浅析混凝土配合比优化方法

浅析混凝土配合比优化方法

胡庆勋

中铁一局集团有限公司计量试验检测中心陕西西安710100

摘要：同一强度等级的混凝土，由于各项材料的组成比例不同，决定了混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能不尽相同，所构成的单方成本费用也不相同。混凝土配合比优化就是根据所用原材料性能和对混凝土的技术要求，通过计算、试配和调整等确定出各项材料的组成比例，配制出既经济又符合质量要求的混凝土，从而达到降本增效的目的。

关键词：混凝土配合比优化降本增效

1.0引言

混凝土配合比是指水泥、矿物掺和料、砂子、石子、水、外加剂组成比例的表达形式。混凝土配合比的设计质量直接影响着混凝土结构强度和耐久性，影响着现场混凝土施工的难易程度，同时也影响着构成混凝土单方成本费用。因此，在设计混凝土配合比时，首先要掌握工程结构特征、设计使用年限、所处环境条件和作用等级、结构设计强度等级和耐久性要求、施工方法，以及所用原材料的品种、规格、性能指标等基本资料。从混凝土组成材料比例开始，对配合比展开技术分析和经济比较进行优化设计，对混凝土拌和物性能、力学性能、耐久性能进行全面的检测，严格控制混凝土施工质量，确保建筑结构物安全使用达到设计年限。本文以项目工地试验室上报的混凝土配合比为例，对其进行了技术和经济分析，并深入现场配合工地试验室对该配合比进行优化。

2.0结构混凝土设计要求与环境条件

工程结构设计使用年限100年，地处碳化环境条件，作用等级为T2；梁体混凝土设计强度等级C55，现场施工采用泵送浇注工艺，要求坍落度160～200mm，含气量2%～4%。

2.1原材料情况

原材料为现场大宗材料，其各材料情况如下：

⑴水泥：P·O42.5，单价455元/t；

⑵细骨料：河砂，细度模数：2.7，单价78元/t；

⑶粗骨料：碎石规格5～10mm、10～20mm，按4︰6比例混合成5～20mm连续级配，单价47元/t；

⑷粉煤灰：F类I级粉煤灰，单价421元/t；

⑸矿粉：磨细矿碴粉单价338元/t；

⑹外加剂：聚羧酸梁体专用减水剂（固含量15.0%，减水率26.1%，掺量：1.20%），单价5.10元/kg；

⑺拌合水：饮用水，3.5元/t。

2.2优化前的配合比

⑴混凝土配合比单位用量（kg/m3）：水泥：粉煤灰：矿粉：砂：石：外加剂：水

=411：36：73：692：1083：6.50：155（149，为扣除外加剂含水量后的实际用水量）。

⑵混凝土拌合物性能及力学性能和耐久性能：①坍落度195mm，含气量3.2%；②7d强度52.6MPa，28d强度65.4MPa；③56d电通量（c）537。

2.3技术分析

胶凝材料总量520kg/m3，矿物掺合料（双掺）占21%；水胶比0.30，用水量155kg/m3，砂率39%；减水剂掺量1.25%。虽然，该配合比的混凝土拌合物性能及力学性能和耐久性指标满足设计要求和施工要求，但其组成各材料的搭配比例不佳。一是胶材总量超过TB/T3275-2011《铁路混凝土》标准规定500kg/m3的最大限值；二是矿物掺合料参量偏小，不利于降低水化热；三是外加剂掺量不宜大于标准掺量，对于水胶比0.30的强度控制指标来说，对其增强效果并不显著。因此，有必要对该配合比进行优化。

2.4经济分析

该配合比单方混凝土成本由各组成材料用量费用构成：水泥411kg×0.455元/kg=187.00元；粉煤灰36kg×0.421元/kg=15.16元；矿粉73kg×0.338元/kg=24.67元；砂692kg×0.078元/kg=53.98元；石1083kg×0.047元/kg=50.90元；外加剂6.5kg×5.10元/kg=33.15元；水：149kg×0.0035元/kg=0.52元。单方混凝土组成费用365.38元。

2.5优化分析

首先应降低单方胶材用量20kg，使其满足标准规定限值要求；由于粉煤灰和矿粉比水泥价格低廉，可增大矿物掺合料掺量（双掺）至35%，以降低水泥用量及水化热，节约成本；降低减水剂至标准掺量1.20%，对混凝土强度影响不大；砂、石总量向下调整20kg，保持水胶比和砂率不变。

3.0配合比优化

根据上述对配合比的技术、经济和优化分析，形成了初步优化配合比：水泥：粉煤灰：矿粉：砂：石：外加剂：水=325：80：95：684：1071：6.00：150（145，为扣除外加剂含水量后的实际用水量）。

3.1试拌：试拌量25升，按照投料顺序依次加入粗骨料、胶凝材料、细骨料、水和外加剂，搅拌150s后出机、拌合、测试。实测坍落度210mm，拌合物不离析、不泌水，混凝土和易性良好。但混凝土坍落度偏大，超过设计目标值180±20mm范围，则需对混凝土的坍落度加以调整控制。

3.2调整：混凝土坍落度的调整有多种方法：一是在保持水胶比不变的前提下，减小单位浆体用量；二是适当减小砂率；三是适当降低外加剂的掺量。从技术分析这三种方法均能达到降低混凝土流动性的目的。但是，这三方法对混凝土成本影响是不同的，所以还应通过经济分析比较，最后由试配确定。

⑴经济比较：当采用第一种调整方法时，在水胶比不变的条件下，减小单位用水量至145kg，相应的单位胶材用量为483kg，即水泥用量=483×[1-（16%+19%））=314kg，粉煤灰用量=483×16%=77kg，矿粉用量=483×19%=92kg，外加剂单位用量由原6kg减少至5.80kg，保持粗、细骨料总量不变。计算单方成本降低费用：①水泥=（325-314）×0.455=5.00元；②粉煤灰=（80-77）×0.421=1.26元；③矿粉=（95-92）×0.338=1.01元；④外加剂=（6.00-5.80）×5.10=1.02；单方降低费用=5.00+1.26+1.01+1.02=8.29元。当采用第二种调整方法时，在保持单位用水量、胶材总量和粗细骨料总量不变的条件下，降低砂率1%，使坍落度减小20mm，以达到降低混凝土流动性的目的。计算单方成本降低费用：细骨料=（684+1071）×（39%-38%）×0.078=0.98元，粗骨料=（684+1071）×（61%-62%）×0.047=-0.59元，单方成本降低费用=0.98-0.59=0.39元。采用第三方法调整时，若降低外加剂掺量至1.10%，使混凝土坍落度回到设计范围内，此时降低成本费用=483×（1.20%-1.10%）×5.10=2.46元。

⑵调整初步优化配合比：通过上述技术经济分析后，显然第一种调整方法既通用又经济。故配合比调整为：水泥：粉煤灰：矿粉：砂：石：外加剂：水=314：77：92：684：1071：5.80：145（140，为扣除外加剂含水量后的实际用水量）。

⑶试拌验证：按调整后的配合比计算称取25升的各材料试拌用量，投料搅拌至规定时间，出机后的混凝土拌合物不离析、不泌水。经人工翻拌后测定坍落度为195mm，含气量为2.8%，1h坍落度经时变化量15mm，混凝土的和易性满足施工要求；重新称料拌合成型试件，7d抗压强度为50.7MPa，28d抗压强度67.2MPa，56d电通量（c）为517，混凝土强度、耐久性指标符合设计要求。通过验证该调整后的配合比为最终优化的配合比。

3.3成本分析

与优化前配合比相比，优化后的配合比每立方水泥用量降低97kg，节约成本44.14元；粉煤灰用量增加41kg，增加成本17.26元；矿粉用量增加19kg，增加成本6.42元；砂子用量减少8kg，节约成本0.62元；石子用量降低12kg，节约成本0.56元；减水剂用量降低0.70kg，节约成本3.57元；水用量降低了9kg，节约成本0.03元。因此，最终优化后的混凝土配合比每立方节约成本为25.24元，且单方成本费用365.38-25.24=340.14元。

4.0结束语

混凝土配合比优化设计是在满足结构设计强度、工程耐久性和施工工作性的前提下，使各种材料的比例符合最低成本的要求，即经济性。本次优化的出发点就是尽可能的合理使用原材料，以达到降本增效的目的。在混凝土配合比优化设计中，应该注意以下四个问题：首先要掌握原材料的价格，要知道水泥的价格要比集料价格贵得多，所有可能采取的优化步骤都首先应该是用以减少混凝土中的水泥用量，并满足工艺性和工程技术性能，从而降低混凝土造价。第二，用活性矿物掺合料如粉煤灰和磨细矿碴粉置换混凝土中的部分水泥用量，是降低混凝土单位成本的最有效途径。目前许多配合比的矿物掺合料的掺量都普遍偏低，应该在现有的基础上提高其掺量，一方面能更好地降低混凝土成本，另一方面能够改善混凝土的工作性能，降低水化热，提高混凝土的耐久性能。当然，提高矿物掺合料掺量应视工程环境类别并符合标准规范的要求，同时还必须兼顾施工工艺对混凝土强度的要求。第三，混凝土配合比优化设计后应首先进行试拌检查拌合物的性能是否满足工作性要求，混凝土的工作性通常以新拌混凝土的粘聚性、保水性和流动性（坍落度、扩展度及经时变化）来衡量，所以混凝土拌合物性能调整是配合比设计选定过程中的一项重要工作内容。对混凝土拌合物性能的调整就意味着组成混凝土的各材料比例将发生变化，混凝土单位成本也将随之改变，不同的调整方法对成本的影响程度不同。因此，在选择调整方法时应首先进行经济比较，最后由试配确定。

现场混凝土配合比优化是项目管理中的一项系统工程，它涉及了混凝土原材料、混凝土的生产、运输、浇筑、振捣密实、养护等多重环节和多种作业类型，只有保证各环节的精密协调，才能把一个好的配合比落实到工程实践中去。

参考文献

1.中化人民共和国铁道行业标准TB/T3275-2011《铁路混凝土》

2.中华人民共各国行业标准JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》