自密實混凝土配合比設計方法探討

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2013.03.035

收稿日期：2013-01-15

作者簡介：龐超明（1977-），女，東南大學材料科學與工程學院高級工程師，建筑材料實驗室主任，博士，主要從事先進土木工程材料的研究，（E-mail）pangchao@seu.edu.cn。

摘要：結合以自密實混凝土配合比為主題的2012年全國大學生混凝土材料設計大賽，文章對配合比設計和實驗方面存在的問題進行了探討，提出在實驗教學過程中，實驗設計可綜合應用自密實混凝土配合比設計不同標準，并注意讓學生掌握綜合運用各種知識和技能的能力，養成良好的實驗習慣，重視實驗細節操作的規范性和嚴謹性。文章最后還對大賽中學生設計的60組配合比進行分析，為提高科研結果的準確性及實驗教學水平提供參考。

關鍵詞：自密實混凝土；配合比設計；全國大學生大賽；實驗教學

中圖分類號：TV3-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）03-0132-07 混凝土是由膠凝材料（如水泥）和各種礦物摻合料、骨料（如砂石）及水按適當比例配合，拌合形成混合物，經過一定時間的凝結硬化，形成具有力學性能的人造石材。自密實混凝土（Self-compacting concrete， SCC）拌合物具有很高的流動性而不離析、不泌水，能不經振搗或微振搗而自動流平，并充滿模型和包裹鋼筋。配合比設計是混凝土材料科學中最基本也是最重要的問題。SCC對混凝土拌合物的性能要求較高，配合比設計方法也更為復雜，且拌合物性能可以在短時間內進行測試。2012年5月在東南大學舉辦的第二屆全國大學生混凝土材料設計大賽，將主題設為C40自密實混凝土的設計。大賽分三個環節：混凝土相關知識的筆試（占總分的40%）、指定原材料、給定設計目標進行混凝土配合比設計（占總分的21%）和實驗試拌（占總分的39%），最后根據三個環節的得分進行綜合成績的評定。配合比設計需要結合理論和實踐經驗，尤其對實踐經驗的要求較高；試拌主要考核學生操作的規范性、嚴謹性和熟練程度；結合設計和試拌情況，還需要考核在實驗現場對配合比的調整能力、測試結果與設計的相符性等指標。由于目前配合比設計中的理論設計本身也來源于實踐經驗，來源于大量實驗數據的回歸和統計分析，因此大賽可較好地反映學生的綜合設計能力和創新能力。本文主要探討自密實混凝土的配合比設計方法，并結合此次全國大學生自密實混凝土配合比設計大賽情況，對學生在配合比設計和實驗方面存在的問題進行分析，為提高科研結果的準確性及實驗教學水平提供參考。 一、自密實混凝土配合比設計不同標準的比較

由于SCC本身的良好性能及設計技術的相對成熟 ，在歐洲和日本，其預制構件有一半以上使用的是SCC。目前SCC在國內的應用也極其廣泛，如澳門觀光塔、廈門南湖明珠、眾多高速公路特大橋的鋼管等結構大量采用微膨脹SCC，沈陽遠吉大廈工程采用泵送C100 低收縮、低徐變、高彈模的SCC[1]。目前SCC的配合比設計主要有三個標準：JGJ/T 283-2012[2]，CECS 203-2006[3]，CCES 02-2004[4]。各標準設計過程各有特色，設計時互有借鑒和驗證。其共同點為：各標準中僅配制強度fcu，o的計算方法相同，依據JGJ 55-2011計算；另外使用除粉煤灰和礦渣微粉外的其他礦物摻合料如硅灰等時，未給定影響系數。

JGJ/T 283采用絕對體積法，計算步驟簡單易懂，給出了水膠比計算公式，用水量由計算得出，具體設計步驟為：

（1）根據每立方米混凝土中粗骨料的絕對體積（0.28～0.35 m3）和表觀密度計算粗骨料質量；

（2）總體積減去粗骨料體積為砂漿體積。根據砂漿中砂的體積分數（0.42～0.45）計算每立方米混凝土中砂的絕對體積，并根據砂的表觀密度計算砂的質量；

（3）砂漿體積減去砂子體積可計算漿體體積，根據摻合料的摻量計算粉料的表觀密度，其中礦物摻合料總摻量不宜小于20%。計算水膠比，其值宜小于0.45。

mwmb=0.42·fce（1-β+β·γ）fcu，o+1.2（a）

式中：mw/mb為水膠比；fce為水泥28d實測強度，如無實測值，一般取強度等級對應值乘以富余系數1.1；β為摻合料摻量；γ為礦物摻合料的膠凝系數，粉煤灰（β≤0.3，以下簡寫為FA）取0.4，礦渣微粉（β≤0.4，以下簡寫為Sl）取0.9；fcu，o為混凝土配制強度。

（4）根據漿體體積，水膠比，扣除含氣量，計算可得膠凝材料總量和各種膠凝材料分量，其中膠凝材料范圍宜為400～550kg/m3；

（5）根據水膠比和膠凝材料用量，確定用水量；

（6）根據外加劑摻量和膠凝材料總量，計算外加劑用量。

可以看出該方法中，粉煤灰與礦渣微粉的膠凝系數與摻量無關，取值分別為0.4和0.9，粉煤灰的取值系數明顯偏低，導致計算水膠比偏低；用水量的計算未考慮外加劑減水率及品種等性能的影響，現場調配時只能通過不斷調節外加劑摻量來實現對流動性的控制。一旦計算用水量與實際用水量產生偏差，整個配合比調整計算量很大。

CCES 02的設計方法和步驟與JGJ/T 283大致相同，區別在于：計算粗骨料質量采用松散體積（0.5～0.6m3）和堆積密度計算。水膠比計算公式參照JGJ 55-2011[5]，使用碎石的混凝土水膠比計算式為：

mwmb=0.53·γf·γs·fce）fcu，o+0.53×0.20·γf·γs·fce（b）

式中：γf，γs分別為摻合料粉煤灰和礦渣微粉的影響系數，其余參數含義與公式（a）相同。γf，γs取值與摻量有關，如表1所示，對于常用的II級以上粉煤灰和S95級礦渣，均取上限值；筆者認為，采用I級灰時，粉煤灰影響系數取值仍然略微偏低0.05～0.10。水泥強度如無實測值，水泥等級不同，則富余系數取值不同，水泥強度等級32.5級時取1.12，42.5級時取1.16，52.5級時取1.1，其取值系數偏高。表1 粉煤灰和礦渣微粉的影響系數

砂漿中體積分數范圍略窄，為0.42～0.44。膠凝材料允許范圍為450～550 kg/m3， 下限比JGJ/T 283略高，不利于C40及以下中低強度自密實混凝土的設計。最大單位用水量不宜超過200 kg/m3，一般取值低于190 kg/m3，當使用性能優異的外加劑時，甚至可低達140 kg/m3。

CECS 203自密實混凝土的配合比設計與上述兩者均有較大的差異，其步驟為：

（1）與JGJ/T 283相同，根據每立方米混凝土中粗骨料的絕對體積（0.28～0.35 m3） 和表觀密度計算粗骨料質量；

（2）選擇單位用水量（155～180 kg/m3）和水粉比（0.8～1.15 m3），從而可以得出單位粉體體積（0.16～0.23 m3）和漿體體積（0.32～0.40 m3）；

（3）確定含氣量即可確定砂子的體積含量，根據表觀密度可計算砂子用量；

（4）根據JGJ55確定水膠比，從而確定理論膠凝材料總量；

（5）根據膠凝材料總質量和體積計算摻合料用量，并可計算實際水膠比；

（6）根據外加劑摻量和粉料總量，計算外加劑用量。

CECS 203的優勢在于給出了很多關鍵參數的取值范圍，有利于計算結果的復核，但對配合比設計的經驗要求較高，如用水量、水粉比均需依據經驗選擇。水粉比的選擇會在一定程度上限制水膠比的范圍，可通過先計算水膠比，然后根據選擇的用水量，得出膠凝材料總量后，再計算水粉比這樣的方法來彌補，且水粉比較低時，可通過摻加惰性摻合料來彌補粉料。

綜合以上分析可以看出，自密實混凝土的配合比設計方法各有千秋，因此，設計時可以采用一種方法為主，然后相互借鑒、驗證或比較，從而計算出更合理的配合比，提高設計的科學合理性，減少試拌次數，有效提高實驗效率。如JGJ/T 283的方法沒有水粉比、單位粉體體積這些參數，但在采用該方法計算時，可通過對計算結果中參數的分析，并與CECS 203中這些參數的推薦范圍進行對比，驗證計算結果的合理性；同時還可以借鑒一些公開發表文獻的研究成果，如普通混凝土的配合比設計方法原則上不適應于SCC；又如CC配合比設計中已未出現砂率這個參數，但砂率在SCC中的常用范圍也有較多的研究成果[6-7]可供借鑒。水膠比是決定混凝土強度和耐久性的關鍵參數，但采用不同標準中水膠比計算公式，所得結果差別甚大，可見混凝土配合比設計的經驗性非常強。如C40的自密實混凝土，三種方法計算得到的實驗室試配強度均為48.2 MPa，采用 42.5級P·II水泥，同時取實測值50.5 MPa。由于摻合料影響系數的巨大差別，JGJ/T 283摻合料的影響系數粉煤灰為0.4，礦渣微粉為0.9，而JGJ 55中，當礦渣微粉摻量小于25%時，影響系數均可取1，粉煤灰按表1取上限。計算不同摻合料摻量及比例不同時所得計算結果如表2所示。表2 采用不同方法計算所得C40混凝土的水膠比

顯然，根據JGJ/T 283計算的水膠比較低，其最大差值達0.08。隨著粉煤灰摻量的增大，水膠比的差別顯著降低。在配合比設計時，也可根據經驗結合標準方法的計算結果進行選擇。

二、參賽學生在配合比設計和實驗方面的情況

（一）大賽設計要求及原材料性能

大賽的設計要求為C40自密實混凝土，設計擴展度為660～750 mm，T50要求 ≤10s。粘聚性、保水性、抗離析性良好；耐久性考慮廣東某臨海環境，且經濟性能最優。

P·II42.5R水泥，密度3 010 kg/m3，比表面積360 m2/kg，28d抗壓強度為50.5 MPa。其余粉體材料性能如表3所示。表3 摻合料性能

細度模數為2.6的中砂，表觀密度為2 610 kg/m3。表觀密度分別為2 740 kg/m3和2 770 kg/m3的10～20 mm和5～10 mm的粒形良好的碎石，按從8∶2到4∶6比例混合后其堆積密度在1 510 kg/m3～1 540 kg/m3之間。蘇博特產JM-PCA聚羧酸外加劑，固含量22%，摻量1%時的減水率為28.2%，含氣量為3.5%，泌水率比為36%，7d和28d的抗壓強度比分別為178%和156%。

（二）配合比設計及實驗中存在的問題

全國58所高校的288名學生分成96個組參加了此次比賽，其成績分布如表4所示。表4 大賽成績分布

比賽中，有72個組依據JGJ/T 283標準，有19個組依據CECS 203標準，其余各組依據JGJ 55標準或其他方法進行設計。難能可貴的是，有部分同學對各標準進行了綜合運用，有4個組綜合了兩種標準進行設計；在自密實混凝土配合比設計中，雖然沒有砂率這個參數的計算，但不可否認，砂率仍然有重要的參考價值，其中有26個組計算了砂率；另外有19個組依據 JGJ/T 283計算后，結合CECS 203計算了水粉比、粉料體積等關鍵參數的范圍，并且對其合理范圍進行了評估。也有部分同學在計算水膠比時，未采用實際水泥強度，而根據經驗采用富余系數的方式。

參賽學生在配合比設計中存在的問題主要體現在：

（1）很多同學對粉煤灰和礦渣微粉等礦物摻合料的選擇依據未作合理的說明。

（2）關于原材料的含水量扣除問題，有67個組的同學對配合比設計中原材料的含水率扣除方法不了解。一般而言，水泥、粉煤灰和礦渣微粉等粉料在正常情況下總是有較低的含水率，設計中一般不扣除粉料的含水量。JGJ 55規定，配合比設計所采用的細骨料含水率應小于0.5%，粗骨料應小于0.2%。因此超過此含水率時，配合比試拌時應扣除砂石中的含水率。配合比設計標準中未明確是否應扣除外加劑的含水率，但水劑的外加劑中含水率一般較高，達到70～80%，計算時可不扣除，但試拌時一般需扣除外加劑的含水量。

（3）在配合比的調整過程中，僅有17個組的同學正確通過外加劑摻量調整了配合比，多數同學的調整方法出現問題，如有1組同學調整不成功未完成實驗；在坍落擴展度偏大的情況下，有5個組的同學通過降低水泥漿含量（部分同學同時增加砂石含量）進一步調整配合比；有6個組的同學通過增加砂石含量來調整配合比，但是結果仍然超過設計要求。有21個組的同學未注意保持水膠比，通過直接加減水的方式，甚至一邊減水一邊增加膠凝材料等明顯不正確的方式調整配合比。

（4）在最終調整的配合比中，有56個組的同學的坍落擴展度滿足設計要求，其中僅有34個組的同學拌合的混凝土拌合物新拌性能良好，基本無離析，無泌水，中央無堆臺，基本達到了設計的要求。有2個組同學應進行調整但未進行調整。在進行調整的各組同學中，另有3個組同學未記錄調整的方式和結果。

實驗試拌過程中主要存在以下問題：

（1）未形成良好的實驗習慣。如修改不規范，未正確杠改，觀察不細致，記錄不完整，未記錄環境條件，未進行粘聚性和保水性等實驗現象的觀察和記錄。大賽中多達58個組的同學未查詢或記錄環境條件，甚至還有3個組的同學未記錄關鍵測試結果，僅有不到9個組的同學進行了性能的描述。

（2）實驗操作不夠規范嚴謹。實驗過程中對眾多可能影響實驗結果的細節操作不規范。如有43個組同學拌和時凹槽漏漿，可能導致拌合水量的流失，從而使水膠比產生誤差；有24個組的同學測量表觀密度時筒外壁未擦干凈，可能引起重量的誤差，從而導致密度測量不準確；測量擴展度提筒時周圍混凝土未清除干凈，可能阻止混凝土流動，從而影響擴展直徑等。

在實驗教學中，目前眾多高校都在走綜合性、設計性實驗的道路，開設了各種模式的綜合性實驗[8-10]，同時組織各種形式的比賽，如東南大學每年開展的材料力學實驗競賽、結構設計競賽、結構創新競賽等學科競賽活動，美國加州大學伯克利分校土木工程專業學生每年可參加3 項全國性的大賽，即混凝土劃艇競賽、鋼橋競賽及施工管理競賽[11]。在實驗教學和管理過程中，要注意培養學生合理運用標準、綜合應用各種知識和技能的能力，以提高科研結果的準確性及實驗的創新性。同時引導學生養成良好的實驗習慣，做到操作嚴謹規范，觀察細致，記錄完整。

三、對大賽中學生配合比設計的分析

根據設計要求，C40混凝土的28天強度應在48.2MPa，本文對其中實測28d強度≥47.5MPa的由學生設計的60組配合比進行分析，其配合比及試驗結果見表5。

配合比設計中由于多數同學對含水率概念模糊，用水量按調整后反推計算得出。一般而言，單位用水量越低，其膠凝材料總量越低，經濟性最優。總體而言，控制單位用水量是控制混凝土新拌性能的關鍵因素，同時也可較大地提高混凝土的經濟性指標。上述配合比中，單方用水量最高達201.5 kg/m3，最低為144 kg/m3，顯然差別很大。水粉比W/P在0.82～1.10，與標準范圍一致。單位用水量越大，流動性并非越好，反而可能出現泌水。可以看出在180 kg/m3以下的各組混凝土新拌性能反而相對較好， 部分配合比單位用水量雖然較低，但其新拌性能仍然良好，因此，CECS 203推薦的單位用水量的下限可降低至140 kg/m3或145 kg/m3。分析其中20組新拌性能較好、無離析和泌水的混凝土，發現W/P在0.90～1.05，砂率為45.0%～50.5%。一般而言，水粉比越低，出現離析和泌水的概率越低，太低則流動性不夠。砂率一般不低于45%。石子的絕對體積分數在0.30～0.34之間，砂在砂漿中的體積分數在0.42～0.48之間，部分大于標準規定的0.45，但工作性仍然良好。總體而言，自密實混凝土的配合比設計應適當提高砂的體積分數，有利于降低漿體含量，從而減少單位用水量，降低離析和泌水，提高強度和經濟性，其值最大可達0.48。

將28d強度分為47.5～49.9 MPa、50.0～54.9 MPa、55.0～59.9 MPa、≥60 MPa四個區間，在同一強度區間內，水膠比差別很大。其中有10組配合比強度在47.5～49.9 MPa范圍，對應的水膠比范圍為0.33～0.40；17組強度在50.0MPa～54.9 MPa范圍內，對應的水膠比范圍為0.32～0.39；20組位于區間55.0～59.9 MPa范圍內，對應的水膠比范圍為0.29～0.39；12組≥60MPa，對應的水膠比范圍為0.31～0.39。可見對于自密實混凝土，影響強度的因素非常多；水膠比不是決定混凝土的唯一因素；加少量的磨細石粉，可以提高自密實混凝土的均勻性，不會降低混凝土的抗壓強度。

實驗研究不僅要考慮性能，同時還要考慮經濟最優化，并盡可能地提高經濟性指標。所有配合比中，單方價格最低在278元/m3，最高達384元/m3，差距非常大，其中單方價格<330元/m3有40組。由于一般混凝土使用量非常大，因此每立方米節約1元，就可大大降低其成本。經濟性最優，同時又能達到工作性良好，強度滿足設計要求的，以表5中組號為1-4，4-16，1-24、1-12的配合比最佳。其抗壓強度分別為55.2 MPa、54.5 MPa、47.9 MPa、58.9 MPa，單價分別為278元/ m3、283元/ m3、 286元/ m3和298元/m3。上述組號的前三組配合比砂在砂漿中的體積分數為0.46～0.48，均超過標準最大值0.45。摻合料摻量從44%～60%，水膠比在0.33～0.37。可見，要滿足性能要求同時實現經濟最優化，必須進行合理的設計配合比。

四、結語

配合比設計是混凝土材料科學中最基本且最重要的問題，其中自密實混凝土對拌合物性能要求更高，配合比設計也更加復雜，因此，配合比設計中應注意以下一些問題：

（1）自密實混凝土配合比設計應綜合應用不同標準，并相互借鑒和驗證，以提高設計的科學合理性和實驗工作效率。

（2）實驗教學和管理過程中，要注意綜合應用多種知識和技能，提高實驗的科學性和創新水平；同時養成良好的實驗習慣，數據修改方式應規范，觀察仔細，記錄完整，還要特別注意實驗過程細節操作的規范性和嚴謹性。

（3）自密實混凝土配合比設計過程中，要注意摻合料的合理選擇、含水量的正確扣除和試拌時配合比的正確調整等。

（4）由于外加劑技術的發展，CECS 203推薦的單位用水量范圍的下限可進一步降低至140 kg/m3或145 kg/m3。自密實混凝土的砂率不宜低于45%；可適當提高砂在砂漿中的體積分數，最大可達0.48，從而提高強度和經濟性。

（5）自密實混凝土配合比設計中，影響強度的因素非常多，在滿足性能要求的同時，要實現經濟最優化，就必須有合理的配合比設計。表5 60組學生設計配合比及其性能

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Exploration and analysis of technology of national undergraduate

self-compacting concrete competition

PANG Chaoming， ZHANG Ping， QIN Honggen， ZHANG Yamei

（School of Materials Science and Engineering， Southeast University， Jiangsu Key laboratory of

Construction Materials， Nanjing 211189， P. R. China）

Abstract： We pointed out that during the test teaching， the different standard should be comprehensively applied during the design experiment， the ability training to make comprehensive use of the various knowledge and skill should be paid more attention， and good habits for experiments should be developed， such as correctly modification， careful observation， complete records， and paying more attention to the scrupulousness of experimental process or operation. Finally， the 60 groups of mix proportion designed by undergraduates were discussed. The results shows that a part of parameters recommended by standard can be altered， such as the lower limit of water content in unit volume should be lowered to 140 kg/m3 or 145 kg/m3， and the upper limit of volume fraction of sand in mortar could be increased to 0.48. The results can provide a reference for improving the accuracy of research results and the level of experimental teaching.

Keywords： self-compacting concrete； mix proportion design； national undergraduate competition； technology part

（編輯 王 宣）