混凝土配合比设计在试拌过程中控制要素研究

郝向东 孔凌宇 邵景干 赵顺利 王新严

（1.河南交院工程技术集团有限公司绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心，河南 郑州 450046；2.河南建元公路附属设施工程有限公司，河南 新乡 453400）

0 引言

混凝土配合比设计理论有理论质量法和绝对体积法，混凝土配合比设计根据混凝土的拌合物状态分为干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、大流动性混凝土；根据其功能特征或施工工艺可以分为抗渗透混凝土、抗冻混凝土、高强度混凝土、泵送混凝土、大体积混凝土等。以上不同种类混凝土，其配合比设计有不同之处，但分析研究其共同之处是非常有必要的，比如传统的原材料研究与分析，影响混凝土配合比的关键因素如砂率、水灰比、合成集配等，就其共性、关键性影响因素进行分析和研究。

1 影响混凝土工作性的因素

1.1 原材料的特性

水泥细度会影响混凝土拌合物的黏聚性和保水性，也影响单位用水量的多少；水泥中掺加矿料的多少、矿料的种类是不尽相同的，其分为普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥等，各种类水泥在其拌合物中工作性能有着不同表现。

粗集料含量会影响混凝土拌合物的流动性，甚至影响粗集料的空隙率。比如用卵石配制的拌合物的流动性较碎石要好很多，有相关研究表明，集料中接近立方体形状颗粒较多情况下且级配良好时，对其混凝土拌合物的流动性有较大的改善，同时对其黏聚性和保水性也有所改善。

1.2 单位用水量

假设在拌合物各材料一定，且水灰比保持不变的情况下，单位用水量过少时，水泥浆就少，会造成集料颗粒间的黏结性差，拌合物的黏聚性下降，表现出离散状态；反之，单位用水量过多时，集料颗粒浮在水泥浆中，减少了集料间的接触，造成拌合物的流动性很大，颗粒较分散，同时造成后期混凝土产生较大的收缩裂缝，影响其结构的耐久性。

大量数据表明，热膨胀系数与配合比用水量有关联，基本是随着用水量的增加而增加。因此，单从热膨胀系数指标分析，用水量不宜过多，过多使用不仅会影响混凝土体积稳定性，且对混凝土物理力学性能和耐久性能也有不利影响。热膨胀系数与单位用水量关系具体见图1、图2。

图1 3 d热膨胀系数与单位用水量关系

图2 28 d热膨胀系数与单位用水量关系

1.3 水灰比

影响混凝土强度的一个重要因素是水灰比。水灰比过小，其拌合物流动性较差，造成在混凝土成型过程中不密实，影响混凝土后期的强度和耐久性；水灰比过大，其拌合物流动性较大，会造成拌合物分散，粗集料裸露，严重影响混凝土后期强度和耐久性。

1.4 砂率

在配合比设计调整过程中，假如水泥浆不变、砂率增加，会造成拌合物的流动性变小。因此，在拌合物中存在一个合理砂率，在水泥浆数量一定的情况下，使拌合物流动性最大的同时具有良好的黏聚性和保水性，此种状态下的砂率定义为最佳砂率。拌合物流动性和砂率的相关规律如图3所示。

图3 拌合物流动性与砂率规律

2 影响混凝土强度的因素

2.1 水泥强度及水灰比

影响混凝土强度的主要因素有水灰比、水泥强度等级等。相关规范中规定混凝土28 d立方体试块的强度与水泥强度和水灰比之间的关系如式（1）所示。

典型脆性材料不接受塑性变形，无切削磨损，其磨损量是由材料反复变形和碎裂构成的，对应图6特性曲线Ⅰ.典型弹性材料未能达到使其破裂的临界值时，无变形磨损，对应图6特性曲线Ⅱ.

式中：f cu，28为28 d龄期混凝土立方体抗压强度，MPa；fce为水泥实际强度，MPa；C/W为水灰比倒数；aa、ab为与集料品种相关的统计回归系数，通过试验求得。

2.2 集料特性

混凝土强度受集料的表面特征影响，混凝土配合比设计相同的情况下，卵石拌制的混凝土集料颗粒间的咬合摩阻性能不如碎石拌制的混凝土，直接体现出卵石拌制的强度低于碎石拌制的强度。

2.3 浆集比

混凝土拌合物中，集料起到支撑骨架的作用，浆体起到流动润滑的作用。在拌合物流动性差的情况下，可以考虑适当增大浆体用量。

2.4 养护条件

混凝土试件在标养室中形成的强度和其龄期有着较明显的联系和规律，具体如图4所示，通过混凝土早期的强度可以大概预知其后期的强度。

图4 强度与养护龄期关系

相关研究表明，混凝土养生时间与混凝土渗透系数指标有直接联系，渗透性能随着养生时间的延长而降低，可见适当延长混凝土的养生时间有助于提高混凝土的耐久性，具体如图5所示。

图5 渗透系数与养生龄期关系

2.5 试验条件

相关试验统计，同批混凝土成型试件，尺寸小的试件较尺寸大的试件强度高。因此，相关规范会针对该现象，尺寸小的试件强度乘于换算系数小于1；在进行强度试验时，加载速率大的试件强度偏高，因此有关规范规定了不同强度试件的加载速率是不一样的，具体见表1。

表1 抗压强度加载速率

2.6 与外加剂的相容性

随着施工工艺对混凝土拌合物要求的提高，混凝土配合比中掺加各种功能的外加剂越来越普遍。传统材料如水泥、砂子、石头与外加剂相容性的要求也被提出。

3 混凝土配合比设计在试拌环节中控制要素

3.1 混凝土配合比调整依据

①砂石含水率、含泥量、砂子细度模数或石子粒径和级配发生显著变化，影响到混凝土拌合物的性能。

②胶凝材料需水量或与外加剂适应性发生较大变化。

③外加剂发生变化或是外加剂与混凝土原材料匹配性出现问题的情况。

④其他未查明原因造成混凝土拌合物的工作性发生变化，不能满足施工要求。

3.2 混凝土配合比调整的原则

①查找原因，配合比调整时要有足够的理由，严禁随意调整配合比。

②当混凝土拌合物和易性不良时，保持水胶比不变，去调整集料集配，增减浆体用量，谨慎调整外加剂掺量等。

③混凝土配合比调整应做好记录，必要时应取样检测。

3.3 混凝土配合比调整方法

混凝土配合比调整方法具体见表2。

表2 混凝土配合比调整方法

3.4 混凝土配合比设计在试拌过程中调整的范围

①原则上禁止对胶凝材料用量调整。

②砂率在±2%的范围内调整。

③外加剂的调整范围不宜超过胶凝材料用量的±0.2%。

④混凝土用水量调整不能超过10㎏/m3。

4 结论

①为了在试拌前得到一个安全可靠、经济合理的混凝土配合比，首先需要将粗集料的合成集配调整为相对最优状态，这样可以节省水泥，还可以使混凝土在力学和耐久性上保持一个良好的结构状态。

②选用最佳砂率，砂子使用量能填充粗集料的空隙，适当提高砂率还能使混凝土拌合物的流动度增大，但是过大的砂率反而会造成混凝土拌合物的流动度减弱，增加水泥用量。

③大流动混凝土配合比中如掺有高性能减水剂，在拌合物调试中不应首先考虑通过外加剂去调试拌合物的状态，因为很容易造成拌合物的滞后泌水离析等不良现象的发生。

④当混凝土拌合物的流动性不符合设计要求时，应该在保持水灰比不变的情况下，通过增减浆体用量来调配拌合物状态，浆集比的合理选用不仅能够在混凝土拌合物中起到润滑作用，还能节省水泥用量。

⑤针对干硬性混凝土配合比设计其抗弯拉强度是主要的力学特征，首要考虑找到最佳的合成集配比列，在保证力学特征值前提下，尽量减少水泥的使用量，不仅能够有效减少裂缝，还能够改善混凝土的体积稳定性。

⑥混凝土配合比设计在试拌过程中需要注意的影响因素除以上分析外，还需要在工程实践中分析总结其他因素，确保混凝土这一项重要工程材料的质量符合相关要求。