自密实混凝土配合比设计方法分析

自密实混凝土配合比设计既要满足强度要求，又要体现自密

实混凝土的大坍落度、免振捣、填充性好、抗离析的施工特点，

因此与传统普通混凝土配合比设计方法不同，需结合理论和实践

经验。

当前国内外已有多种自密实混凝土的配合比设计方法，其中

应用最早、最广的设计方法是固定砂石体积法，我国现有的3个

自密实混凝土配合比设计标准中的计算方法虽有差异，但都应用

了固定砂石体积法。

本文首先对这3个标准中的配合比设计方法进行简单介绍，

然后结合标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》和

JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的设计方法，提出

改进的自密实混凝土配合比设计方法，并通过试验手段比较利用

该方法与以上两个标准中的设计方法配制的自密实混凝土的工作

性能和力学性能，以验证该方法的简易性和经济性，为我国生产

施工性能优良、经济性合理的自密实混凝土提供参考。

1不同标准中自密实混凝土配合比设计方法的特点

冈村甫教授在1993年提出了自密实高性能混凝土的配合比

设计方法，而后他在报告中提出了简单的配合比，为自密实混凝

土配合比的校核提供了依据，在此基础上，日本预拌混凝土协会

提出了固定砂石体积含量的方法以设计自填充混凝土的配合匕，

欧洲规程、中国土木工程学会标准（CCES02-2004《自密实混凝土

设计与施工指南》）和英国标准也采用了该种方法。以

CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》为例，其简要计算

过程为：

(1)设定1瓶混凝土中粗骨料的松散体积(0.5~O.6m3),

计算出粗骨料的质量和砂浆密实体积；

(2)设定砂浆中砂的体积含量(0.42〜0.44m3),计算出砂

的用量和浆体体积；

(3)根据混凝土的设计强度等级，确定水胶比；

(4)设定胶凝材料中矿物掺合料的体积，计算胶凝材料的表

观密度；

(5)由水胶比和胶凝材料中的掺合料比例得出用水量(小于

200kg/m3)和胶凝材料总量(450〜550kg/m3),由胶凝材料总量

得出水泥和矿物掺合料各自的用量；

(6)确定外加剂掺量。2006年我国第一本正式自密实混凝

土标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》颁布实施，

该标准采用绝对体积法，以经验数据为基础确定初始配合比。其

简要计算过程为：

(1)设定1nl3混凝土中粗骨料的绝对体积含量(0.28〜

0.35m3),得到粗骨料质量；

(2)设定单位体积用水量(155〜180kg)和水粉比(0.80〜

1.15)，计算得到单位粉体体积(0.16〜0.23m3)和浆体体积(0.32〜

0.40m3)；

(3)设定含气量(1.5%〜4.0%)，计算细骨料含量和胶凝材

料体积用量；

(4)根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定

水灰比，计算理论水泥用量；

(5)计算各掺合料用量和实际水泥用量，得到实际水胶比；

(6)确定减水剂用量。

2012年我国颁布实施了自密实混凝土行业标准

JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》,同样采用绝对体

积法，其简要设计步骤为：

(1)设定混凝土中粗骨料的绝对体积含量(0.28〜

0.35m3),计算得到粗骨料质量和砂浆体积；

(2)设定砂浆中砂的体积分数(0.42〜0.45)，计算砂的绝

对体积和质量，以及浆体体积；

(3)根据掺合料的掺量计算胶凝材料的表观密度；

(4)根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》计算

自密实混凝土的配制强度；

(5)用给定的公式计算水胶比(小于0.45)；

(6)根据浆体体积、含气量、水胶比等参数，计算胶凝材料

总量(400〜550kg/m3)、用水量和各掺合料用量；

(7)计算外加剂用量。

以上所述的我国现有的3个自密实混凝土配合比设计标准中,

自密实混凝土配制强度均根据JGJ55计算。CCES02-2004《自密实

混凝土设计与施工指南》与JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用

技术规程》的设计过程除了粗骨料体积设定和水胶比计算方法不

同，其余大致相同。

在具体设计步骤上，CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工

指南》没有考虑拌合物中的含气量，JGJ/T283-2012《自密实混凝

土应用技术规程》给出的水胶比计算公式中粉煤灰的取值系数偏

低，将导致计算得到的水胶比偏低，随着粉煤灰掺量的增加，水

胶比计算结果会显著降低。

标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》提供了很

多关键参数的取值范围，有利于对计算结果的复核，但对技术人

员的经验要求较高，而且设计方法中水粉比的预先设定会在一定

程度上限制水胶比的取值范围。

2改进的自密实混凝土配合比设计方法

2.1设计考虑因素

普通混凝土在机械振捣过程中骨料与砂浆间的屈服剪切应力

『0显著降低，振动影响区的混凝土液化流动并密实成型，而自密

实混凝土需要通过优化粗细骨料和胶凝材料的配合比例，并利用

高效减水剂的分散和塑化作用，使T0降低到合理范围并保证拌合

物内部具有足够的塑性粘度，使浆体能有效地包裹输运骨料，不

出现离析和泌水，混凝土靠自重填充模板空间，达到自密实的效

果。在配制高强度等级的自密实混凝土时，如何使混凝土在低水

胶比条件下达到流动性和抗离析性的平衡，是配合比设计的关键,

需要考虑以下因素。

2.1.1粗骨料用量和尺寸的选择

由于自密实混凝土对流变性能的要求很高，因此自密实混凝

土配比中的粗骨料体积含量较小，但过小的粗骨料体积含量会使

混凝土的部分力学性能，如弹性模量等显著降低，因此，根据标

准给定的粗骨料体积的适宜取值范围(0.28〜0.35m3),宜取能

够满足自密实性能要求的较大体积用量，且宜选用密实体积率较

大的碎石。

如果施工条件(如钢筋间隙、混凝土层厚度等)允许，宜复

合使用不同尺寸的石子，这样既可减小孔隙砂浆占有量，增加骨

料间砂浆的厚度，提高混凝土的工作性能，又最大限度的增加了

粗骨料的体积含量，减小了混凝土的体积收缩和出现塑性沉降收

缩开裂的可能性。

2.1.2砂率和砂浆中砂的体积分数的控制

试验表明自密实混凝土的砂率通常在45%〜55%范围内比较

合适，当砂率过小时，砂浆不能很好的包裹石子一起运动，导致

在流动过程中石子间摩擦阻力增大，砂浆不能带动全部石子；当

砂率过大时，混凝土内砂浆过剩，在流动过程中石子不能带走全

部砂浆，出现离析。

CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》和

JGJ/T283-2O12《自密实混凝土应用技术规程》中给出的砂浆中砂

的体积分数取值范围(0.42〜0.44/0.45)较窄,试验表明自密实

混凝土的砂浆中砂的体积分数可取在0.42〜0.48,过小则混凝土

收缩较大体积稳定性不良过大则混凝土的工作性和强度降低。

2.L3掺合料与水胶比

自密实混凝土在配合比设计上与普通混凝土的显著差别是以

粉体材料取代了相当数量的石子。标准CECS203-2006《自密实混

凝土应用技术规程》配合比设计中给出了水粉比参数，但取值范

围较窄，且在确定了混凝土单方用水量和水粉比后，粉体量即确

定，之后的计算需通过掺加惰性掺合料如石灰石粉等以使实际水

泥用量与掺合料用量之和满足预先确定的粉体量。考虑到实用性

和有效性，本文中的配合比设计方法沿用传统混凝土配合比设计

中的水胶比概念，根据混凝土强度要求并充分考虑矿物掺合料对

体系强度的贡献计算水胶比。

2.1.4外加剂与胶凝材料的适应性

自密实混凝土性能实现的一个关键因素就是高效减水剂的掺

加。聚痰酸系外加剂作为一种高分子表面活性剂，具有低掺量高

塑化效果，坍落度保持性好，减水效率高，与传统使用的蔡系外

加剂相比适应性更强。

2.2设计方法特点与步骤

本文在标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》和

JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》提供的设计方法的

基础上，以满足强度需求和自密实性能为目的，以经济性为约束

条件，对标准中的设计方法进行调整与改进，保留标准

JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》设计步骤的（1）,

（2）步，即混凝土中石子和砂的体积与质量的确定以及浆体体积

的确定，其中，对砂浆中砂的质量分数的取值范围调整为0.42〜

0.48。

水灰比按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》计算。

设定单位体积理论水泥用量为x,利用浆体体积约为粉体体积，

水体积以及含气量之和的关系，代入水灰比、矿物掺合料超量取

代水泥率等，解得x,进而求得单位体积掺合料用量、实际水泥

用量和单位体积用水量。为对计算结果进行复核，可以进行水粉

比和砂率的计算，并与其他设计方法给出的参数取值范围进行比

较或验证。

3配合比设计算例比较

3.1配合比计算结果及比较

分别根据3种不同的配合比设计方法，即改进的配合比设计

方法（A组）、CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》中

的配合比设计方法（B组），以及标准JGJ/T283-2012《自密实混

凝土应用技术规程》中的配合比设计方法（C组），设计了C40、

C50、C60,3种强度等级的自密实混凝土，计算结果见表1。

表1采用不同配合比设计方法计算得到的

单位体积自密实混凝土各组分用量

石灰碱水水胶

编号水泥船煤灰犷梢水砂相石细石

石将剂比

A-C40199.5185.065.30177.4830.1326.2494.60.270.39

A-C50255.0148.876.50170.4830.1326.2494.60.310.35

A-C60272.9159.281.90158.3830.1326.249460.440.31

B-C40200.2185.665.50.5178830.1326.2494.60.270.39

B-C50255.9149.276.81.2171830.1326.2494.60.310.35

B-C60272.4158.981.74.8158830.1326.2494.60.520.31

C-C40271.4148.174.00166.3830.1326.2494.60.410.34

C-C50323.4134.780.80152.5830.1326.2494.60.620.28

C-C60345.1143.886.30139.7830.1326.2494.60.88C.y

配合比计算中选取单位体积混凝土中粗骨料的体积用量为

0.30m3,10~20mm粒径（粗石）及5〜10mm粒径（细石）的两

种石灰石碎石复合使用，粗细石子体积比为4:6,骨料级配落在

连续级配（5〜20rnm）范围内。砂浆中砂的体积分数取为0.46。

设计的C40自密实混凝土中粉煤灰和矿渣分别取代水泥30%和

15%,设计的C50和C60自密实混凝土中粉煤灰和矿渣分别取代

水泥25%和15%。

根据GB/T50146-2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》，粉煤

灰超量取代系数为1.2〜1.7,取p1=1.4,矿渣与粉煤灰混掺时超

量取代系数取为供=12

由表1中可知，因采用固定砂石体积法，3种设计方法得到

的单位体积混凝土砂石用量相同，砂率均为50.3%；采用改进的

配合比设计方法（A组）得到的混凝土各组分用量（石灰石粉除

外）与通过CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》的设计

方法（B组）得到的各组分用量基本接近，但改进的配合比设计

方法步骤更简单，不需通过石灰石粉的补足进行调整，且对C40

和C50自密实混凝土，A组的胶凝材料总量略低。

采用JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的配合

比设计方法（C组）得到的3种强度等级的混凝土对应的水胶比

均小于其他两种设计方法计算得到的水胶比，且与A组组分月量

相比，C组胶凝材料用量增加了1096〜12%水泥用量增加了26%〜

36%。

3.2混凝土性能测试及比较

新拌混凝土的工作性能根据标准JGJ/T283-2012《自密实混

凝土应用技术规程》采用坍落扩展度和才展时间以及J环扩展度

试验测定，相应的指标为坍落扩展度（SF）满足扩展度直径650〜

750mm扩展时间（T500满足3〜20s，间隙通过性性能指枫PA）

为测得的坍落扩展度与J环扩展度（JF）的差值。

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》

进行混凝土的抗压强度试验。试件采用150mmXI50mmXI50mm标

准试件，标准养护28d后进行测试，每组3个试件，取平均值作

为试验结果，计算样本标准差。试验仪器选用TYE-2000E型压力

试验机。

关2自密实混凝土的工作性能及

28d抗压强度

假会:L拌合物的工作性能28cl抗压强度

性能评

编号平均值/

SF/mm「30小JF/mmPA/mm标推羞价

MPa

A-C406805.7675542.91.45合格

A-C507006.56752560.51.42合格

A-C607008.16851561.80.66合格

B-C406905.86454543.02.66不合格

B-C506808.06552557.10.79合格

B-C606805.8680046A1.48不合格

C-C406957.6690559.93.70合格

C-C506859.66652069.11.26合格

C-C6070018.16554584.28.58不含•，攵

混凝土的工作性能和强度测试结果如表2所示。由工作性能

测试结果可知，3种配合比设计方法配制的自密实混凝土均能达

到坍落扩展度和扩展时间的要求，观察最终扩展后的混凝土可以

发现，粗骨料没有在中央堆积，扩展后的混凝土边缘也没有水泥

浆析出。因减水剂的用量相对较低，T500的测定结果均大于5s,

但满足CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》中给出的指

标范围，如需得到更小的扩展时间，需要适当增加减水剂的用量。

比较3种配合比设计方法配制的自密实混凝土的工作性能可

知，C组混凝土的扩展时间最长，这可能与C组混凝土水胶比偏

低，粉煤灰用量（滚珠润滑作用）较小有关。A组和B组混凝土

虽然各组分用量接近，但工作性能却有差异。从坍落扩展度试验

来看，A组自密实混凝土的流动性高于B组，在减水剂用量接近

的条件下，A组的T500小于B组，这可能是由于掺加的石灰石粉

使B组混凝土的粘稠性增加。在J环试验中，A组混凝土没有出

现J环附近的堵塞现象，而B-C40混凝土出现了在加筋杆附近的

骨料堵塞现象。

根据表2中混凝土的抗压强度试验结果可知，A组和C组自

密实混凝土的强度均达到了设计要求，其中C组C40、C50、C60

混凝土的平均抗压强度分别达到了设计值的150%、115%,140%。

而B-C60混凝土没有达到设计强度的要求，这可能与高效减水剂

的引气性有关，其用