水利工程建設中混凝土的配合比設計方法及實踐

□ 吳存錫（浙江省瑞安市水利局）

1 混凝土配合比設計的影響因素分析

混凝土標號是反映混凝土強度的指標，按照《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）規定，普通混凝土劃分為14個等級，即:C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。例如，強度等級為C30的混凝土是指30MPa≤fcuk<35MPa。影響混凝土強度等級的因素主要與水泥等級和水灰比、集料、齡期、養護溫度和濕度等有關。目前一些小型水利工程常使用的普通混凝土，由于考慮商品混凝土的供給、交通運輸等不便，數量又不多等，仍采取傳統混凝土的配制方式組織施工，在設計配合比時除上述因素外，重點還需考慮下列3點因素:①組成混凝土的骨料（砂、石子）的強度；②水泥石的強度及其與骨料的粘結力；③混凝土澆搗的密實度。

組成混凝土的各原料中，水泥漿是填充砂子的空隙的，而水泥砂漿是填充石子空隙的，因此石子最大顆粒越大、級配越好，即石子的空隙越少，則水泥砂漿越省。同理，砂子最大顆粒越粗，級配越好，孔隙越少，所需的水泥漿也越省，這都可以節省水泥用量，另外在混凝土澆搗后，如果澆搗得不密實，內部有空隙，或者在拌制水泥漿時水、灰比太大，待日后水分蒸發以后混凝土中都將留有空隙，那么混凝土的強度都會降低。拌制和澆搗混凝土，要達到設計的標號，又要水泥用量最省，最好是使:①水灰比盡量少；②水泥漿正好包裹砂子并充滿砂子的空隙；③水泥砂漿正好包裹石子并充滿石子空隙；④攪拌均勻，振搗密實；做到以上四點，這就是混凝土配合比設計與混凝土施工任務的主要目的。

2 混凝土配合比設計的具體操作方法與實踐

在了解混凝土配合比設計原理后，就可以進行混凝土的配合比設計了。在此，筆者結合實踐經驗，就配合比設計的具體方法與步驟分述如下。

2.1 首先確定水灰比

如果澆搗后經過28d養護的混凝土的試樣強度為:R28（注意:試樣必須是有代表性的和規定尺寸的，R28的單位是每平方厘米多少公斤）。R灰是水泥標號，C/W是灰水比，即水泥用量與水用量之比，則它們之間有下列關系:R28=AR灰（C/W－B）。

式中經驗系數，根據石子及水泥的種類確定:

卵石混凝土:普通硅酸鹽水泥A=0.444,B=0.459；礦碴硅酸鹽水泥A=0.501,B=0.666。

碎石混凝土:普通硅酸鹽水泥A=0.525,B=0.569；礦碴硅酸鹽水泥A=0.503,B=0.581此外，還要考慮混凝土的抗滲性要求。

混凝土的抗滲性,用抗滲等級（P）或滲透系數來表示。我國標準采用抗滲等級。抗滲等級是以28d齡期的標準試件，按標準試驗方法進行試驗時所能承受的最大水壓力來確定。《混凝土質量控制標準》（GB50164）根據混凝土試件在抗滲試驗時所能承受的最大水壓力，將混凝土的抗滲等級劃分為P4、P6、P8、P10、P12等五個等級。相應表示混凝土抗滲試驗時一組6個試件中4個試件未出現滲水時不同的最大水壓力。試配要求的抗滲水壓值應比設計提高0.20MPa。試配時應采用水灰比最大的配合比作抗滲試驗:抗滲等級最大水灰比C20～C30C30以上P60.600.55P8～P120.550.50>P120.500.45；根據以上混凝土抗壓與抗滲的標號求出的水灰比，取其較少者，即可初步確定水灰比。

2.2 第二步確定加水量

每立方米混凝土的加水量是根據石子的最大粒徑及混凝土熟料的坍落度來確定的，實踐中參考值見表1:

表1 混凝土加水量的參考值表

石子最大粒徑應按混凝土構件斷面的最小尺寸的四分之一和鋼筋最小凈距的三分之一為限，坍落度為保障混凝土澆搗密實的坍落度厘米數，它實際上反映了混凝土的和易性。確定坍落度的數值要看構件（是小體積還是大體積）、施工方式（是手工拌和還是攪拌機拌和）、振搗方式（是人工插搗還是機械振搗）的不同來確定，還要注意根據表1確定的加水量只適用于卵石、中砂拌制混凝土。如果是細砂，則用水量要酌加5～10kg；使用碎石時，用水量還需要酌加10～15kg，使用火山灰質水泥時，用水量需酌加10～20kg，使用人工砂時，用水量需酌加6～9kg;摻用加氣劑或減水劑時，用水量可酌減10～20kg。確定了每立方米混凝土的用水量W，就可很容易地算出每立方米混凝土的水泥用量C。

C=W÷（W/C）=W×（C/W），其中括號中的C/W就是第一步求出的灰水比。

2.3 初定砂率

砂率是表示砂與石子之間的組合關系，影響最優砂率的因素很多，可概括為:①石子最大粒徑較大、級配較好、表面較圓滑時其表面積和空隙率較小，故砂率可較小；②砂的細度模數較小時，由于砂的細顆粒較多，混凝土拌和物的粘聚性容易得到保證，故砂率可較小；③水灰比較小時水泥漿較稠，混凝土拌和物的粘聚性也容易保證，砂率可較小；④施工要求的流動性較大時，粗骨料常易離析，為保證混凝土粘聚性，須加大砂率；⑤當摻用加氣劑或減水劑時，可適當減少砂率，由于影響因素較多，一般只能按經驗初定砂率。

2.4 用假定容積法初定混凝土配合比

假定新澆筑的混凝土是振搗密實的，那么它每立方米原料的總重量可按表2估計:

表2 混凝土配合比總重量估算參考值表

設每立方米混凝土的水用量為W，水泥用量為C，砂用量為S，石子用量為G，混凝土重量比為N，則在第二步確定了W和C以后可以算出骨料的用量S＋G，S＋G=N－W－C。知道了每立方米混凝土的骨料用量S＋G以后，可根據第三步初定的砂率分別算出砂與石子的用量:S=（S＋G）×砂率 G=（S＋G）－S

至此每立方米混凝土的水用量W，水泥用量C，砂用量S和石子用量G均已初步求出。

2.5 試拌與調整

按上面算出的比例稱取20L混凝土的原料用量，進行試拌，若觀察粘聚性基本良好，說明選用的砂率是基本合適的，若粘聚性不理想，則要適當增加砂率，若砂率感到太多，可以適當減少，再用專門的工具測量坍落度，若不符合要求，可以調整水和水泥的用量，但水灰比率仍維持不變，經調整合適后再重新計算每立方米混凝土的原料用量。

2.6 注意事項

在工地實際施工中，在填寫每天的混凝土配料單時，若原料的品種不變，而露天堆放的砂石料含有水分時，則用水量應當相應扣除，而含水的砂、石料應稱取適當的增加數，它們分別是:

含水的砂=S×（1＋料場砂子含水量）

含水的石子=G×（1＋料場石子含水量）

水的用量=W－（含水的砂－S）－（含水的石子－G）

3 結論

混凝土中砂、石料的強度直接影響混凝土的強度，砂、石料的強度越大，混凝土的強度也大，反之亦然，不過一般砂、石料本身的強度總是比混凝土強度大得多，所以從這個意義上講，混凝土中水泥漿的比例越多（水泥用量越多），混凝土的強度不見得高，有時甚至反而不高。因此，為了節省水泥，又要使混凝土達到設計強度，要求砂、石料不但有足夠的強度，還要求它們的總表面積最少，空隙最小，因而要求它們的最大粒徑較大，而且大、中、小顆粒級配良好，但石子最大粒徑受到混凝土構件尺寸及鋼筋密度的制約，不能太大。

水泥漿在混凝土中起膠結作用，因此它必須有足夠的數量，以便完全包裹砂子的所有表面積和完全充填砂子的所有空隙，同理水泥砂漿也必須完全包裹石子的所有表面積和完全充填石子的所有空隙，并且以此為度，再多就沒有好處了。

水泥漿中的水在與水泥起水化作用后，多余部分日后都將蒸發，從而在混凝土中留下空隙，這就降低了混凝土的強度，因此，為了施工（拌和和澆搗）方便需要增加用水量時，必須同時增加水泥用量，務使水灰比保持不變，因為上述水灰比也直接影響混凝土的強度。

每立方米混凝土的用水量也不是越少越好，因為用水量太少，混凝土太稠，坍落度不夠，混凝土的和易性不好，就不能拌透，對澆搗密實帶來影響，這樣混凝土的強度也會降低。

總之，混凝土配合比是一個既簡單又復雜的問題，影響因素很多，不是一句話可以說得清楚的，一旦定下來以后也不能是一成不變的，如果影響因素之一有了變化，上述混凝土的配合比也必須相應調整，以便用最省的原料澆筑成質量最高的混凝土。