配合比參數對混凝土性能的影響

張輝，李志英，李國宏，王麗君

（1. 舞陽縣建設工程質量監督站，河南　舞陽　462400；2. 舞陽縣建安建設工程檢測有限責任公司，河南　舞陽　462400；3. 舞陽縣惠達公路工程有限公司，河南　舞陽　462400）

配合比參數對混凝土性能的影響

張輝1，李志英2，李國宏3，王麗君1

（1. 舞陽縣建設工程質量監督站，河南舞陽462400；2. 舞陽縣建安建設工程檢測有限責任公司，河南舞陽462400；3. 舞陽縣惠達公路工程有限公司，河南舞陽462400）

本文試驗分析了膠凝材料用量、水膠比和砂率三個參數的變化，對混凝土的性能的影響。找出各自對混凝土性能影響的規律，便于混凝土配合比設計時提高混凝土的性能。本文通過幾個簡單的試驗，分別探討配合比參數對混凝土性能的影響，供大家借鑒、參考。

混凝土拌合物；單位用水量；水膠比

混凝土是應用最廣泛、最大宗的建筑材料，在整個土木工程建筑和基礎建設中起著不可替代的作用。混凝土配合比設計參數關系著混凝土質量，是影響其性能的關鍵因素。

1　配合比參數對混凝土性能的重要性

混凝土配合比設計必須遵循的四個基本原則是：強度、耐久性、工作性和經濟性。混凝土配合比設計的這四個基本原則相互影響、相互制約，牽一發而動全身。混凝土配合比參數是影響強度、耐久性、工作性和經濟性的關鍵因素，配合比參數主要包括膠凝材料用量、水膠比和砂率，這三個參數與混凝土配合比設計的四個原則構成混凝土配合比設計的“四原則、三要素”。

水膠比的大小直接影響混凝土的強度和耐久性，砂率對混凝土工作性產生重要的影響，膠凝材料用量的大小不僅影響到混凝土的耐久性也關系到混凝土的經濟性。本文主要探究膠凝材料、水膠比和砂率三個重要參數的變化對混凝土性能的影響。

2　試驗所用原材料

（1）水泥

登封市“嵩基”P·O42.5，密度3000kg/m3，其它性能見表1。

表1　水泥的物理與力學性能

（2）粉煤灰

許昌“金龍源”Ⅱ級粉煤灰，密度22003kg/m3，其它性能見表2。

表2　粉煤灰性能

（3）石子

舞鋼市礦山碎石，其性能指標見表3和表4。

（4）砂

平頂山市魯山縣河砂，含泥量為2%，篩分指標見表5。

（5）減水劑

脂肪族復合高效減水劑，其性能指標見表6。

表3　舞鋼5～25碎石性能指標

表4　舞鋼5～25碎石篩分情況表

表5　河砂顆粒級配

表6　減水劑性能指標

3　試驗結果與分析

3.1單位膠凝材料用量對混凝土性能的影響

在保持水膠比和砂率不變的情況下，通過調整減水劑用量使混凝土坍落度控制在 (200±10)mm 內，膠凝材料分別選取360kg/m3、380kg/m3、400kg/m3、420kg/m3、440kg/m3和460kg/m3六個不同用量進行混凝土試驗。該試驗混凝土配合比見表7，混凝土的力學性能、收縮、抗氯離子滲透性、抗滲性和碳化性試驗結果見表8。

表7　膠凝材料對混凝土性能影響的試驗配合比

通過試驗結果表8可以看出：

（1）在保持水膠比和砂率不變的前提下，當混凝土膠凝材料用量超過380kg/m3時，隨著混凝土單方膠凝材料用量的增加，其混凝土抗壓強度有所降低，均低于混凝土膠凝材料用量380kg/m3時的28d 抗壓強度。其原因是在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土拌合物隨著膠凝材料用量的增加，單位體積的骨料體積逐漸減小，導致混凝土內部總的孔隙率增加，進而造成混凝土強度的降低。但從表8的試驗結果來看，膠凝材料用量的變化引起的強度差異在3～4MPa，對混凝土28d 抗壓強度影響并不是很大。

（2）在保持水膠比和砂率不變的情況下，隨著單方膠凝材料用量的增加，混凝土的干縮率逐漸增大。其原因是混凝土的干縮主要產生于膠凝材料的干縮，由于水膠比和砂率不變，隨著膠凝材料的增加，混凝土的用水量也隨之增加，造成單位體積內混凝土的骨料體積降低。由于骨料體積的降低，造成對膠凝材料收縮的抑制作用也隨之減少。因而，在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土的干縮隨著膠凝材料用量的增加而逐漸增加，但增加的幅度較小。

（3）在水膠比和砂率保持不變的情況下，隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，在混凝土抗滲試驗壓力達到1.4MPa時，各混凝土試件均沒有出現滲水現象。對混凝土試件破型后發現，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土試件的最大滲水高度逐漸增加。從試驗結果來看，在保持水膠比和砂率不變的情況下，隨著單位膠凝材料用量的增加，混凝土的抗滲性能逐漸變差。

（4）在保持水膠比和砂率不變的情況下，① 單位膠凝材料用量的變化，對混凝土的氯離子擴散系數 D 并沒有明顯的、規律性的變化。從試驗結果可以得出結論，在保持水膠比和砂率不變的情況下，改變膠凝材料用量的變化對混凝土的抗 Cl-滲透性能影響不大。② 隨著膠凝材料的增加，同齡期的混凝土碳化深度逐漸降低。其原因是因為，在水膠比和砂率不變的情況下，隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，混凝土單位體積反應生成的 Ca(OH)2含量也隨著膠凝材料用量的增加逐漸增大，增加了混凝土的總堿性物質 Ca(OH)2的量，這對混凝土抗碳化性能起到增強作用。因此，隨著膠凝材料用量的增加，同齡期混凝土的碳化深度呈降低趨勢。

表8　膠凝材料用量對混凝土性能影響

3.2水膠比對混凝土性能的影響

從表8的試驗結果可以看出，在水膠比和砂率不變的情況下，混凝土的性能隨著膠凝材料用量的增加而呈現出不同的變化情況。水膠比作為混凝土配合比的一個重要參數，其變化也必然引起混凝土性能的變化。為探究水膠比對混凝土性能的影響，膠凝材料用量選擇為380kg/m3，粉煤灰摻量為20%，砂率42%，選取 0.40、0.42、0.44、0.46、0.48、0.50和 0.55七個水膠比，通過調整減水劑的用量控制坍落的變化范圍為 (200±10)mm（配合比見表9）。對混凝土的抗壓強度、干縮、抗氯離子滲透性、抗滲性和碳化性能進行試驗，其試驗結果見表10。

表9　水膠比變化對混凝土性能影響試驗配合比

從表10 的試驗結果可以看出：

（1）在保持其他因素不變的情況下，混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增加而逐漸降低，混凝土水膠比是影響混凝土抗壓強度的直接因素，也是主要因素。

（2）在保持膠凝材料用量、砂率、礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著水膠比的增加，混凝土同齡期的干縮率逐漸增加。其原因是混凝土的干縮是由于其水分的蒸發而引起的，而混凝土早期的干縮率隨水膠比的增加而增加，但其變化的幅度不大；混凝土后期（28d）干縮率隨著水膠比的增加而增加，其變化的幅度較大。這是因為混凝土早期可供蒸發的自由水含量比較充分。

（3）在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著水膠比的增加，混凝土的抗滲性能逐漸變差。其原因是混凝土的水膠比增大，膠凝材料水化產物不能有效填充混凝土水份蒸發形成的毛細孔，使混凝土漿體中存在較多的毛細空隙。而混凝土的抗滲性首先取決于混凝土漿體的毛細孔的多少，包括空隙的尺寸、分布和連通性，混凝土孔隙率越大，抗滲性能越差。因此，混凝土的水膠比越大，孔隙率也越大，其滲透性越好，混凝土的抗滲性能也就越差。當混凝土的水膠比超過 0.46時，混凝土的抗滲等級便不能滿足 P12的要求。

表10　水膠比變化對混凝土性能的影響

（4）在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，① 隨著水膠比的增加，混凝土的相對氯離子擴散系數 D 也不斷增加。試驗結果表明，混凝土抵抗 Cl-滲透的能力與混凝土的水膠比有直接的關系，水膠比變大混凝土的抵抗 Cl-滲透的能力逐漸降低。② 混凝土的抗碳化性能隨著水膠比的增大而逐漸降低。其原因是在保持混凝土膠凝材料用量、砂率和礦物摻合料摻量不變的情況下，隨著混凝土的水膠比增加，混凝土內部的孔隙率也隨之增大，CO2的擴散速度加快，這是使混凝土碳化速度加快的一個主要原因。

3.3砂率對混凝土性能的影響

砂率是混凝土配合比中一個重要的參數，其大小關系到粗細骨料的比例大小，混凝土砂率的變化對混凝土的工作性及硬化后的性能均能產生很大的影響。為了探究砂率對混凝土性能的影響，本試驗混凝土的膠凝材料用量為380kg/m3，粉煤灰摻量為20%，水膠比保持不變，通過調整減水劑用量保持混凝土坍落度在 (200±10)mm 范圍內變化，混凝土的砂率取36%、38%、40%、42% 和44%，其配合比見表11。砂率對混凝土的力學性能、干縮、抗氯離子滲透性、抗滲性和碳化性能的試驗結果見表12。

表11　砂率對混凝土性能影響試驗配合比

從表12的試驗結果可以看出：

（1）在混凝土膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下，減水劑的用量隨著砂率的增加而變大，其原因是隨著混凝土砂率的增加，混凝土骨料的比表面積也逐漸增加，為達到試驗要求的坍落度 (200±10)mm，混凝土拌合物所需的減水劑用量逐漸增加。從表12可以看出，混凝土的28d 抗壓強度隨著砂率的增加呈先增大后減小的變化趨勢，試驗結果表明混凝土存在一個最佳砂率。砂率較小時，混凝土的砂漿量不能有效填充粗骨料之間的空隙，也不能對粗骨料表面形成有效的包裹，導致混凝土的密實性降低，進而影響混凝土強度；砂率過大時，在相同膠凝材料用量的情況下，隨著砂率的增加，骨料的比表面積增加，包裹在骨料表面的漿體變薄，造成混凝土骨料見的粘結力下降，混凝土強度有所降低。

（2）隨著混凝土砂率的增大，混凝土的干縮率也不斷增大。其原因是混凝土砂率增大，混凝土中粗骨料的體積降低，在混凝土中對收縮起主要約束作用的粗骨料的含量降低，導致混凝土的干縮率不斷增加。

表12　砂率對混凝土性能的影響

（3）在膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下：① 混凝土的抗滲等級在各砂率條件下均可以達到P12。但混凝土試件的最大滲水高度有所不同，砂率越大混凝土的滲水高度也越大。② 隨著砂率的增大，混凝土的相對氯離子擴散系數 D 不斷增大，抗 Cl-滲透性能變差。③ 砂率對混凝土的抗碳化性能影響不大，混凝土碳化深度的改變依然是由于砂率的改變而引起的水膠比變化造成的。

4　結論

（1）在保持水膠比和砂率不變的前提下：當混凝土膠凝材料用量超過380kg/m3時，隨著混凝土單方膠凝材料用量的增加，混凝土抗壓強度有所降低；隨著單方膠凝材料用量的增加，混凝土的干縮率逐漸增大；隨著混凝土單位膠凝材料用量的增加，在混凝土抗滲試驗壓力達到1.4MPa 時，各混凝土試件均沒有出現滲水現象，但混凝土試件的最大滲水高度逐漸增加；單位膠凝材料用量的變化，對混凝土的氯離子擴散系數 D 并沒有明顯的、規律性的變化；隨著膠凝材料的增加，同齡期的混凝土碳化深度逐漸降低。

（2）在保持膠凝材料用量、砂率、礦物摻合料摻量不變的情況下，混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增加而逐漸降低；隨著水膠比的增加，混凝土同齡期的干縮率逐漸增加；隨著水膠比的增加，混凝土的抗滲性能逐漸變差，當混凝土的水膠比超過 0.46時，混凝土的抗滲等級便不能滿足 P12的要求；隨著水膠比的增加，混凝土的相對氯離子擴散系數 D也不斷增加，水膠比變大混凝土的抵抗 Cl-滲透的能力逐漸降低；混凝土的抗碳化性能隨著水膠比的增大而逐漸降低。

（3）在混凝土膠凝材料用量、礦物摻合料摻量和水膠比不變的情況下，減水劑的用量隨著砂率的增加而變大；混凝土的28d 抗壓強度隨著砂率的增加呈先增大后減小的變化趨勢；隨著混凝土砂率的增大，混凝土的干縮率也不斷增大；混凝土的抗滲等級在各砂率條件下均可以達到 P12，但混凝土試件的最大滲水高度有所不同，砂率越大混凝土的滲水高度也越大；隨著砂率的增大，混凝土的相對氯離子擴散系數 D不斷增大，抗 Cl-滲透性能變差；砂率對混凝土的抗碳化性能影響不大，混凝土的碳化深度的改變依然是由于砂率改變引起的水膠比的變化而造成的。

［通訊地址］河南省舞陽縣人民路18號（462400）

張輝（1972—），男，本科，工程師，主要從事混凝土質量檢測，商品混凝土公司管理，混凝土耐久性研究及應用。