这些混凝土配合比设计方法，你了解吗（国内篇）

目前，国外混凝土配合比设计方法包括意大利的Collepardi提出的混凝土配合比设计方法，美国的P.K.Mehta和加拿大P.C.Aitcin共同提出的以浆骨比为基础的高性能混凝土配合比设计方法。此外，日本、法国对混凝土配合比技术同样有成熟的研究。不同的混凝土配合比设计方法均有其优缺点，其设计方法与适用范围各有不同。目前，国内外存在的混凝土配合比设计方法均是半经验半计算的方法，对工程经验要求较高，不利于初学者灵活掌握。

（一）简易配合比设计方法

该方法最早由吴中伟院士提出。该混凝土配合比设计方法具体步骤如下：

（1）确定混凝土配合比设计参数

以混凝土常用性能指标为主，主要包括工作性指标、耐久性指标、水胶比。

（2）求骨料最小混合空隙率

将砂石按不同的比例混合，测其砂石混合空隙率，空隙率值最小的一组对应的砂石堆积比例所计算的砂率为混凝土的砂率。

（3）确定浆量

测得砂石混合空隙率确定胶凝材料浆量数值与水泥浆富余量相加，如坍落度为180～200mm时，浆量的富余量可取Im³的8%～12%，坍落度每变化10mm，富余浆体量变化1%，但最终结果通过试拌确定。

（4）计算各组分用量

根据水胶比、砂率、胶凝材料用量及矿物掺合料掺量和密度，按绝对体积法计算各组分用量。

简易配合比设计方法使用简便，充分考虑混凝土的工作性与骨料之间的关系，即在利用最小砂石空隙率的同时，根据工作性调整浆体体积；但是对于大体积及对耐久性有特殊要求的混凝土工程，在确定浆体时具有局限性。

（二）以饱和面干骨料的配合比设计方法

随着减水剂与矿物掺合料的广泛使用，混凝土的配合比设计工作比以往更加复杂。在充分考虑混凝土现状的情况下，清华大学廉慧珍教授在传统混凝土配合比设计的基础上，提出了现代六组分混凝土配合比设计的四要素：水胶比、浆骨比、砂石比和矿物掺合料用量。并给出了四要素之间的关系以及对混凝土性能指标的影响。

（1）水胶比

在标准规定范围内选择最大水胶比作为初始水胶比，再依次减小0.01～0.02百分点，取3～5个水胶比为一组进行混凝土试配，根据强度结果选取28d抗压强度最合适的一个水胶比为最终水胶比。

（2）浆骨比

廉慧珍教授认为，混凝土新拌合物在满足工作性的基础上，选择最小的浆骨比。浆骨比的选择参考《混凝土结构耐久性规范》（GB/T50746-2018）。

（3）砂石比

此处砂石比为在确定骨料体积之后的砂率。一般情况下，对于机制砂与含石量超标的天然砂来说，砂率应比同等级配合比增加3%左右。因此，砂的粒形、粒径、颗粒级配应首先考虑。此外，石子的级配应充分重视。砂石比可随着石子松堆空隙率降低而降低。

（4）矿物掺合料掺量

矿物掺合料的掺量以实际工程使用环境为基准，具体掺量应以混凝土结构要求最大强度与养护条件为原则。在没有立即冻融的环境下，矿物掺合料可以用规定的最大掺量，并且可以酌情增加掺量。

具体混凝土配合比设计步骤如下：

a.确定混凝土设计目标、条件、各项指标、参数，根据以上要求选择原材料；

b.确定混凝土配制强度，f_cu,o≥f_cu.k +1.645σ；

c.选择混凝土配合比4要素具体参数值；

d.初步混凝土配合比计算；

e.试配、调整。

据以饱和面干骨料的配合比设计方法整体充分考虑现代混凝土六组分特点，重新定义混凝土配合比中四要素，整体思路清晰全面；但是饱和面干骨料概念现在还不能够被接受，且饱和面干骨料的含水状态难以控制。

（三）全计算配合比设计方法

中国矿业大学王栋民教授与武汉理工大学陈建奎教授提出高性能混凝土全计算配合比设计方法，其主要内容为：在混凝土材料的基础上，计算混凝土单方用水量公式和砂率公式，选择浆骨比为35:65。该方法的基本特点有以下两点：

（1）混凝土各组成具有体积相加性。

（2）各组分之间，粒径大的材料空隙由小于其粒径的材料填充，以此类推。

全计算配合比设计方法计算步骤如下：

（1）根据规范计算混凝土配制强度：f_cu,o≥ f_cu,k+1.645σ；

（2）计算水胶比：由保罗米公式计算；

（3）计算用水量：将浆体体积与水胶比联合组成方程式，最后计算用水量；

（4）胶凝材料组成与用量；

（5）骨料及砂率用量：该方法中提出“干砂架体积”的概念。在浆体体积与骨料体积之间建立关系，最后联立方程式，从而确定砂率的计算方法。

全计算混凝土配合比设计方法建立了较为普遍的混凝土体积各组分模型，经过科学计算得出用水量与砂率，简化了计算量；但是此方法与实际结果偏差较大，并且35:65的浆骨比对中低等级混凝土并不适用。

（四）高密实混凝土配合比设计方法

台湾科技大学黄兆龙教授提出的高密实混凝土的配合比设计，主要采用颗粒堆积及材料科学原理。他认为，现代普通混凝土中骨料体积占混凝土体积的60%～70%，通过确定混凝土中固体材料间最小空隙的方法，能够得到骨料间最密实堆积比例，利用此方法设计的混凝土配合比可以得到优良的工作性、强度、耐久性。另外，认为在水胶比相等的条件下，骨料最密实堆积可以降低水泥浆体的体积，提高混凝土耐久性。

配合比设计步骤如下：

（1）根据工程结构使用环境、当地条件选择材料；

（2）确定混凝土配合比设计指标：坍落度、强度；

（3）确定骨料最大单位重量；

此处将粉煤灰视为骨料，具体确定方法如式：

ɑ＝W_f÷(W_f＋W_s)

β＝(W_f＋W_s)÷(W_f＋W_s＋W_g)

式中W——粉煤灰质量；W_s——砂质量；W_g——石子质量；α——粉煤灰填充系数，β——砂、粉煤灰混合填充系数。

    然后根据α、β计算骨料最小空隙率；

（4）计算浆体量和骨料的体积；

（5）确定水胶比；

（6）试拌与调整。

高密实配合比实际理念为将砂填充石子空隙，然后用粉煤灰填充骨料空隙，将粉煤灰当作骨料，利用紧密堆积骨料得到最小空隙率求得浆体。另外，减水剂的使用公式计算复杂，与实际不符。

（五）《普通混凝土配合比设计规程》方法

《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中设计方法如下：

（1）混凝土配制强度的确定，见式：f_cu,o≥ f_cu,k+1.645σ

（2）水胶比见式：

W/B＝ɑ_a×f_b÷(f_cu,0＋ɑ_a·ɑ_b·f_b)

式中ƒ_b——胶凝材料28d胶砂抗压强度（MPa）。

（3）用水量

通过骨料最大粒径与坍落度要求进行选择，或根据试验确定。

（4）胶凝材料用量

根据水胶比与用水量计算。

（5）粗、细骨料用量

采用质量法计算砂石用量时，假定每立方米混凝土拌合物的容重为2350～2450kg，根据假定容重减去胶凝材料、水的用量之后，再用选定的砂率计算砂石用量。采用体积法计算砂石用量时，按材料的体积与表观密度计算。

（6）混凝土配合比的试配、调整与确定

根据混凝土新拌合物工作性、强度进行调整。

《普通混凝土配合比设计规程》规定的方法是先根据材料的性质和混凝土的工作性查表确定用水量，根据减水剂减水率和设计目标用水量计算减水剂掺量。这样的方法存在的问题是：减水剂减水率的测定使用的是基准水泥和固定配合比，对不同水灰比的混凝土配合比，按减水率计算的减水剂掺量没有指导意义。规范未考虑原材料质量不同对混凝土配合比带来的影响，尤其是对混凝土流动性的影响。另外，规范中规定矿物掺合料的最大掺量，这样很不合理，目前已经有许多工程使用的大掺量矿物掺合料满足其耐久性，且工程强度、耐久性也符合国家要求。我国的规程里面显然缺少对骨料作用的评价，或者说是没有能够定量地来评价粗细骨料的作用。骨料质量优劣不仅仅表现在级配、模数和最大粒径等方面，粒型、表面纹理等因素对混凝土也有着显著的作用。事实表明仅仅依赖水灰比、石子粒径和坍落度等来确定砂率的方法并不严谨。