现代混凝土配合比设计注意事项

现代混凝土配合比设计注意事项我国混凝土的现状强度水平提高严酷环境中工程增多，耐久性要求突出水泥和混凝土的关系变化流变性能要求提高现场劳动力素质、管理水平与质量要求的矛盾传统观念形成的理由例如，许多规范、标准限定混凝土中粉煤灰的掺量应在25%以下，尤其是预应力混凝土构件中的掺量。这是因为过去我们的混凝土中没有掺用减水剂，混凝土的水灰比较大（一般都高于0.5）。在这种情况下掺入粉煤灰，减少水泥的用量，就会使混凝土的凝结时间明显延缓、硬化速率减慢，表现为早期强度低、混凝土渗透性增大。 高水灰比的水泥浆体里，水泥颗粒悬浮于水分中，水化环境良好，可以迅速地生成表面积增大1000倍的硅酸盐水化物等，有良好地填充浆体内空隙的能力。虽然从颗粒形状来说，粉煤灰易于堆积密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆体的强度和其他性能总是随其掺量增大（水泥用量减少）呈下降趋势（在早龄期尤为显著）。 为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？ 但是现今高效减水剂的应用已经很普遍，混凝土所用水灰比，尤其是掺有矿物掺合料混凝土的水胶比很容易降至0.5以下，同时现今的水泥活性则远高于二十世纪八十年代以前的水泥（因为早强矿物C3S(硅酸三钙）含量显著提高、粉磨细度加大），因此掺加矿物掺合料的混凝土，即使是掺量很大的混凝土，与过去混凝土相比，其早期强度的发展速率也大大加快了。在低水胶比（如0.3左右）的水泥浆体里情况就大不一样了。不掺粉煤灰时，高活性的水泥因水化环境较差，即缺水而不能充分水化，所以随水灰比下降，未水化水泥的内芯增大，生成产物量下降；但由于颗粒间的距离减小，要填充的空隙同时减小，因此混凝土强度发展迅速。 这种情况下用粉煤灰代替部分水泥，在低水胶比条件下，水泥的水化条件相对改善，因为粉煤灰水化缓慢，使混凝土的“水灰比”增大，水泥的水化程度因而提高，这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显（掺量为58%:左右，初期水灰比则约0.65）。水泥水化程度的改善，则有利于粉煤灰作用的发挥，然而与此同时，需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小，所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖，而降低温升等其他优点则依然起着有利于混凝土性能提高的作用。 以上所述低水胶比下粉煤灰作用的变化，可以用一个“动态堆积”的概念来认识，这是相对沿用的静态堆积而言的。通常在选择混凝土原材料和配合比时，是以各种原材料在加水之前的堆积尽量密实为依据的；但是当加水搅拌后，特别是在低水胶比条件下，如何通过粉状颗粒水化的交叉进行，使初始水胶比尽量降低，混凝土单位用水量尽量减少，配制出的混凝土在密实成型的前提下，经过水化硬化过程，形成的微结构应更为密实。传统混凝土配合比设计方法的问题整体体强度水平高了，拌合物从低塑性发展到当前的泵送，流动性大大提高；原材料也有很大变化：水泥强度等级高 细度细，骨料粒形和级配差了，且品种多样化，品质相差很大；外加剂和矿物掺合料普遍使用，水胶比普遍降低，关键是混凝土耐久性逐渐成为混凝土的重要性能。传统混凝土配合比设计方法以保罗米公式为重要基础已经不适合现代混凝土。超量替代法存在的问题超量取代法：有关配合比的规范中提出粉煤灰的超量取代法 ，即在能被接受的掺量范围取代水泥，另多掺一部分取代砂子 这只是一种计算而已,在数量上代砂 ，实际上因为细度量级的差别在功能上粉煤灰并不是砂，不可能代砂 ，仍然是胶凝材料，却因为超量而变相增加浆体含量。有人认为掺粉煤灰后的混凝土抗裂性改善不明显，浆骨比增大是其原因之一 建议今后不再采用这种实际上增加浆骨比的计算方法现代混凝土技术的简单与复杂混凝土是什么？ 混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂的体系。 简单得“通常认为任何站在那里没事干的人都能直接就去浇筑或捣实混凝土”Neville； 复杂得至今无法建立实验室指标试验结果和同样复杂的现场条件下的混凝土行为的相关关系；人们仍不确知混凝土的体内在服役的环境中随时间究竟发生了什么。复杂的体系混凝土是十分复杂的一个材料体系，恐怕是人类所用各种材料中最为复杂的。 砂、石、水泥、外加剂、矿物掺合料与水的简单混合，即刻出现一个有明显“生命历程”的材料体系，其中水泥自发进行着长期延续的水化硬化过程，带动整个体系经历复杂的物理化学力学的变化过程，而就在这变化过程中得到长期使用。u 混凝土是极其复杂的多相、多尺度的非匀质体，这就造成了混凝土材料本身的高度复杂性和随机变化性，加之我国幅员辽阔，对于使用地方性材料的混凝土而言，其变化就更加复杂了。u 仅就原材料而言，各地、各厂的水泥是变化的，哪怕就是同一个水泥厂生产的水泥也是变化的，骨料是变化的，外加剂是变化的，粉煤灰更是变化的。u 对混凝土，人们的描述用语是：多组分、多相、多种尺度颗粒物料混杂堆积互相填充的组成结构，具有不稳定性、非均质性、不连续性、多种尺度的孔隙结构、接触界面情况复杂，而这一切都在变动等特点，。u 混凝土里面包含着综合许多门学科内容的大学问。可惜，探究这些学问是十分复杂而艰难的。现代混凝土技术趋于复杂混凝土配合比对于新拌混凝土和硬化混凝土的重要意义不言而喻。现代混凝土使用复合超塑化剂和超细矿物质掺合料，近年来机制砂逐渐成为建筑用砂的主要品种后矿物组成与品质差异比较大，再加之各地水泥在组分、与外加剂相容性、开裂敏感性方面有较大不同，这些都使配合比设计趋于复杂。 原因是使用环境、原材料和施工方法的多样性。例如今年暑期在大连理工大学举行的首届全国大学生混凝土材料设计大赛中呈现的现象。 正所谓： 人工造石本无奇，砂子石头和水泥。 一朝采用多组分，百变技法令人迷。什么是当代混凝土？u 当代混凝土是建立在混凝土化学外加剂和矿物掺合料两大混凝土科学技术进展基础上的六组分混凝土。u 预拌混凝土是当代混凝土的主体品种。以预拌混凝土、泵送为主流。拌和料的流变性能成为重要问题。我国混凝土规范与设计方法的问题国内外学者提出多种配合比设计方法，大多是以经验为基础的半定量设计方法。正如陈肇元院士所说：“能满足质量控制标准的混凝土，可以有不同的配合比设计方法”。传统混凝土配合比设计方法的问题我国自1970年代引进高效减水剂，直到 1980年代末至今得以大量使用后，混凝土强度不再依赖于水泥强度，用GB17577水泥标准的425#水泥（相当于现行水泥标准的32.5等）已能配制出C60 的泵送混凝土 在本质上，混凝土主要还是由水泥 骨料和水组成的硬化，但是其内涵已发生很大变化。整体体强度水平高了，拌合物从低塑性发展到当前的泵送，流动性大大提高；原材料也有很大变化：水泥强度等级高 细度细，骨料粒形和级配差了，且品种多样化，品质相差很大；外加剂和矿物掺合料普遍使用，水胶比普遍降低，关键是混凝土耐久性逐渐成为混凝土的重要性能。传统混凝土配合比设计方法以保罗米公式为重要基础已经不适合现代混凝土。普通配合比设计新规范的要点u 3.0.4 混凝土的最小胶凝材料用量应符合表3.0.4的规定，配制C15及其以下强度等级的混凝土，可不受表3.0.4的限制。 表3.0.4 混凝土的最小胶凝材料用量最大水胶比最小胶凝材料用量(kg/m3)素混凝土钢筋混凝土0.602502800.552803000.503200.45330相关规范标准对水泥或胶凝材料最小用量的规定标准名称结构类别最大水灰比最小水泥用量最小胶凝材料用量建标JGJ55普通混凝土配合比设计规程有冻害环境普通混凝土0.5-320国标GB/T 50476混凝土结构耐久性设计规范有冻害环境普通混凝土0.55-280京标DBJT01-64-07混凝土矿物掺和料应用技术规程有冻害环境普通混凝土0.5200300国标GB50208地下防水工程质量验收规范地下结构防水混凝土0.55280-国标GB50010混凝土结构设计规范寒冷环境普通混凝土0.55275国标GB50119混凝土外加剂应用技术规范加防冻剂的普通混凝土0.6300-标准名称结构类别最大水灰比最小水泥用量最小胶凝材料用量国标GB50119混凝土外加剂应用技术规范加膨胀剂的抗渗混凝土0.5280建标JGJ104建筑工程冬季施工规程冬季施工0.6300建标JGJ/T10-95混凝土泵送施工技术规程泵送300地下防水技术规程260 320GB50204-92施工验收规范GB50204-2002无规定无规定无规定无规定GBJ146-90粉煤灰混凝土应用技术规程注：结构用混凝土必须C25以上 所有水泥用量均未说明水泥品种和强度普通配合比设计新规范的要点u 3.0.5 矿物掺合料在混凝土中的掺量应通过试验确定。钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量宜符合表3.0.5-1的规定；预应力钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量宜符合表3.0.5-2的规定。 表3.0.5-1 钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量矿物掺合料种类水胶比最大掺量（%）硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥粉煤灰0.4045350.404030粒化高炉矿渣粉0.4065550.405545钢渣粉3020磷渣粉3020硅灰1010复合掺合料0.4065550.405545表3.0.5-2 预应力钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量矿物掺合料种类水胶比最大掺量（%）硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥粉煤灰0.4035300.402520粒化高炉矿渣粉0.4055450.404535钢渣粉2010磷渣粉2010硅灰1010复合掺合料0.4055450.404535普通配合比设计新规范的要点3.0.8 对于有预防混凝土碱骨料反应设计要求的工程，混凝土中最大碱含量不应大于3.0kg/m3，并宜掺用适量粉煤灰等矿物掺合料；对于矿物掺合料碱含量，粉煤灰碱含量可取实测值的1/6，粒化高炉矿渣粉碱含量可取实测值的1/2。 预防混凝土碱骨料反应对可能发生碱-骨料反应的混凝土，宜采用大掺量矿物掺和料；单掺磨细矿渣的用量占胶凝材料总重 50%，单掺粉煤灰40%，单掺火山灰质材料不小于30%，并应降低水泥和矿物掺和料中的含碱量和粉煤灰中的游离氧化钙含量。AAR指碱集料反应u 当没有近期的同一品种、同一强度等级混凝土强度资料时，其强度标准差可按表4.0.2取值。混凝土强度标准值C20C25C45C50 C554.05.06.0u 4.0.3 遇有下列情况时应提高混凝土配制强度： 1现场条件与试验室条件有显著差异时； 2C30等级及其以上强度等级的混凝土，采用非统计方法评定时。 u 5.1.1 混凝土强度等级不大于C60等级时，混凝土水胶比宜按下式计算：u 当胶凝材料28d胶砂抗压强度无实测值时，公式（5.1.1-1）中的fb值可按下式计算： 表5.1.1-1 粉煤灰影响系数gf和粒化高炉矿渣粉影响系数gs 掺量（%） 种类粉煤灰影响系数gf粒化高炉矿渣粉影响系数gs01.001.00100.850.951.00200.750.850.951.00300.650.750.901.00400.550.650.800.9050-0.700.85u 当水泥28d胶砂抗压强度无实测值时，公式5.1.1-2）中的fce值可按下式计算：u 表5.1.1-2 水泥强度等级值的富余系数gc 水泥强度等级值32.542.552.5富余系数1.121.161.10采用值36.447.657.8u 5.1.2 回归系数aa和ab宜按下列规定确定：1根据工程所使用的原材料，通过试验建立的水胶比与混凝土强度关系式来确定；2当不具备上述试验统计资料时，可按表5.1.2选用。表5.1.2 回归系数aa、ab选用表粗骨料品种系数碎石卵石aa0.530.49ab0.200.13u 应至少采用三个不同的配合比。当采用三个不同的配合比时，其中一个应为本规程第6.1.4条确定的试拌配合比，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，砂率可分别增加和减少1。u 6.2.4 配合比调整后，应对设计要求的混凝土耐久性能进行试验，符合设计规定的耐久性能要求的配合比方可确定为设计配合比。表7.3.3 高强混凝土水胶比、胶凝材料用量和砂率强度等级水胶比胶凝材料用量（kg/m3）砂率（%）C60，C800.280.344805603542C80，C1000.260.28520580C1000.240.26550600外加剂和矿物掺合料的品种、掺量，应通过试配确定；矿物掺合料掺量宜为25%40%；硅灰掺量不宜大于10%；粗骨料最大粒径不大于25毫米；水泥用量不宜大于500kg/m3。 u 7.3.3计算后调整拌合物的试拌配合比，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0.02。u 7.3.6 高强混凝土抗压强度宜采用标准试件通过试验测定；使用非标准尺寸试件时，尺寸折算系数应由试验确定。 u 3.0.3 控制最大水胶比是保证混凝土耐久性能的重要手段，而水胶比又是混凝土配合比设计的首要参数。混凝土结构设计规范GB50010对不同环境条件的混凝土最大水胶比作了规定。u 3.0.4 在控制最大水胶比条件下，表3.0.4中最小胶凝材料用量是满足混凝土施工性能和掺加矿物掺合料后满足混凝土耐久性能的胶凝材料用量下限。u 3.0.5 规定矿物掺合料最大掺量主要是为了保证混凝土耐久性能。当采用超出表3.0.5-1和表3.0.5-2给出的矿物掺合料最大掺量时，全然否定不妥，通过对混凝土性能进行全面试验论证，证明结构混凝土安全性和耐久性可以满足设计要求后，还是能够采用的。 u 当掺量小于20时，可按普通水泥使用u 当掺量大于20时，水胶比应不大于0.5u 当掺量大于30时，水胶比应不大于0.45u 当掺量超过50时，水胶比应不大于0.42u 随掺量的增大，水胶比降低u 在没有特殊规定的情况下，混凝土强度试件在28d龄期进行抗压试验；当设计规定采用60d或90d等其它龄期强度时，混凝土强度试件在相应的龄期进行抗压试验。水胶比是不是一定要通过计算获得？新规范规定“混凝土强度等级小于C60等级时，混凝土水胶比宜按下式计算”新规范采用改进的保罗米公式来计算水胶比。尽管对公式中的参数和系数作了修改，此公式仍是依据胶凝材料28天胶砂强度与混凝土28天配制强度的关系建立的混凝土水胶比计算公式。这样的混凝土配合比设计方法，首先要满足的是混凝土28天强度。 但如果我们更多地从耐久性角度考虑，在结构荷载允许的前提下，对掺加较多矿物掺合料的混凝土可能越来越多地选择60天、90天或更长龄期评定混凝土强度。如此新规范使用改进的保罗米公式就不再适合。许多人认为水胶比计算出来比较可靠，其实并非如此。对于一定等级的混凝土如果考虑耐久性要求，在特定胶凝材料组成下水胶比的范围并不大，可以进行选择，选择3-4个水胶比进行混凝土试配。也就是说混凝土的水胶比不一定是算出来的，可依据混凝土性能目标进行选择，经试配确定，这需要我们基于对现代混凝土的深刻认识而转变观念。混凝土单位体积用水量的重要性没有得到充分体现 规范将“最少水泥用量”改为“最少胶凝材料用量”。体现了现代混凝土的技术理念，但没有限定最高胶凝材料用量。胶凝材料用量过高，混凝土体积稳定性差，开裂的风险就越大。规范对混凝土浆骨比指标没有提及。其实浆骨比是保证硬化前后混凝土性能的核心因素。尤其对于混凝土体积稳定性更为重要。 应参考混凝土结构耐久性设计规范，规定胶凝材料用量上限。 其实如果充分重视混凝土耐久性，配合比设计理念应该实现从水胶比强度的关系转变到单位体积用水量耐久性关系上来。矿物掺合料掺加比例的规定考虑不周 规范规定了矿物掺合料最大掺量，并在条款说明中提出当采用超出表3.0.5-1和表3.0.5-2给出的矿物掺合料最大掺量时，全然否定不妥，通过对混凝土性能进行全面试验论证，证明结构混凝土安全性和耐久性能满足设计要求后，还是能够采用的。虽然为混凝土大比例掺加矿物掺合料留下了余地，但作为规范这样明文规定矿物掺合料最大掺加比例不利于绿色高性能混凝土技术的推广应用。 其实混凝土矿物掺合料的掺加比例应根据使用环境、结构形式和混凝土水胶比而定，例如北京近年来许多工程的大基础底板混凝土中矿物掺合料掺加比例都超过了新规范规定，混凝土性能良好，技术趋于成熟。至于预应力钢筋混凝土中掺合料掺加比例更低的要求，可能是考虑张拉时混凝土强度的需要，其实过早张拉导致混凝土追求高早强对于耐久性不利。混凝土强度试验水胶比取值规定得商榷 规范6. 1. 5 在试拌配合比的基础上应进行混凝土强度试验，并应符合下列规定:应至少采用三个不同的配合比。当采用三个不同的配合比时，其中一个应为本规程第6.1.4条确定的试拌配合比，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。对于中低强度混凝土试配，这样的水胶比取值幅度可能过大，笔者认为0.03较为适宜。规范仍认为骨料干燥状态作为基础设计配合比为宜不能令人信服 目前混凝土大量使用机制砂，且混凝土骨料品种多，品质各异，尤其是吸水率差别大时以干燥状态设计混凝土配合比可能造成有效水胶比不同；此外使用干燥状态骨料生产混凝土时，若骨料吸水多，则同时也吸附了一定量的减水剂，造成混凝土坍落度损失大；以干燥状态为基础设计配合比易导致混凝土生产中由于水的控制较难，质量波动增大。所以以饱和面干状态骨料为混凝土配合比设计基础为宜。质量法计算砂石存在问题 对于混凝土企业实验室，测定原材料密度的技术条件应该具备。由于混凝土矿物掺合料一般比水泥轻，且骨料表观密度差别也可能较大，假定表观密度可能不准。现代六组分混凝土的配合比设计应采用体积法更合理。对于混凝土企业实验室，测定原材料密度的技术条件应该具备。由于混凝土矿物掺合料一般比水泥轻，且骨料表观密度差别也可能较大，假定表观密度可能不准。现代六组分混凝土的配合比设计应采用体积法更合理。条款说明5.5中这样解释：在实际工程中，混凝土配合比设计通常采用质量法。混凝土配合比设计也允许采用体积法，可视具体技术需要选用。与质量法比较，体积法需要在测定水泥和矿物掺合料的密度以及骨料的表观密度等，对技术条件要求略高。混凝土配合比设计规范不宜修订和保留 混凝土不是算出来的，而是配出来的，混凝土配合比设计可以编指南，定原则，但保留并修订设计规范其实没有必要。定的指标、限制越多，越具体，就越容易成为束缚混凝土技术人员的“绳索”，阻碍混凝土技术的发展。标准规范条款应该更多以性能要求和导向为主。 目前的工程实际是混凝土搅拌站试配出合理的配合比后，为了使混凝土配合比设计资料复合标准规范，按照现有规范设计方法挖空心思“对号入座”，编资料。 比如：C30混凝土配合比中实际用胶凝材料380kg，水胶比0.45，为了资料满足规范，混凝土搅拌站技术部门都采用反算的思路：从W/B到fb 再推算rf、rs。针对这些情况，普通混凝土配合比设计规程JGJ55-2011又有何意义？规范编制人员应该认真反思。普通配合比设计新规范的点评u 规范标准应该与时俱进，不能刻舟求剑。u 要深刻了解现代混凝土的复杂性。抗压强度、变形性能和耐久性u 混凝土抗压强度高与低，满足设计要求即可；u 并非混凝土强度越高，就意味着“水平”越高（HSC似乎还不过瘾，又出现了UHSC）u 无论混凝土强度高低，必须具有匀质性、体积稳定性和耐久性，这是“根本”抗渗混凝土u 影响混凝土抗渗性最关键的两个指标是：u 水胶比、粗骨料最大粒径u 事实上并不存在单独具有抗渗性超强的混凝土，其与混凝土强度等级不无关系u 使得C25及以下的混凝土具有良好的抗渗性，才体现出水平配制抗渗混凝土要点 u 限制水胶比u 限制骨料最大粒径u 控制粗骨料的粒形、级配、含泥量u 控制细骨料的级配、含泥量u 优先掺粉煤灰，其次掺磨细矿渣，有条件时，u 双掺，并掺入高效减水剂和引气剂 抗冻混凝土 u 混凝土抗冻性好，首先要求其抗渗性好u 控制水胶比和骨料最大粒径u 掺入高效减水剂和引气剂u 控制临界强度u 绝对(最好）不要使用防冻剂、早强剂 高强混凝土 u 现代混凝土技术赋予混凝土强度绝对是件“易如反掌”的事情u 高强混凝土技术之所以被单独提出来，并非配制 “高强”有什么技术“玄机”；而是，强度越高，体积稳定性越差，开裂的风险就越大，如何确保高强混凝土的耐久性才是高强混凝土技术的难点所在泵送混凝土 u 泵送混凝土有两个指标绝对要进行控制：第一，流动性与粘聚性的统一；第二，泵送压力的选择，即必须采用高压泵！u 绝对不能以低压泵为“借口”，将本来已经满足泵送要求的混凝土拌合物的流动性人为地放大，这样带来的不仅仅是成本问题，更重要的是耐久性问题，这又是舍本逐末！大体积混凝土u 体积较大的、可能由胶凝材料水化热引起的温度应力导致有害裂缝u 结构混凝土应从控制原材料的温度入手u 水胶比过低也容易导致开裂！低与高，要权衡！原材料的温度，尤其是水泥的温度特别重要，拌和水要降温。u 此外，早期养护更是重要！ 关于配合比设计还要说的话u 没有任何可以以不变应万变的配合比，试配工作是必须的，目前并没有什么“全计算”。u 对原材料质量差异的控制比对配料计量误差的限制更重要。u 对变化了的材料不能使用不变的方法。用科学思维方法 指导混凝土技术u 任何给工程带来好处的措施，必然同时存在某些不利因素，有所得必有所失。u 没有任何事物（材料、技术）只有优点没有缺点，有利必有弊；必须因地制宜、因事制宜、因时制宜、因人（使用者的素质）制宜。u 对变化了的材料使用不变的方法往往会得出错误的结论。u 新拌混凝土流动性大与小，能施工就行u 混凝土强度高与低，满足设计要求就行u 混凝土质量的根本有两点：一是混凝土长龄期强度的发展，二是混凝土结构的耐久性为此，混凝土的匀质性、体积稳定性是必须满足的质量要求配合比设计的原则与注意事项u 低水胶比对现代混凝土很重要，依靠高效减水剂和优质矿物细粉掺合料实现混凝土的低水胶比。u 不能过分地提高胶凝材料的用量。胶凝材料过多，不仅成本高，混凝土的体积稳定性也差，同时，对获得高的强度意义不大。应该通过合理调整粗细骨料用量及砂率控制空隙率，实现较低水胶比下的良好和易性。技术理念的改变GB/T50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范条款GB/T50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范条款环境类别与作用等级B.1 配筋混凝土的胶凝材料中，矿物掺和料用量占胶凝材料总量的比值应符合下表规定。3.4.3 结构构件的混凝土强度等级应同时满足构件承载能力和耐久性的设计要求。结构混凝土性能技术规范 6.2表6.2不同等级混凝土最大浆骨比和用水量强度等级最大浆骨体积比最大用水量（kg/m3）C30C50（不含C50）0.32170C50C60（含C60）