混凝土配合比设计方法步骤

配合比设计时,首先根据工程设计及施工要求,依照标准公式和表格进行计算,得出“计算配合比”；对“计算配合比” 进行试拌调整(主要调整用水量、砂率),使混凝土拌合物满足和易性要求,调整后的配合比称“试拌配合比”,并对“调整配合比” 进行试拌、成型,检测混凝土强度和耐久性；根据强度和耐久性检测结果,对结果偏差进行计算校正调整,并反推出符合要求的配合比有关参数(W/C、单位用水量等),调整后的配合比称“基准配合比”；在实验室中,骨料采用干燥或饱和面干的标准状态,而在工地上,所用骨料大多含有一定的水分,因此要根据现场骨料的实际含水量、骨料超逊径情况进行各材料用量的调整,调整后称为“施工配合比”。整个配合比设计过程、方法步骤如下。

3.3.5.1　确定计算配合比

计算配合比是借助经验公式和数据计算出来的,参数选择及计算结果确定要符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)要求。

1. 确定混凝土配制强度

由于工程施工条件、设备材料、施工工艺、环境等影响,混凝土质量会产生波动。规范要求,混凝土强度保证率要满足规范要求。假定设计要求的混凝土强度等级为(fcu,k)、混凝土强度标准差为σ,混凝土的配制强度可由式(3.5)～式(3.7)确定,即

普通混凝土强度等级小于C60时,配制强度

式中　fcu,0——混凝土配制强度值,MPa；

fcu,k——设计龄期混凝土立方体抗压强度标准值, 取混凝土的设计强度等级值,MPa；

σ——混凝土强度标准差,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,式(3.5)和式(3.6)可采用表3.7或表3.8中的数据(根据工程所处不同行业选择)；

表3.8　混凝土强度标准差σ 值　单位：MPa

注　本表引自《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2015)。

表3.7　混凝土强度标准差σ 值　单位：MPa

注　本表引自《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)。

t——与混凝土要求的强度保证率所对应的概率度系数,见表3.6。

表3.6　保证率和概率度系数关系

当混凝土强度保证率为95%时,概率度系数t＝1.645,公式变为：

普通混凝土强度等级不小于C60时,配制强度

2. 确定水灰比(W/C)

水灰比根据经验公式计算出来后,既要满足强度要求,亦要满足耐久性要求,要根据配合比设计规程选定符合值。

(1)满足强度要求的水灰比。由式(3.3)可得

W/C＝αafce/(fcu,0＋αaαbfce)

(2)根据耐久性要求确定水灰比。

根据规范要求,混凝土的水灰比必须满足耐久性(抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等)要求。对计算得出的水灰比按照表3.9～表3.13进行校核,取满足规范要求的水灰比。

表3.13　水工混凝土水灰比最大值

注　1. 在有环境水侵蚀的情况下,水位变化区外部及水下混凝土最大允许水胶比(或水灰比)应减小0.05。
2. 本表引自《水工混凝土施工规范》(DL/T5144—2015)。

表3.9　抗渗等级允许的最大水灰比

表3.10　抗冻等级允许的最大水灰比

3. 确定单位用水量mw0

单位用水量的选择按以下确定：

(1)W/C＝0.4～0.8时,根据施工要求的坍落度(或维勃稠度)控制范围、粗骨料种类及最大粒径,按表3.14～表3.16列出的单位用水量参考选择。

表3.14　干硬性混凝土的用水量(kg/m3)

注　本表引自《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)。

表3.16　水工常态混凝土初选用水量(kg/m3)

注　1. 本表适用于细度模数为2.6～2.8的天然中砂。当使用细砂或粗砂时,用水量需增加或减少3～5kg/m3。
2. 采用人工砂时,用水量需增加5～10kg/m3。
3. 掺入火山灰质掺和料时,用水量需增加10～20kg/m3；采用Ⅰ级粉煤灰时,用水量需减少5～10kg/m3。
4. 采用外加剂时,用水量应根据外加剂的减水率适当调整,外加剂的减水率通过试验确定。
5. 本表适用于骨料含水状态为饱和面干状态。
6. 本表适用的水灰比为0.40～0.70。
7. 本表引自《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2015)。

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

(3)流动性混凝土(坍落度大于90mm),按表中坍落度为90mm 时的用水量为基础,大坍落度每增大20mm 用水量增加5kg。

(4)掺外加剂时用水量按下式确定：

式中　mwa——掺外加剂时混凝土单位用水量,kg；

mw0——不掺外加剂时混凝土单位用水量,kg；

β——外加剂减水率,%,经试验确定。

4. 确定砂率βs

确定砂率即要求寻找出混凝土的最佳砂率。砂率按如下方式确定。

(1)经验法。根据确定的粗骨料种类、粗骨料最大粒径、水灰比,参考表3.17或表3.18初步选择。

表3.17　混凝土砂率初选表(%)

注　1. 本表数值系中砂的选用砂率,对细砂或粗砂,可相应地减少或增大砂率。
2. 只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时,砂率应适当增大。
3. 对薄壁构件,砂率取偏大值。
4. 本表引自《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)。

表3.18　水工常态混凝土砂率初选表(%)

注　1. 本表适用于卵石、细度模数为2.6～2.8的天然中砂拌制的混凝土。
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,砂率可减小2%～3%；掺用粉煤灰时,砂率可减小1%～2%。
6. 坍落度大于60mm 的混凝土砂率,可经试验确定,也可在表3.19的基础上,按坍落度每增加20mm,砂率增大1%的幅度调整。
7. 本表引表《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2005)。

(2)试验法。在用水量和水灰比不变的情况下,拌制5组以上不同砂率的试样,每组相差2%～3%,测出各组的坍落度,绘出砂率和坍落度关系图,曲线上坍落最大值时的砂率即为最佳砂率,见图3.5。

5. 确定单位水泥用量mc0

用初步确定的W/C 及单位用水量,按下式计算：

为保证混凝土耐久性,除上式计算得到的水泥用量外,还须根据混凝土所处环境与表3.11或表3.12耐久性要求的最小水泥用量比较,选取较大值作为设计混凝土的单位水泥用量。

表3.11　混凝土的最大水灰比和最小水泥用量

注　1. 当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。
2. 配制C15级及其以下等级的混凝土,可不受本表限制。
3. 本表引自《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)。

表3.12　水工混凝土最大水灰比和最小水泥用量

注　1. 一类：室内正常环境；二类：露天环境,长期处于地下或水下的环境；三类：水位变动区,或有侵蚀性地下水的地下环境；四类：海水浪溅区及盐雾作用区,潮湿并有严重侵蚀性介质作用的环境。同时,当掺加有效外加剂及高效掺和料时,最小水泥用量可适当减小。
2. 本表引自《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057—2009)。

6. 计算砂(ms0)和石子(mg0)用量

在单位用水量、水泥用量、砂率均确定的情况下,用“体积法” 或“质量法” 计算砂和石子的用量。

(1)质量法。假定1m3混凝土的质量(即混凝土的表观密度)恰好等于各组成材料质量之和,用式(3.10)表示。(www.xing528.com)

式中　mc0——1m3混凝土中水泥的用量,kg/m3；

ms0——1m3混凝土中砂的用量,kg/m3；

mg0——1m3混凝土中石子的用量,kg/m3；

mw0——1m3混凝土中水的用量,kg/m3；

mcp——1m3混凝土拌合物的假定质量,kg/m3,可取2350～2450kg/m3；水工混凝土也可参考表3.19；

表3.19　水工混凝土拌合物质量假定值(kg/m3)

注　1. 本表适用于骨料表观密度为2550～2700kg/m3的混凝土。
2. 骨料表观密度每增减100kg/m3,混凝土拌合物相应增减60kg/m3,混凝土含气量每增减1%,拌合物质量相应减增1%。
3. 表中括弧内的数字为引气混凝土的含气量。
4. 本表引自《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2005)。

βs——砂率,%。

联立以上两式可求出砂、石子的用量。

(2)体积法。体积法的原理为：1m3混凝土中的组成材料经过拌和均匀、成型密实后,混凝土的体积为1m3,即混凝土拌合物的体积等于各项材料的绝对体积与空气体积之和,可用式(3.11)表示。

式中　ρc——水泥密度,kg/m3；

ρg——粗骨料的表观密度,kg/m3,当其含水状态以饱和面干为基准时,则为饱和面干表观密度；

ρs——细骨料的表观密度,kg/m3；

ρw——水的密度,kg/m3,一般取1000kg/m3；

α——混凝土的含气量百分数,在不使用引气型外加剂时,α可取为1。

7. 确定计算配合比

经过上述计算,可得出每1m3混凝土中材料的计算用量,并可求出以水泥用量比例为1的各材料的比值。

3.3.5.2　试配、调整, 确定试拌配合比

计算配合比确定后,需通过试拌、调整,得到满足混凝土和易性要求的试拌配合比。

1. 计算配合比的试拌、调整

按计算配合比,称取15～40L 混凝土各项材料用量,按试验规程拌制混凝土,试配的最小拌合量与所选骨料最大粒径DM有关,需符合表3.20或表3.21的规定,当采用机械搅拌时,其搅拌量不应小于搅拌机额定搅拌量的1/4。

表3.20　混凝土试配的最小拌合量

注　本表引自《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)。

表3.21　水工混凝土试配的最小拌合量

注　本表引自《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2015)。

将混凝土各材料拌和均匀后,测定坍落度,并观察黏聚性和保水性。若和易性不符合要求,保持水灰比不变,调整砂率或用水量,重新进行计算,再进行拌和试验,直至拌合物和易性符合设计要求。

具体调整的原则如下：

(1)坍落度太大,保持水灰比不变,减少单位用水量,按照每10mm 坍落度减少2～3kg/m3,反之,增加2～3kg/m3。

(2)当混凝土拌合物显得砂浆量不足,黏聚性和保水性差时,应适当增大砂率,反之,应适当减少砂率。

(3)砂率对单位用水量的影响,每增加1%砂率,需增加用水量2～3kg/m3,反之,减少2～3kg/m3。不同的材料影响程度不同,需经试拌验证。

(4)亦可对砂率、用水量同时进行调整,并应经试拌验证。

(5)调整时,保持水灰比不变,如只调整用水量,则砂石材料不变；如用水量及砂率均进行调整,则全部材料用量需重新计算。

和易性调整好后,测出该拌合物的实测表观密度(ρc,t)和本次拌和时各材料的实际用量(mcb、msb、mgb、mwb)。

2. 试拌配合比的确定

根据试拌时各材料的实际用量(mcb、msb、mgb、mwb)和实测的拌合物的表观密度(ρc,t),则试拌配合比如下。

令

则

式中　mcJ、msJ、mgJ、mwJ——试拌配合比1m3混凝土中水泥的用量、砂的用量、石子的用量和水的用量,kg；

ρc,t——混凝土拌合物实测表观密度,kg/m3。

3.3.5.3　强度及耐久性复核, 确定基准配合比

经过和易性调整后得到的试拌配合比,其水灰比选择不一定恰当,即混凝土强度和耐久性有可能不符合要求,应复核强度和耐久性。

1. 强度和耐久性的复核

采用三个不同的配合比进行试拌复核,其中一个是试拌配合比,另外两个配合比的水灰比,宜较试拌配合比分别增加和减少0.05,用水量应与试拌配合比相同,砂率可分别增加或减少1%。

当不同水灰比的混凝土拌合物坍落度超出控制要求值时,保持水灰比不变,通过增、减用水量进行调整。

三个配合比均进行拌合物和易性、表观密度测定,进行28d强度试验(如对混凝土还有抗渗、抗冻等耐久性要求,还应增添相应的项目试验)。

2. 确定基准配合比

(1)根据强度试验结果,参照图3.7绘制强度-水灰比(C/W )关系曲线图,用计算法或插入法求出与混凝土配制强度(fcu,0)相对应的灰水比,并按下列原则确定1m3混凝土中的组成材料用量：

1)单位用水量(mw)：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)：以用水量除以选定出来的水灰比计算确定。

3)砂和石子用量(ms、mg)：按确定的水灰比、单位用水量、砂率,按体积法或质量法计算确定。

(2)混凝土拌合物表观密度和配合比校正系数计算。

1)按上述方法确定的各组成材料用量的配合比混凝土表观密度计算值ρc,c为

2)按下式计算混凝土配合比校正系数δ为

式中　ρc,t——混凝土表观密度实测值,kg/m3；

ρc,c——混凝土表观密度计算值,kg/m3。

3)当100% ≤2% 时,按(1)方法确定的配合比即为混凝土基准配合比；当×100%＞2%时,应将配合比中各材料用量均乘以校正系数δ,即得出混凝土基准配合比。

通常记为：水∶mw,sh；水泥：mc,sh；砂：ms,sh；石：mg,sh。

3.3.5.4　确定施工配合比

设计出混凝土基准配合比后,在工程施工使用时,需根据施工实际采用的骨料情况(骨料的含水率、超逊径)进行各材料用量的调整,经调整后施工使用的配合比称“施工配合比”,又称“施工配料单”。在混凝土配合比设计中,工民建标准中骨料以干燥为基准,水工混凝土标准中骨料以饱和面干为基准。施工配合比换算和调整如下：

1. 根据骨料含水量换算调整

假定实测工地砂和石子的含水率(或表面含水率)分别a%和b%,则混凝土施工配合比的各项材料用量为

2. 根据骨料超逊径含量换算调整

根据施工现场实测某级骨料超径、逊径含量,将该粒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,则该级骨料校正量为：