（国外）混凝土配合比设计方法与实践及研究进展

(国外)混凝土配合比设计方法与实践及研究进展前言：国际上混凝土配合比设计体系以“性能导向”为核心，与国内“强度导向”的设计思路存在显著差异。欧美、日本等地区的规范更注重混凝土在特定环境下的工作性、耐久性与可持续性，其设计方法强调原材料特性的精准匹配、性能指标的量化控制及全生命周期的环境影响评估。本文以欧美主流设计体系为例，系统解析国外混凝土配合比设计的核心逻辑与技术要点。一、设计理念与核心标准体系(Performance-BasedDesign)”,即根据工程环境(如暴露等级、荷载条件)确定混凝土需满足的性能指标(而非仅规定强度等级),再通过材料选型与参数优化实现目标。主流标准体系包括：1.欧洲标准(EN系列)EN206-1:《混凝土-第1部分：规范、性能、生产和合格性》以“耐久性设计”为核心、创新在于“暴露等级分类”,将混凝土环境分为XO(无侵蚀)、XC(碳化腐蚀)、XD(氯离子腐蚀)、XS(海水腐蚀)等8类，每类环境对应明确的耐久性指标(如碳化深度、氯离子扩散系数)。例如，暴露于海洋环境(XD3等级)的混凝土，最大水胶比不得超过0.45,最小胶凝材料用量≥320kg/m³,且需掺加矿物掺合料(如硅灰)或阻锈剂。这种“环境决定参数”的设计理念，使配合比与结构服役寿命直接挂钩，避免了仅以强度为指标的设计局限性。2.美国标准(ACI系列)ACI211.1:《正常重量混凝土配合比设计推荐做法》美国混凝土学会(ACI)发布的《正常重量混凝土配合比设计推荐做法》 (ACI211.1)是全球应用最广泛的设计规范之一，其核心理念是“性能适应性设计”,即根据工程对混凝土工作性(坍落度、黏聚性)、强度、耐久性的具体要求，通过计算与试配相结合的方式确定配合比，即采用“绝对体积法”计算配合比。ACI318:《结构混凝土建筑规范》提出“最大水胶比”与“最小胶凝材料用量”双控指标，如暴露于海水环境的混凝土，最大水胶比≤0.40,胶凝材料用量≥360kg/m³。3.日本标准(JIS系列)JISA5308:《预拌混凝土》日本工业标准(JISA5308)注重“材料特性协同设计”,强调水泥、外加剂与骨料的相容性试验。其设计流程中，“新鲜混凝土工作性评估”占据重要地位，通过测定混凝土的扩展度、屈服应力、塑性黏度等流变参数，优化外加剂掺量与砂率。针对地震多发的国情，该体系对混凝土的延性指标(如弹性模量、极限压应变)提出明确要求，例如用于抗震框架的混凝土，极限压应变需≥0.0035,通过调整粉煤灰掺量(通常20%-30%)和骨料级配实现韧性提升。二、原材料选择与性能要求国外对原材料的要求更注重“功能性适配”,而非单纯的指标达标，以欧洲体系为例：水泥：按EN197-1分为CEMI(纯硅酸盐水泥)至CEMV(复合水泥),优先选用CEMII(掺加20%-35%矿渣或粉煤灰),以降低水化热和碳排放(CEMII比CEMI碳排放减少15%-20%)。备注：CEMII(波特兰复合水泥)粉煤灰需满足EN450要求，按“活性指数”分为F类(火山灰活性)和C类(潜在水硬性),在耐久混凝土中掺量可达30%-50%;硅灰(SiO₂含量≥90%)常用于高性能混凝土，掺量5%-10%,可将氯离子扩散系数降低50%以上。细骨料：按EN12620分级，强调“粒形系数”(长径比≤2.0)和“棱角性”(通过流动时间测试，要求≥30秒),以保证混凝土的黏聚性。粗骨料：最大粒径不得超过构件最小截面尺寸的1/5(国内为1/4),压碎指标需根据暴露等级调整(如XD环境下≤16%),并要求进行“碱骨料反应(AAR)”减水剂：欧洲优先采用聚羧酸醚(PCE)类，要求减水率≥25%,且1小时流动度损失≤15%(严于国内标准);功能性添加剂：根据环境需求添加，如XD环境加钢筋阻锈剂(亚硝酸钙掺量3%-5%),XS环境加引气剂(含气量4%-6%,气泡间距系数≤200μm)。三、配合比设计核心计算方法(以ACI211.1为例)以某暴露于XC3环境(碳化腐蚀，设计使用年限50年)的桥梁梁体为例，28d抗压强度fc=35MPa;初始坍落度180±20mm,1小时损失≤30mm;碳化深度50年≤30mm(对应氯离子扩散系数≤1.5×10-¹²m²/s);最大水胶比0.45,最小胶凝材料用量320kg/m³。步骤1:确定骨料最大粒径(Dmax=20mm,因梁体钢筋间距为80mm);步骤2:筛分分析后，计算骨料空隙率。假设：粗骨料松散堆积密度1600kg/m³,表观密度2650kg/m³,空隙率=(1-1600/2650)×100%=3细骨料松散堆积密度1500kg/m³,表观密度2600kg/m³,空隙率=42.3%;XC3环境要求(≤0.50),最终取0.45;用水量：坍落度180mm对应的基准用水量为225kg/m³(20mm骨料),因使用PCE减水剂(减水率25%),实际用水量=225×(1-25%)=169kg/m³。胶凝材料总量=用水量/w/b=169/0.45=375矿物掺合料比例：粉煤灰30%(112kg),水泥70%(263kg)(水泥强度等5.砂石用量计算(绝对体积法)水泥体积=263/3150=0.083m³(水泥密度3150kg/m³);粉煤灰体积=112/2300=0.049m³(粉煤灰密度2300kg/m³);砂率确定：根据坍落度180mm,结合试验查ACI211.1取砂率=43%;砂用量=0.694×43%×2600=776kg/m³;石用量=0.694×57%×2650=1048kg/m³。初始坍落度190mm,扩展度600mm×610mm,黏聚性良好(倒置坍落度筒5秒无坍塌);1小时后坍落度170mm,满足要求。标准要求28d抗压强度碳化深度(加速试验)50年预计25mm3.环境影响评估(欧盟要求)碳排放：通过EPD(环境产品声明)计算，该配合比碳排放为280kgCO₂/m³(国内同类配合比约350kgCO₂/m³);资源消耗：再生骨料替代率20%(细骨料),满足欧盟“循环经济”要求。1.设计逻辑：国内以“强度等级”为起点(如C35),国外以“环境暴露等级”为起点(如XC3),强度仅作为派生指标；2.参数控制：国内侧重“水胶比-强度”关联，国外强调“水胶比-耐久性”双控(如ACI318规定XD环境水胶比≤0.40,与强度无关);3.材料选择：国外更倾向“低水泥用量+高掺合料”(水泥占比可低至50%),国内水泥占比通常≥60%;4.验证方法：国外强制要求“性能试验报告”(如碳化1.低碳化：欧盟已推行“碳足迹标签”,要求2030年混凝土碳排放较2020年降低30%,配合比设计中需优先选用工业固废(如钢渣、稻壳灰)替代水泥；SolidiaConcreteTool)次减少至1-2次；3.功能复合化：开发“自修复混凝土”(掺加微生物孢子，裂缝出现时生成国外混凝土配合比设计的核心优势在于“性能与环境的精准匹配”,其体系的系统工程。在“双碳”目标下，我国可吸收国际“性能导向”“可持续优先”气候条件和历史经验判断矿物掺合量、用水量、外加剂掺量及砂率等重要参数。1混凝土配合比设计方法概述传统的混凝土配合比设计一般是假定容重法或者绝对体积法，选定水泥标号，通过Bolomey公式可以计算并预测混凝土配合比设计基础的Bolomey公式已不再适用度，然后和设计要求的掺合料混凝土抗压强度一起代入Bolomy公式，就能得到比设计提供参考。周梅等[2]利用全因子设计法研究免振捣混凝土，引入了水泥行混凝土的配合比设计。陈晋栋等[3]基于可压缩堆积模型进行透水混凝土的配颗粒堆积，在减少20%胶凝材料用量的情况下使混凝土保持同样的力学性能。差别很大，为方便设计，傅沛兴[5]提出了不同流变类型混凝土浆体量范围与拌和用水量的选取方法，建立了4个集料连续级配计算式，计算出各种流变类型混凝土的适宜粗集料用量。李铭等[6]通过参考以往工程配比，对矿渣基水泥混凝1.5基于骨料裹浆厚度的混凝土配合比设加而变小。黄凯健等[8]在基于粗骨料紧密堆积理论的基础上采用了考虑粗骨料2配合比设计前沿进展主要设计目的，或者以耐久性为设计目的等等。陈瑜等[9]根据多孔混凝土路用实混凝土是近30年来发明和得到广泛应用的混凝土，由于其优越的工作性能和关键是使其流动性和抗离析性相统一，即保证混凝土拌合物在大流动性条件下，为使混凝土满足某特定使用性能，对其配比进行针对性设计是现今发展趋强度和抗冻性能的影响规律，建议水胶比不大于0.45,胶凝材料用量不低于380kg/m3,并采用10%粉煤灰和5%硅灰复