混凝土梁配合比设计

王琳琳

郑州市工程质量监督站（450000）

混凝土梁配合比设计

王琳琳

郑州市工程质量监督站（450000）

这里以砂、碎石、水泥、减水剂为原料，经过试验分析确定既经济又能符合设计要求的C30混凝土配合比的过程。在混凝土的配合比设计前需要了解工程的基本资料，根据设计要求和原材料，确定混凝土的组成成分，对原材料及性能进行检测，首先计算出初步配合比，调整混凝土的工作性，确定基准配合比，再通过强度复核，确定混凝土的试验室配合比。在满足工作性、强度、耐久性的条件下，选择经济配合比。

混凝土梁；配合比设计；减水剂

1 试验原材料

1.1 水泥

选择的水泥为普通硅酸盐水泥,强度等级42.5。

1.2 砂

采用细度模数为2.8、含泥量为0.6%的中砂。

1.3 石子

采用压碎值为2.2%、含泥量为0.6%的碎石。

1.4 减水剂

Point-400高效减水剂是一种萘系减水剂，掺量为2%减水率为20%，是一种缓凝型高效减水剂。

2 混凝土配合比设计

2.1 不加减水剂的混凝土配合比设计

2.1.1 初步计算配合比

①计算混凝土配制强度（fcu,o）

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），混凝土配制强度计算公式:

式中:fcu,o—混凝土配制强度(MPa)；fcu,k—混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；σ—混凝土强度标准差(MPa)。

根据已知条件，设计要求的混凝土强度fcu，k=30 MPa，无混凝土强度统计资料时，查标准差表1为σ=5.0 MPa。即:

表1 标准差σ值（MPa）

②计算水灰比

混凝土强度等级为C30，小于C60则:

式中:W/B—混凝土水灰比；αb、αa—回归系数，根据所选粗骨料为碎石见表2；fb—水泥28 d胶砂强度，无统计强度值，可按规范要求计算。

表2 回归系数选用表

由公式2可知:

本工程为干燥环境中的框架结构，根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）中混凝土的耐久性可知，钢筋混凝土最大水灰比为0.65，故取满足耐久性要求的水灰比0.58即可。

③确定每立方米混凝土用水量

根据混凝土的坍落度要求及粗骨料种类，粗骨料最大粒径查表3选用用水量，当骨料最大粒径为20 mm时,拌合物稠度按90 mm考虑,用水量为215 kg/m3,设计坍落度为150 mm,在此基础上，坍落度每增加20 mm，用水量增大5 kg/m3。

④确定每立方米混凝土水泥用量

本次配合比计算中没有添加矿物掺和料，胶凝材料用量即为水泥用量。由表4混凝土的最小胶凝材料用量及水灰比知钢筋混凝土最小胶凝材料用量为330 kg/m3，计算每立方米混凝土水泥用量为410 kg，大于330 kg/m3。水泥用量符合要求。

表3 塑性混凝土的用水量（kg/m3）

表4 混凝土的最小胶凝材料用量

⑤确定砂率

坍落度大于60 mm的混凝土，可在表5混凝土的砂率的基础上，按坍落度每增大20 mm、砂率增大1%的幅度予以调整。即150-60=90,90/20=4.5。当水胶比为0.55时,选砂率为36%,故当坍落度为150 mm时，砂率βs=40%。

表5 混凝土的砂率（%）

式中:mco—每立方米混凝土的水泥用量(kg)；mgo—每立方米混凝土的碎石用量(kg)；mso—每立方米混凝土的砂用量(kg)；mwo—每立方米混凝土的用水量(kg)；mcp—每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg)、其值可取2 350～2 450 kg；βs—砂率(%)。

新拌混凝土的表观密度接近一个固定值，在2 350～2 450 kg之间，这样就可以假定每立方米新拌

⑥计算砂、石用量，并确定初步计算配合比（重量法）

按下列公式计算:混凝土的质量，查资料知碎石粒径为5～20 mm，C30的混凝土表观密度接近2 400，故假定每立方米混凝土拌合物的重量mcp=2 400 kg，根据式（3）、（4）以及计算所得mwo=235 kg、mco=410 kg求得mgo、mso，直接以每立方米混凝土中各材料的用量表示。计算拌制1 kg/m3各物质量mco=700 kg、mgo=1 052 kg、mso= 410 kg、mwo=235 kg，即混凝土的初步计算配合比为水:水泥:砂:碎石=235:410:700:1 052。

⑦混凝土拌合

根据《混凝土配合比设计规程》计算水灰比、砂率、用水量、石子用量，混凝土强度试验时根据《混凝土配合比设计规程》中要求的最小拌量20 L，在试拌过程中，首先称量原材料，根据混凝土的初步配合比，可知水:水泥:砂:碎石=4.76 kg:8.2 kg:14.0 kg:21.04 kg，水泥、砂、碎石先搅拌均匀，加入2/3的饮用水，搅拌，随后加入剩余1/3的饮用水，搅拌均匀,搅拌方式与现场相同，均为机械搅拌。

⑧新拌混凝土工作性调整

工作性调整，根据初步配合比配成混凝土拌合物，先确定混凝土坍落度。同时观察黏聚性和保水性。当不满足要求时，按下列原则进行调整:

1）当坍落度不满足设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，同时增加用水量和相应的水泥用量。

2）当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，同时增加砂和碎石用量。

3）当黏聚性和保水性不良时，可适当增加砂用量，即增大砂率。

4）当拌合物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，以降低砂率。

在本次试验中坍落度不满足设计要求，可在水灰比不变的情况下，少量增加水和水泥用量，直至坍落度满足要求，同时，观察混凝土拌合物的黏聚性、保水性良好。

根据初步配合比拌制的混凝土坍落度为140 mm，不满足设计要求，通过调正水泥净浆用量，可调整混凝土坍落度，使坍落度满足要求，增加1%的水泥净浆，调整如下:

砂率为40%保持不变，假定每立方米混凝土重量为2 400 kg，由式（3）、（4）计算砂、碎石用量mco= 698 kg、mgo=1 048 kg，称量原材料20 L，搅拌，测定坍落度为152 mm，符合施工要求，测定混凝土的表观密度。混凝土的基准配合比为水:水泥:砂:碎石= 240:414:698:1 048。

表6 混凝土工作性调整

2.1.2 试验室配合比

在确定混凝土的初步配合比后，还应进行混凝土的表观密度校正，但当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时,初步计算配合比即为基准配合比，计算得知实测表观密度与计算表观密度的差值小于计算值的2%，不必进行调整,经过强度检测后的配合比为试验室配合比。

2.2 加减水剂混凝土配合比设计

加减水剂的目的是为了节约水泥用量，同时提高混凝土的强度，由减水剂相对于水泥掺量2%时减水率20%。不加减水剂的混凝土配合比可知，混凝土的用水量mwo=248×(1-20%)=198 kg，水泥用量mco=mwo/(W/C)=198/0.58=341 kg，砂、碎石用量按表观密度2 425 kg/m3，计算得mco=754 kg、mgo=1 132 kg，即初步配合比（第一次试配）水:水泥:砂:碎石= 198:341:754:1 132。另外两个配合比的水灰比比基准配合比分别增加和减少0.05；用水量与基准配合比相同,砂率分别增加和减少1%。计算各值见表7。

表7 加减水剂混凝土各原材料计算用量

表8 搅拌20 L混凝土各材料用量

对加入减水剂的新拌混凝土进行坍落度及和易性调整，调整方法与不加减水剂的基准配合比相同。按表8称量原材料，同时检验混凝土拌合物的黏聚性、流动性、保水性和表观密度，并对坍落度不满足设计要求，和易性不良的混凝土拌合物进行调整，满足坍落度、和易性要求的混凝土拌合物制作混凝土试件，在混凝土的工作性、坍落度满足要求以后，测定拌合物的实际表观密度，并对混凝土配合比进行调整。

对第三次试配进行调整，坍落度不满足设计要求，增加1%水泥净浆，调整如下:

砂率为41%保持不变，每立方米混凝土重量为2 425 kg，由式（3）、（4）计算砂、碎石用量mco=782 kg、mgo=1 126 kg，称量原材料20 L即水:水泥:砂:碎石:减水剂=4.00 kg:6.34 kg:15.64 kg:22.52 kg:126.8 g，搅拌，测定坍落度为151 mm，黏聚性、保水性良好，符合施工要求,测定混凝土的表观密度2 531 kg/ m3。则混凝土的基准配合比为水:水泥:砂:碎石:减水剂=200:317:782:1 126:6.34。由计算得知三组混凝土表观密度的实测值与计算值之间的差值都不超过2%。因此，不用进行混凝土表观密度校正，则混凝土的试验室配合比可以确定见表9。

表9 混凝土基准配合比（1 m3）

2.3 施工配合比

试验室配合比是以干燥材料为基准计算得到的，但在实际施工中所用的砂石含有一定的水分,因此，在现场配料前，必须先测砂石的含水率，在用水中将砂石带入的水扣除,并相应增加砂石的称量值。若施工现场砂含水率为a%，碎石含水率为b%则:

式中:mwo、mso、mgo、mco是经过强度校核,满足设计强度要求的试验室配合比。考虑到施工现场的干燥的环境情况以及施工距离的远近，可适当调整用水量，以达到混凝土和易性良好。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验中有两组基准，其中一组是以不加减水剂M0与加减水剂的M1、M2、M3作为对比，不加减水剂为基准。另外一组是加减水剂的M1与M2、M3对比，以M1为基准，水灰比上下波动0.05，经试拌调整，满足和易性要求的混凝土配合比见表10。

3.2 结果分析

由图1、2、3可知，水灰比同为0.58时混凝土的3 d、7 d、28 d强度M1＞M0，加减水剂混凝土的3 d、7 d强度M2＞M1＞M3，加减水剂混凝土的28 d强度M2＞M1＞fcu,o＞M3。M1和M0水灰比均为0.58，M1的强度大于M0，减水剂可适当提高混凝土的强度。同时加减水剂时，水灰比越小混凝土强度越高，水泥是混凝土中的胶凝材料,主要起胶结骨料的作用，水灰比小时水泥用量较大,水泥的胶结能力比较强，形成的骨架结构较牢固,提高了混凝土的强度。M3的28 d强度小于配制强度,这一组配合比不满足设计要求，达到强度要求的配合比为M1、M2。

由图4可知加减水剂可明显降低水泥用量，可以改善混凝土的和易性，减水剂是一种表面活性剂，可以吸附于水泥颗粒表面，使水泥带上相同的电荷，产生电斥力，使原来凝结在一起的水泥絮凝结构分散。因此，水泥加减水剂，使具有相同工作性的情况下所需的用水量减少，同时水泥的用量也减少，分散的水泥颗粒使水泥的水化速度加快，也可以提高混凝土的强度。加减水剂的混凝土中，水泥用量最少的是M3，其次是M1、M2，因为M3强度不满足要求，以节约水泥为目的最佳选择是M1,故最佳配合比为水:水泥:砂:碎石:减水剂=198:341:754:1 132:6.82。

表10 不加减水剂混凝土配合比

表11 加减水剂混凝土配合比

图1 不同水灰比对混凝土3d强度的影响

图2 不同水灰比对混凝土7 d强度的影响

图3 不同水灰比对混凝土28 d强度的影响

图4 不同水灰比水泥用量

4 结论

对混凝土原材料水泥、砂、碎石、减水剂的检测，配合比计算以及对混凝土拌合物的检测、调整，对满足坍落度要求的混凝土，测定3 d、7 d、28 d抗压强度值可得出下结论:1）加减水剂的混凝土水灰比在0.53～0.63的范围内,混凝土的强度与混凝土的水灰比呈反比，混凝土的强度随水灰比的增加而减少。2）掺加减水剂，可以节约水泥，改善混凝土的和易性，提高混凝土的经济性。3）通过试验得到满足强度、耐久性要求的经济配合比为水:水泥:砂:碎石:减水剂=198:341:754:1 132:6.82。