混凝土配合比對建筑結構抗震性能的影響研究

鄧勇 袁紅木 冉濤 羅玉川 吳凡

【摘要】鑒于混凝土在建筑工程中的重要性，本文首先介紹了混凝土的基本組成及配合比的概念，分析了強度與工作性的權衡以及配合比參數的選擇，探討混凝土配合比與抗震性能的關系，文中涵蓋了強度、抗剪性能、變形能力、耐久性以及耗能能力等方面的研究。研究發現，混凝土的強度、韌性、耐久性等性能與抗震性能密切相關，合理的配合比設計可以顯著提高建筑結構的抗震性能。

【關鍵詞】混凝土；配合比；抗震性能；強度；抗剪性能

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.047

Study on the Influence of Concrete Mix Ratio on Seismic Performance of Building Structures

DENG Yong， YUAN Hongmu， RAN Tao， LUO Yuchuan， WU Fan

（China Construction 7th Engineering Bureau Co.， Ltd. Sichuan Branch， Chengdu 610000， China）

Abstract： Given the importance of concrete in construction engineering， this article first introduces the basic composition of concrete and the concept of mix proportion， analyzes the balance between strength and workability， and the selection of mix proportion parameters. It explores the relationship between concrete mix proportion and seismic performance， covering research on strength， shear performance， deformation capacity， durability， and energy dissipation capacity. The research has found that the strength， toughness， durability， and other properties of concrete are closely related to seismic performance. Reasonable mix design can significantly improve the seismic performance of building structures.

Keywords： concrete； mix proportion； seismic performance； strength； shear resistance

0引言

在建筑工程中，抗震性能是至關重要的因素，直接關系到結構的安全性和可靠性。混凝土作為常用的建筑材料之一，其配合比的設計和優化對于提升建筑結構的抗震性能具有關鍵作用。鑒于此，本文旨在探討混凝土配合比對建筑結構抗震性能的影響，以期為建筑工程的抗震設計提供更科學、可行的指導和方法。深入研究混凝土的組成與配合比參數，分析其與抗震性能之間的關系，將有助于更好地理解和應用混凝土材料，提高建筑結構的抗震能力。

1混凝土材料與配合比

1.1混凝土的基本組成

混凝土是一種由水泥、骨料、砂、水等材料組成的復合材料，各成分的比例和性質直接影響混凝土的性能。水泥是混凝土的膠凝材料，常用的有普通硅酸鹽水泥、高性能混凝土中的粉煤灰和礦渣粉等。骨料和砂是混凝土的骨架材料，其粒度分布和物理性質會影響混凝土的強度和工作性。水作為混凝土的反應介質和調整材料，其用量會影響混凝土的流動性和終凝時間。

1.2混凝土配合比的概念

混凝土配合比是指混凝土中各種原材料的比例和用量。其設計需要綜合考慮結構的性能和使用環境。水灰比（水的質量與水泥的質量之比）的選擇對混凝土的強度和耐久性影響顯著，較低的水灰比通常對于高強度混凝土有利，而較高的水灰比可提高混凝土的可塑性和工作性。骨料和砂的粒度分布也直接影響混凝土的強度和流動性，較好的粒度分布可以提高混凝土的工作性。例如，對于C30混凝土，常見的配合比為：水泥∶砂∶骨料∶水=1∶2∶3∶0.45，其中0.45是水灰比，決定了混凝土的強度和工作性。

1.3混凝土強度與工作性的權衡

提高混凝土的強度通常需要降低水灰比。例如，在C50混凝土中，水灰比為0.4，而在C70混凝土中，水灰比通常會降至0.35左右。這種降低水灰比的做法可以提高混凝土的抗壓強度，但同時也會降低其流動性和可塑性，使得混凝土更加黏稠，難以施工。因此，在工程設計中，需要綜合考慮混凝土的強度和工作性需求，以選擇合適的水灰比和添加外加劑等方式，實現兩者的平衡。

1.4混凝土配合比參數的選擇

水灰比是其中一個關鍵參數，它表示混凝土中水的用量與水泥的用量之比。較低的水灰比通常會提高混凝土的強度和耐久性，但可能降低工作性。例如，在C40級混凝土中，常見的水灰比為0.45左右。骨料粒徑的選擇也影響混凝土的工作性和強度。粒徑較小的骨料可以提高混凝土的流動性，但可能降低其抗壓強度。摻合料如粉煤灰和礦渣粉的添加可以改善混凝土的耐久性和抗裂性。

在實際工程中，根據設計要求和施工條件，混凝土設計師需要選擇合適的配合比參數，以滿足工程的性能要求。例如，對于需要高抗壓強度和耐久性的橋梁結構，可以采用低水灰比的C60混凝土，并添加適量的粉煤灰來提高耐久性。綜合考慮這些參數的選擇，可以實現混凝土性能的最佳平衡。

2混凝土配合比與抗震性能

2.1混凝土強度與抗震性能關系

在抗震設計中，結構的抗震能力通常需要依賴混凝土的抗壓強度來提供支撐。較高的混凝土抗壓強度可以增加結構的剛度，減小變形，從而提高其抗震性能。例如，在地震區域的橋梁設計中，通常會選用高強度混凝土（如C80級），以確保結構在地震作用下具備足夠的抗震承載能力。此外，混凝土的強度也直接影響著結構的耐久性，因為抗震性能與結構的壽命密切相關。

然而，需要注意的是，僅僅追求高強度的混凝土并不一定能夠保證良好的抗震性能。過高的強度可能導致結構過于脆弱，在地震荷載下易發生開裂和破壞。因此，在混凝土配合比設計中，需要綜合考慮結構的強度、剛度和韌性，以實現抗震性能的全面提升。

2.2混凝土配合比與抗剪性能

抗剪性能直接影響結構在地震荷載下的承載能力和變形能力。合理的混凝土配合比可以改善混凝土的抗剪性能。例如，通過控制骨料的粒徑分布，可以提高混凝土的內聚力，增加其抗剪強度。此外，添加適量的纖維（如鋼纖維或聚丙烯纖維）可以顯著提高混凝土的抗剪性能，減緩剪力裂縫的擴展。

抗剪性能的提高對于抗震設計尤為關鍵，因為地震時結構往往受到復雜的剪切力作用。混凝土的抗剪性能不僅能夠增加結構的抗震承載能力，還可以減小結構的位移，提高其韌性，從而降低地震災害可能造成的損失。因此，在混凝土配合比設計中，考慮到抗剪性能的提升，可以有效增強結構的抗震性能，見表1。

2.3混凝土配合比與變形能力

適當的混凝土配合比可以控制結構在地震作用下的變形，從而保證結構在地震中不會超出安全范圍。高強度混凝土通常具有較小的變形，適用于需要較小位移的結構，如高層建筑。但在一些需要具有較大變形能力的結構中，如橋梁、隧道等，通常會選擇抗震變形能力較高的混凝土配合比。

例如，在長周期地震作用下，一些特殊工程需要考慮地震引起的長周期振動，此時需要選擇混凝土配合比以保證結構具備良好的變形能力。合理的配合比設計可以使結構在地震作用下產生控制性變形，從而保證結構的安全性。

2.4混凝土配合比與耐久性

混凝土的耐久性是指其在不同環境條件下的長期使用性能，直接關系到結構的使用壽命。通過合理設計混凝土配合比，可以提升其耐久性。例如，在潮濕或含有鹽分的環境中，適當控制水灰比和添加防護措施，如使用耐久性更強的水泥或摻合料，可以有效提高混凝土的抗侵蝕能力，延長結構的使用壽命。

此外，耐久性還涉及混凝土的抗凍融性、抗堿性等方面。在寒冷地區，通過選擇合適的配合比參數和添加防凍劑，可以提高混凝土的抗凍融性，防止凍脹損壞。對于一些需要抵抗堿性侵蝕的環境，可以選擇添加摻合料來提高混凝土的抗堿性。因此，在混凝土設計中，需要根據具體使用環境和要求，選擇合適的配合比參數，以保證結構的耐久性。

2.5混凝土配合比與耗能能力

混凝土的耗能能力是指其在地震作用下吸收能量的能力，直接影響到結構的抗震性能。通過合理的混凝土配合比設計，可以提升結構的耗能能力，從而減輕地震作用對結構的影響。例如，通過添加纖維（如鋼纖維或聚丙烯纖維）來增強混凝土的韌性和延性，使其能夠在地震作用下產生一定程度的變形，吸收地震能量。

另外，一些特殊設計的混凝土配合比，如高強度混凝土配合高強度鋼筋，也可以提高結構的耗能能力。通過控制配合比的參數，可以使結構在地震作用下產生控制性變形，從而保證結構的安全性。因此，在混凝土設計中，需要綜合考慮耗能能力的提升，以保證結構具備良好的抗震性能。

3混凝土配合比優化方法

3.1強度-韌性平衡的考慮

一種常見的方法是通過調整水灰比來達到平衡。較低的水灰比通常可提高混凝土的韌性，但可能降低其抗壓強度。因此，根據工程需求，可以在一定范圍內選擇適當的水灰比，以滿足強度和韌性的要求。例如，對于需要高抗震性能的結構，可以選擇C60級混凝土，并適度增加水灰比以提高工作性，同時使用高性能纖維增強混凝土的韌性。

此外，采用高性能混凝土材料也是實現強度-韌性平衡的有效方法。高性能混凝土通常具有更高的抗壓強度和韌性，可以在不犧牲韌性的情況下提供更高的強度。例如，使用高性能混凝土，如高性能硅酸鹽水泥和高性能粉煤灰，可以在混凝土配合比中實現更高的強度，同時保持較好的韌性。因此，在混凝土配合比的優化中，強度-韌性平衡應被視為一個核心考慮因素，以滿足抗震性能的要求。

3.2高性能混凝土的應用

高性能混凝土通常具有更高的抗壓強度、更好的變形能力和更好的耐久性，這使其在抗震設計中具有巨大潛力。例如，在大跨度橋梁和高層建筑中，使用C80級或更高級別的高性能混凝土可以有效提高結構的抗震性能，減小振動幅度，提高結構的穩定性。

此外，高性能混凝土還可以通過摻入適量的摻合料、纖維材料等來進一步優化，以增加其韌性和耗能能力。這些高性能混凝土的應用有助于提高結構的抗震能力，減小地震造成的損失。因此，在混凝土配合比的優化中，考慮使用高性能混凝土材料是一個重要的策略，特別是在需要提高結構抗震性能的工程項目中。

3.3纖維增強混凝土的效果

通過添加纖維材料，如鋼纖維或聚丙烯纖維，可以明顯改善混凝土的抗裂性和韌性。這些纖維能夠防止裂縫的擴展，并在地震發生時吸收和分散能量，從而延緩結構的破壞。實驗研究表明，添加適量的纖維可以顯著提高混凝土的抗剪性能和耗能能力，減小地震時結構的位移和損傷。

例如，在橋梁結構中，采用FRC可以增加橋梁梁板的承載能力，同時提高其耐久性和抗震性能。對于地震易發區的建筑，使用FRC可以有效減小結構的震后維修和修復成本，提高結構的可持續性。因此，FRC的應用已成為提高混凝土結構抗震性能的重要方法之一。

3.4高強度鋼筋的使用

高強度鋼筋通常具有更高的屈服強度和抗拉強度，可以增加混凝土結構的承載能力和剛度。在地震設計中，選擇高強度鋼筋可以有效提高結構的抗震能力，減小結構的振幅和位移。

例如，普通鋼筋的屈服強度一般為400 MPa左右，而高強度鋼筋的屈服強度可以達到600 MPa以上。因此，使用高強度鋼筋可以在不改變結構形態的情況下增加結構的承載能力。這在大跨度橋梁和高層建筑中尤為重要，因為這些結構通常需要更高的抗震性能。高強度鋼筋的使用還可以減小結構的自重，降低地震荷載的影響。因此，在混凝土結構的設計和施工中，充分利用高強度鋼筋是提高抗震性能的有效手段。

3.5預制混凝土元件的優勢

預制混凝土元件在工廠內制作，具有更高的制造精度和質量控制，相對于現場澆筑，可以減小施工中的不確定性。這有助于確保結構的一致性和穩定性。

此外，預制混凝土元件通常采用高性能混凝土材料制作，如高強度混凝土和FRC，這使得它們具有較好的抗震性能。例如，在地震發生時，預制混凝土橋梁梁段能夠在承受劇烈地震作用后迅速恢復正常使用，減小了交通中斷的可能性。此外，預制混凝土結構可以減少現場施工時間，降低了工程的風險和成本。

4結束語

在本文中，我們深入探討了混凝土配合比對建筑結構抗震性能的影響。通過對混凝土材料與配合比、強度與工作性的權衡、配合比參數的選擇等方面進行詳細的討論，我們理解了如何在設計階段優化混凝土的配合比，以實現強度、工作性和抗震性能的平衡。此外，我們還探討了纖維增強混凝土、高強度鋼筋和預制混凝土元件等技術手段在提高抗震性能方面的重要作用。綜合這些方法，可以有效地提升混凝土結構的抗震性能，為地震災害下的建筑安全提供了有力保障。

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【作者簡介】

鄧勇，男，1988年出生，工程師，學士，研究方向為建筑工程。

（編輯：于淼）