公路工程普通混凝土配合比设计方法之浅谈

公路工程普通混凝土配合比设计方法之浅谈

宋卫锋

广州骏升检测技术有限公司

【关键词】公路工程；普通混凝土配合比；设计方法

引言

公路工程不仅承载着我们各行各业的运输，其还是各个地区的连接纽带，推动着各地经济的发展；同时，还在我们生活中承担起越来越重要的作用。公路工程的施工质量越来越引起人们的重视，其中搞好水泥普通混凝土配合的设计是其中非常重要的一环。我们常用的普通水泥混凝土配合比设计分为四个关键部分：基本规定，混凝土配制强度的确定，配合比计算，混凝土配合比的试配、调整和确定。本文希望通过带领大家熟悉规范中配合比设计基本规定及计算步骤、调整及确定配合比，以及通过举例来计算配合比、确定基准配合比来达到掌握配合比设计的目的。

一、基本规定

1、混凝土配合设计应满足配制强度及其他力学性能、拌和性能、长期性能和耐久性能的设计要求。同时，进行拌和性能、力学性能、长期性能和耐久性能的试验方法还应符合现有相关规范的具体相关要求。

2、混凝土配合比设计采用的原材料都应来自工程实际使用的原材料。进行配合比设计前，水泥、碎石、砂、外掺混合材料、外加剂等各项材料应经检验合格以备用；碎石采用连续级配合成而来的话，还应优先确定各档材料合成比例。

3、混凝土采用的水胶比应符合现行标准的相关要求。C15及其以下强度等级的混凝土除外，最小胶凝材料用量最低不能低于250kg/m3，否则混凝土的耐久性能难以保证。

4、混凝土中矿物掺合料的掺量应通过安定性试验或其它相关试验等进行确定。

5、混凝土拌合物中水溶性氯离子最大含量不得大于1%，超过规定会造成混凝土钢筋锈蚀及导致混凝土开裂，对混凝土使用的耐久性将造成影响。

6、对于长期处于潮湿或水位变动的寒冷和严寒环境以及盐冻环境中的混凝土，掺用引气剂掺量最大不能大于7%，过多用量会导致其他不良后果的发生。

二、混凝土配制强度的确定

1、混凝土配制强度应符合：

1）当设计强度等级低于C60时，配制强度应不小于设计强度和1.645倍标准差的和；

2）当设计强度不小于C60时，配制强度应不小于1.645倍设计强度。

避免应用在施工中因各种因素影响，导致现场混凝土强度不能满足设计混凝土强度要求。

2、标准差的确定分两种情况：

1）对有近1~3月的同一品种、同一强度等级混凝土的强度资料，且试件组数不小于30组数据参考时，其混凝土强度标准差应通过规范中相关公式进行计算得出。同时，对其取值还做出了相关要求：①最小取值不能低于3MPa要求；②对大于C30且小于C60的混凝土，最小取值应不低于4MPa要求。

2）当没有近期的同一品种、同一强度等级混凝土强度参考资料时，强度标准差可通过相关查表得出。

三、配合比计算

根据现行设计规程要求，混凝土配合比的计算需要确定如下参数：水胶比、用水量和外加剂用量，胶凝材料、矿物掺合料、砂率、粗细骨料用量。

1、水胶比

1）当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按如下公式计算：

W/B=αa*fb/（fcu，0+αa*αb*fb）

式中：W/B--混凝土水胶比；

αa、αb--回归系数，根据混凝土配合比设计规程的规定取值；

fb--胶凝材料28d胶砂抗压强度，可根据标准方法实测，也可按相关规范确定。

2）回归系数（αa、αb）宜按下列两种方式确定：①根据工程所使用的原材料，通过试验建立的水胶比和混凝土强度关系式来确定。②不具备相关统计资料时，可进行相关查表得出。

3）fb的数值根据下列两种方式确定：①当胶凝材料28d抗压强度值（fb）无实测值时，可根据外掺材料各种影响系数与水泥28d胶砂抗压强度的乘积进行确定。②水泥28d胶砂抗压强度无实测值时，根据水泥强度等级值的富余系数（根据统计资料或查表）与水泥强度等级值的乘积进行确定。

2、用水量和外加剂用量

1）用水量每立方米混凝土的用水量确定又分两种情况确定：①混凝土水胶比在0.4~0.8范围时，依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）查表进行确定。②小于0.4时，可通过试验确定。同时，确定的用水量还应根据砂的细度模数分级以及掺用矿物掺合料和外加剂进行相应调整，确定合适的用水量。2）外加剂的用量为每立方米用水与外加剂掺量的乘积，应经试验确定。

3、砂率

砂率的确定应分三种情况来确定，分别是：①塌落度小于10mm的混凝土，试验确定砂率；②塌落度10~60mm的混凝土，其砂率可根据粗骨料品种、最大公称粒径及水胶比查表确定；③塌落度大于60mm的混凝土，应经试验确定，也可在混凝土配合比设计规程查表的基础上，按塌落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以调整的形式进行确定。同时，对初步确定的砂率还应根据砂的细度模数、是否人工砂及是否单粒级以及结合以往工程实际经验等情况进行进一步调整确定。所以，实践检验也是一个很大的重要方面。

4、粗细骨料用量

按照质量法和体积法两种方法中的一种对每立方米混凝土中的粗细骨料用量进行计算。

四、混凝土配合比的试配、调整和确定

1、试配

混凝土试配应采用强制式搅拌机进行搅拌，搅拌方法宜与施工采用的方法相同。各种材料用量应计算准确，并根据集料公称最大粒径对每盘混凝土最小量进行调整，每盘混凝土试配的最小搅拌量不少于20L。在计算配合比的基础上应进行试拌。宜先向搅拌机投入细骨料、水泥、矿物掺和料和外加剂，搅拌均匀后，再加入所需用水量，待砂浆充分搅拌后再投入粗骨料，并继续搅拌至均匀为止。上述每一阶段的搅拌时间不少于30s，总搅拌时间不宜少于2min，也不宜超过3min。在提出试拌配合比的基础上应进行混凝土强度试验，强度试验应采用三个不同的配合比，其中计算的试拌配合比为基准，另外两个配合比的水胶比宜较试拌配合比分别增加和减少0.05，用水量应与试拌配合比相同，砂率可以分别增加和减少1%。同时，应进行混凝土和易性、表观容重、塌落度等相关试验，相关试验合格后才可进行混凝土抗压试件成型。如不合格，应对计算初步配合比中各种材料根据以往经验进行相应调整，调整后重新计算水胶比、砂率及各种材料用量。重新调整后，再次进行试拌混凝土进行混凝土和易性、表观容重、塌落度等相关试验检测，检测合格后才能进行混凝土试件成型工作。混凝土试件成型根据不同的塌落度采用不同的成型方法进行，混凝土试件成型后，在成型室养生1天后脱模即移入标养室进行标养养生。强度试验，每个配合比一般7天1组、28天至少1组试件进行抗压强度试验。强度试验结果作为最终推荐配合比的一个最重要指标。

2、配合比的调整与确定

1）配合比调整：①配合比各种材料用量宜根据强度和胶水比的线性关系或插值法确定略大于配制强度对应的胶水比来进行调整。②在试拌配合比的基础上，用水量和外加剂用量应根据确定的水胶比作调整。③胶凝材料用量应以用水量乘以确定的胶水比计算得出。④粗骨料和细骨料用量应根据用水量和胶凝材料进行调整。

2）混凝土拌合物表观密度和配合比校正系数的计算应符合以下规定：①配合比调整后的混凝土拌合物的表观密度应是所有材料重量的总和；②混凝土配合比校正系数等于混凝土拌合物的表观密度实测值与混凝土拌合物的表观密度理论值的比值；

3）依据混凝土拌合物表观密度实测值与计算值之差的绝对值是否超过计算值的2%情况，决定是否对配合比中每项材料用量均乘以校正系数进行调整；原配合比超过进行调整，未超过可维持不变。配合比调整后，应测定拌合物水溶性氯离子含量测定；对耐久性有设计要求的还应进行耐久性试验验证。检测各项性能是否满足最终要求。

4）生产单位可根据常用材料设计出常用的混凝土配合比备用，并应在启用过程中根据混凝土性能特殊要求以及使用的原材料品种、质量有显著变化等情况予以验证或调整。

五、计算实例

某项目桥梁工程进行C30水下桩基混凝土配合比设计，水泥采用P.O42.5R，碎石为5~25mm花岗岩，砂为河沙，细度模数为2.7，粉煤灰为Ⅱ级F类（掺量15%），外加剂为聚羧酸缓凝高效减水剂掺量2.0%（减水率为19%），要求采用质量法计算混凝土配合比。

1、设计依据：

（1）JTGE30-2005《公路工程水泥混凝土试验规程》

（2）JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》

（3）JTG/T3650-2020《公路桥涵施工技术规范》

（4）JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》

（5）GB50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规程》

（6）GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》

（7）GB8076-2016《混凝土外加剂》

（8）相关设计图纸

2、混凝土配制强度计算

混凝土的设计强度小于C60，故配制强度应按如下公式计算：

fcu，0≥fcu，k+1.645б

fcu，0--混凝土的配制强度（MPa）

fcu，k--混凝土的设计强度等级值（MPa），这里取值为30MPa；

Б--混凝土强度标准差（MPa），查《普通混凝土配合比施工规程》（JGJ55-2011）表4.0.2中得出标准差为5MPa；

故fcu，0≥30+1.645*5=38.2MPa

3、水胶比计算

混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比按下式计算：

W/B=αa*fb/（fcu，0+αa*αb*fb）

式中：αa--粗骨料为碎石，取值为0.53；

αb--粗骨料为碎石，取值为0.20；

fb=γf*γs*fce

式中：γf、γs--粉煤灰、粒化高炉矿渣粉影响系数，经查表可知，其数值分别为0.8、1.0；

fce=γs*fce，g

式中：γc--水泥强度等级值的富余系数，经查表可知，其数值取1.16；

fce，g--水泥强度等级值（MPa），取值为42.5MPa；

故，fce=γs*fce，g=1.16*42.5=49.3

fb=γf*γs*fce=0.8*1*49.3=39.44

W/B=αa*fb/（fcu，0+αa*αb*fb）=0.53*39.44/（38.2+0.53*0.2*39.44）=0.49

4、用水量和外加剂用量计算

混凝土的水胶比为0.49在0.40~0.80范围内，采用查表法计算mw0；碎石公称最大粒径为25mm，介于20~31.5范围内，当塌落度为75~90mm时，用水量取值为205kg/m3；水下桩基塌落度设计范围为180~220mm，取中值为200mm，按照与90mm塌落度的用水量为基础，每增大20mm塌落度相应增加5kg/m3用水量来计算；

Mw0´--未掺用外加剂时的用水量；

Mw0´=205+（200-90）*5/20=232.5，取整为233kg/m3；

mw0=Mw0´*（1-β）=233*（1-19%）=188.73，取整为189kg/m3；

5、胶凝材料、矿物掺合料和水泥用量

胶凝材料用量=mw0/W/B=189/0.49=385.71，取整为386kg/m3；

矿物掺合料用量mf0=386*15%=57.9，取整为58kg/m3；

水泥用量mc0=386-58=328kg/m3；

外加剂用量ma0=386*2%=7.7kg/m3；

6、砂率

查表大于60mm的混凝土，砂率按每增大20mm塌落度，砂率βs增大1%的幅度调整。

碎石最大公称粒径为25mm，当水胶比0.4时，查表取20mm公称最大粒径时的砂率为31.5；当水胶比0.5时，查表取20mm公称最大粒径时的砂率为34.5，经计算，

βs=31.5%+（34.5%-31.5%）*（0.49-0.4）/（0.5-0.4）=34.2%；但依据《公路桥涵施工技术规范》（JTGT3650-2020）及现场施工技术经验，水下桩基配合比砂率宜为40%~45%，故选择砂率为43%；

7、粗、细骨料用量

采用质量法进行配合比计算时，可以得出以下公式，

mf0+mc0+mg0+ms0+mw0+ma0=mcp（1）

βs=ms0/（mg0+ms0）*100%（2）

mcp--每立方米混凝土拌合物的假定质量（kg），本例中假定其值为2380kg/m3；

经计算，将前述数值代入上面公式，mf0、mc0、mg0、ms0、mw0、ma0分别求出每立方米各材料用量为58、328、1027、751、189、7.7，单位统一为kg。

8、配合比的试配、调整和确定

按上述计算配合比进行试拌，公称最大粒径为25mm，试拌采用下述原则：按标准试件尺寸150mm*150mm*150mm要求7天成型1组抗压、28天成型2组抗压，拌和量应大于成型量30%的要求。试拌量为40升。

采用强制式拌和机进行试拌，拌和后将料倒入预先放在地上的钢板进行人工拌和。人工拌和后即进行塌落度和易性、表观密度检测，经检测塌落度为210mm（满足180~220mm范围要求），和易性能合格（棍度：上，保水性：无，含砂情况：中，粘聚性：良好）；表观密度实测为2390kg/m3与2380kg/m3的偏差为0.4%（小于2%要求）。

以上述计算的配合比为基准，上下间隔0.05水胶比，保持用水量不变，砂率上下浮动1%，计算各种材料用量，人工拌和后即进行塌落度、和易性、表观密度检测，并成型标准试件，标准养护后进行7天和28天抗压强度试验。各项试验后完成后，进行结果汇总。汇总结果如表1所下：

表1配合比设计原材料用量及各项指标一览表

结合上述三个水胶比及各材料用量、水下桩基现场施工以往经验情况，故拟推荐水胶比为0.44时的配合比为推荐配合比。同时，混凝土拌合物中水溶性氯离子含量、初终凝时间检测等都满足水下桩基混凝土现场使用情况要求，故最终推荐该配合比为基准配合比。该基准配合比各材料用量情况及各项指标为下表2所示：

表2基准配合比各材料用量情况及各项指标一览表

现场施工时，因基准混凝土配合比中砂、碎石均为风干状态，含水量接近为0，实际施工中应采用酒精燃烧快速法进行材料含水量测定，计算出实际含水情况下砂、石的重量，现场施工配合比中应相应扣除基准配合比中砂、石含的水的质量，最后计算后得出每立方米混凝土中各种材料实际使用量。

六、结语

要想保证工程的质量，就必须要对配合比进行严格的设计，找到科学合理的设计方法，来保证工程质量。要想通过配合比的设计来保证混凝土的施工质量，不仅要根据混凝土设计规程中的公式来进行设计计算，同时还应结合现场施工经验判断来进行配合比设计及优化，从而确定满足现场施工的配合比来保证我们的工程质量。

参考文献：

［1］《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）2011年12月01日实施。