至28d时，进行强度、抗渗性、抗冻性试验。

由试验所测得的混凝土强度与相应的灰水比作图或计算，求出与混凝土配制强度（fcu，o）相对应的灰水比。最后按以下原则确定1m3混凝土拌和物的各材料用量，即为实验室配合比。

1.用水量

取基准配合比中用水量，并根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度值，进行调整确定。

2.水泥用量

以用水量乘以通过试验确定的与配制强度相对应的灰水比值。

3.砂、石用量

取基准配合比中的砂、石用量，并按定出的水灰比作适当调整。

4.强度复核之后的配合比

强度复核之后的配合比，还应根据实测的混凝土拌和物的表观密度（ρcp）作校正，以确定1m3混凝土的各材料用量。其步骤如下:

（1）计算出混凝土拌和物的计算表观密度ρc，c:

（2）计算出校正系数δ:

用各项材料用量乘以δ得到实验室配合比[每立方米的用水量、水泥用量、细骨料用量和粗骨料用量分别用mw，sh、mc，sh、ms，sh、mg，sh（kg）来表示]。

5.5.2.4　考虑现场实际情况，确定混凝土施工配合比

混凝土的实验室配合比所用砂、石是以饱和面干状态（工民建为干燥状态）为标准计量的，且不含有超、逊径。但施工时，实际工地上存放的砂、石都含有一定的水分，并常存在一定数量的超、逊径。所以，在施工现场，应根据骨料的实际情况进行调整，将实验室配合比换算为施工配合比。

1.骨料含水率的调整

依据现场实测砂、石表面含水率（砂、石以饱和面干状态为基准）或含水率（砂、石以干燥状态为基准），在配料时，从加水量中扣除骨料表面含水量或含水量，并相应增加砂、石用量。假定工地测出砂的表面含水率为a%，石子的表面含水率为b%，设施工配合比1m3混凝土各材料用量为（kg），则

2.骨料超、逊径调整

根据施工现场实测某级骨料超、逊径颗粒含量，将该级骨料中超径含量计入上一级骨料、逊径含量计入下一级骨料中，则该级骨料调整量为

调整量＝（该级超径量＋该级逊径量）—（下级超径量＋上级逊径量）

5.5.3　混凝土配合比设计实例

【例5-2】某大坝混凝土，处于上游面水位变化区，设计要求混凝土强度等级为C30，坍落度为30～50mm，混凝土采用机械振捣。混凝土抗冻等级为F100，抗渗等级为P8。该企业混凝土强度标准差的历史统计资料为4.0MPa。

原材料性能如下所述:水泥:强度等级为42.5级的普通水泥，密度ρc＝3.1g/cm3；砂:当地河砂，细度模数Mx＝2.7，密度ρ′s＝2600kg/m3，其他性能均符合水工混凝土的要求；石子:采用当地的石灰岩石轧制的碎石，最大粒径为80mm，密度ρ′g＝2650kg/m3。砂的含水率为4%，石的含水率为1%。试进行实验室配合比及施工配合比设计。

【解】1.初步配合比设计

（1）确定配制强度fcu，o。由于混凝土施工的不均匀性及混凝土所处的工作条件等因素，确定强度保证率为95%。其配制强度按下式计算:

fcu，o＝fcu，k—tσ

根据强度保证率由表得t＝—1.645，已知σ＝4.0MPa。则

fcu，o＝30＋1.645×4.0＝36.58MPa

（2）确定水灰比（W/C）。

1）强度要求的水灰比:

将fce＝rcfce，g＝1.13×42.5＝48.0MPa，A＝0.46及B＝0.07代入上式，求得:

2）耐久性要求的水灰比。由题意知混凝土抗渗等级为P8，抗冻等级为F100，处于水位变化区的混凝土是经受冻害的室外部件。满足抗渗性要求的水灰比为0.50～0.55；由F100知，满足抗冻性要求的水灰比为0.55；满足最大水灰比要求的水灰比为0.50。所以满足耐久性共同要求的水灰比为0.50。

同时满足强度及耐久性要求的水灰比为0.50。

（3）确定单位用水量。按坍落度30～50mm，碎石的最大粒径80mm，得到单位用水量为135kg，碎石用水量增加10～15kg，取13kg，则

mwo＝135＋13＝148kg

（4）计算水泥用量。

由表5-12，处于水位变化区的混凝土是经受冻害的室外部件，其最小水泥用量为300kg/m3，所以，取mco＝300kg/m3。

（5）选择砂率βs。根据粗骨料的最大粒径80mm及水灰比0.50，查表5-20得砂率为25%；因粗骨料是碎石，砂率应增加3%～5%，取4.0%，则最后初选的砂率为25.0%＋4.0%＝29.0%。

（6）砂、石用量mso、mgo。用体积法计算:

解得:mso＝569kg　mgo＝1394kg

则得混凝土的初步配合比为:每立方米混凝土需水148kg、水泥300kg、砂569kg、石子1394kg。

2.试拌调整，确定基准配合比

按计算出的初步配合比，称30L混凝土所用材料进行混凝土试拌，其试拌用量为:水4.44kg、水泥9kg、砂17.07kg、石41.82kg。

假设通过第一次试拌测得混凝土拌和物的坍落度为20mm，黏聚性和保水性较好，而其坍落度较原要求的平均值小20mm，应在保持水灰比不变的条件下增加用水量。根据参考表，每增减10mm坍落度时，加水量增减2%～4%，取平均值3%计算，故增加用水量2×4.44×3%＝0.266kg，水泥用量增加0.412kg。因此，第二次试拌的材料用量为:水4.706kg，水泥9.412kg，砂和石用量仍各为17.07kg和41.82kg。经试拌后测得坍落度为40mm，满足要求，并测得拌和物的表观密度为2380kg/m3。则基准配合比为

3.检查强度及耐久性，确定实验室配合比

以基准水灰比0.50，另取0.45和0.55共三个水灰比的配合比，分别制成混凝土试件，进行强度、抗渗性、抗冻性试验。假设三组试件的抗渗性及抗冻性均符合要求，测得各试件的28d强度，如表5-24所示。

表5-24　强度试验结果

据表5-24中的数据，因强度与灰水比成线性关系，通过计算可求出与配制强度fcu，o＝36.6MPa，相对应的灰水比为1.92，则符合强度要求的配合比为:用水量mw＝mwJ＝153kg，水泥用量300kg，按混凝土拌和物表观密度2380kg/m3，重新计算砂石用量（质量法），得:砂用量ms＝561kg，石子用量mg＝1369kg。最后，实测出混凝土拌和物表观密度ρcp＝2399kg/m3，其计算表观密度为

ρc，c＝mw＋mc＋ms＋mg＝2380kg/m3

因此，配合比校正系数σ＝2399/2380＝1.008，二者之差不超过计算值的2%，故可不再进行调整。

4.计算混凝土施工配合比

1m3混凝土各材料用量为