簡析水運工程混凝土配合比設計

鄭麗華，楊延恒

（上海航源港口工程質量檢測有限公司，上海 201208）

引 言

混凝土是以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、石子，必要時摻入化學外加劑和礦物摻合料，按適當比例配合，經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的人造石材。它作為一種用量最大、范圍最廣的建筑結構材料，已經獲得廣泛的應用和發展。

混凝土的主要受力形式為抗壓，所以抗壓強度是其最主要力學指標，且以其以立方體抗壓強度標準值劃分混凝土強度等級。根據混凝土的定義可知，混凝土的強度在很大程度上是由原材料的性質及其相對含量決定的。所以在配制某強度等級混凝土前，需進行該混凝土配合比設計。由于身處水運工程行業，所以本文主要分析水運工程混凝土配合比設計。

1 水運工程混凝土配合比設計步驟

水運工程混凝土配合比設計是依照《水運工程混凝土施工規范》（JTS 202-2011）[1]執行。該規范明確了配合比設計的步驟以及基本參數的選取推薦值：

1）計算混凝土施工配制強度；

2）選擇水膠比；

3）選擇用水量；

4）確定砂率；

5）確定膠凝材料用量；

6）計算砂、石用量；

7）試拌并調整。

2 水運與建筑工程混凝土配合比設計對比

建筑工程混凝土配合比設計依照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[2]執行。

2.1 混凝土施工配制強度計算

水運工程中，混凝土施工配制強度按式（1）計算：

建筑工程中，指明當混凝土的設計強度等級小于C60時，配制強度按式（2）確定：

當設計等級不小于C60時，配制強度按式（3）確定：

由式（1）和式（2）可知，普通混凝土施工配制強度計算公式基本一致。不過，兩者在標準差σ取值上有所不同。比較表1和表2可知，對于小于C20以及大于等于C50的混凝土，水運工程的標準差σ值偏低。對于常規C25、C30、C40混凝土，水運工程標準差σ值偏低；對于常規C20、C45混凝土，水運工程標準差σ值偏高。因此，水運工程的標準差σ值普遍偏低。

表1 水運工程標準差σ值 /MPa

表2 建筑工程標準差σ值 /MPa

2.2 水膠比確定

建筑工程中，《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）規定，當混凝土強度等級小于C60時，混凝土水膠比宜按下式計算得出：

水運工程中，《水運工程混凝土施工規范》（JTS 202-2011）規定，用建立強度與水膠比關系曲線的方法求水膠比，按指定的坍落度，用實際施工應用的材料，拌制數種不同水膠比混凝土拌合物，并根據 28 d齡期的混凝土立方體試件的極限抗壓強度繪制強度與水膠比的關系曲線，從曲線上查出與混凝土施工配制強度相應的水膠比。

根據這條要求，試驗室在做配合比設計前，首先，要用委托的原材料成型3～5個水膠比的混凝土試件，養護 28天后得出混凝土抗壓強度。然后，建立水膠比與混凝土抗壓強度的關系，一般為線性關系。最后，可通過插入法或直接取值法，找到施工配制強度對應的水膠比。并將該水膠比與有耐久性要求規定的水膠比進行比較，得出最終的水膠比。至此，完成配合比設計第二步，至少需要 28天。

2.3 用水量選擇

建筑工程與水運工程標準中均提供了用水量的推薦值，且用水量的選擇均與坍落度范圍、粗骨料品種、粗骨料最大粒徑有關。以工程中常用的塑性混凝土為例，具體見表3。

表3數據顯示，水運工程中的用水量推薦值略微大一點點。且隨著坍落度和粒徑增大，水運工程的用水量增加更顯著。

表3 塑性混凝土用水量推薦值 /(kg·m-3)

2.4 砂率確定

建筑工程標準中提供了砂率的推薦值，其大小選擇與水膠比、粗骨料品種、最大粒徑有關。該推薦值為質量砂率，其計算公式見式（5）：

水運工程標準亦提供了砂率的推薦值，其大小選擇與膠凝材料用量、粗骨料品種、最大粒徑有關。該推薦值為體積砂率，其計算公式見式（6）：

由于砂的密度ρs一般比石的密度ρg小一點，所以體積砂率一般比質量砂率大一點。

依照水膠比、膠凝材料用量、用水量三者之間關系，將水運工程與建筑工程的砂率推薦值進行轉換比較，具體見表4。

表4 水運工程與建筑工程的砂率選用值 /%

表4數據顯示，水運工程中的砂率推薦值偏小。

建筑工程標準中指明，當坍落度為10～60 mm的混凝土，其砂率可按表中推薦值選取。

而水運工程標準中明確，需按照表中推薦范圍或者經驗選擇數種不同的砂率，拌制混凝土，確定最佳砂率。根據這條要求，需要依據選定的水膠比、用水量，計算出膠凝材料用量，保持這三個參數不變，選擇不同的砂率，計算出不同的砂、石質量，拌制混凝土，測坍落度，從而選擇最佳砂率。

2.5 膠凝材料用量確定

建筑工程標準中，膠凝材料用量由已選擇的水膠比和用水量、礦物摻量計算而來，并應進行試拌調整，在拌合物性能滿足的情況下，取經濟的膠凝材料用量。計算得出的膠凝材料總量是確定的，調整主要是針對礦物摻量而言。

水運工程標準中，膠凝材料用量的選擇比較復雜：按選定的水膠比和已確定的最佳砂率，拌制數種膠凝材料用量不同的混凝土拌合物，測定其坍落度，并繪制坍落度與膠凝材料用量的關系曲線，從曲線上查出與施工要求坍落度相應的膠凝材料用量。

這條要求是比較令人費解的。因為從字面上理解，膠凝材料用量與坍落度直接相關。而實際上，眾所周知，膠凝材料用量由用水量除以水膠比而得。且在第三步用水量選擇時，就已經考慮了設計坍落度。所以與其說是建立膠凝材料與坍落度的關系，還不如說是建立用水量與坍落度之間的關系。如此，第三步用水量選擇的作用就僅僅是用來計算砂率了。

根據這條要求，需保持水膠比、最佳砂率不變，選擇不同的膠凝材料用量，即選擇不同的用水量，計算出不同的砂、石質量，拌制混凝土，測坍落度，建立坍落度與膠凝材料用量的關系曲線，從而確定膠凝材料用量（與耐久性要求的最低膠凝材料用量比較后）、用水量。

2.6 砂、石計算

建筑工程標準中指明，可以按照質量法和體積法進行計算。在水膠比、用水量、砂率已選以及各材料的密度數據已有的情況下，計算出砂、石質量。

水運工程標準中規定，必須按照絕對體積法進行計算。在水膠比、膠凝材料用量、最佳砂率已確定以及各材料的密度數據已有的情況下，計算出砂、石質量。

2.7 試配并調整

建筑工程標準中指明，在計算配合比的基礎上應進行試拌。計算水膠比宜保持不變，并應通過調整配合比其他參數使混凝土拌合物性能符合設計和施工要求，然后修正計算配合比，提出試拌配合比。在這個過程中，一般會調整用水量或者砂率，甚至兩個參數都調整。

在試拌配合比的基礎上應進行混凝土強度試驗。通過繪制強度和膠水比的線性關系圖或插值法確定略大于配制強度對應的膠水比。再根據確定的水膠比，調整用水量、外加劑用量、膠凝材料用量，以及粗、細骨料用量。最后校正混凝土拌合物的表觀密度，得出最終的配合比。

水運工程標準中指明，經濟合理的配合比應按計算配合比和施工要求的坍落度，經試拌校正后得出。確定的配合比應根據制定的要求制作試件進行試驗校核。

3 結 語

1）建筑工程混凝土配合比計算邏輯是先選全部參數后調整再校核。水運工程混凝土配合比設計邏輯是逐個確定參數再校核。確定參數的過程，包含了調整的過程，且會涉及到后續步驟的計算。

2）水運工程混凝土配合比設計雖然基本參數選定更精確，但操作耗時長，比建筑工程混凝土配合比設計試驗所耗時間至少延長 28天時間，會給工程開展帶來不便。

3）水運工程配制強度計算σ值普遍偏小。

4）水運工程配制強度計算用水量推薦值普遍偏大。

5）水運工程配制強度計算砂率是體積砂率，且其推薦值普遍偏小。