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浅谈预拌混凝土的配合比设计

信息来源:hunningtu.biz  时间:2010-03-23  浏览次数:138

  现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000规范了普通混凝土配合比设计的基本方法。但是,该基本方法有些部分实用性不强,在基本参数选取时较为繁琐,给初学者带来了一定的难度和困惑。笔者在预拌混凝土行业工作多年,对配合比的设计有些心得。现浅谈如下,以供广大读者参考。
  一、混凝土配制强度的确定
  混凝土配制强度应按下式计算:
  公式1:fcu,0≥fcu,k+1.645σ,
  式中fcu,0———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)。
  σ是检验混凝土生产质量水平的标准之一。其值应由搅拌站提供的近期生产混凝土的强度统计值计算。当无历史资料时,其值应符合下列规定:当混凝土强度等级为C10和C15级时,σ应不小于2.0MPa;当混凝土强度等级为C20和C25级时,σ应不小于2.5MPa;当混凝土强度等级大于或等于C30级时,σ应不小于3.0MPa。
  二、混凝土水灰比的确定
  我们知道,混凝土的强度与水泥强度成正比,与水灰比成反比。那么,则有:
  公式2:fcu,0=Afce/W/C
  式中fcu,0———混凝土配制强度(MPa);
  fce———水泥28d抗压强度实测值(MPa);
  A———经验系数;
  W/C———水灰比。
  我们可将公式2变化为:
  公式3:W/C=Afce/fcu,o
  公式3与现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000中水灰比的计算公式相比,则较为简单实用。
  关于经验系数A的取值,一般为0.40~0.45。我们可以根据28d时的混凝土强度实测值和水泥强度实测值反过来进行推定、验证。我们应该根据混凝土的各种原材料、拌合物性能等,确定不同的A值,用于指导混凝土水灰比的确定。
  三、混凝土用水量的确定
  所谓混凝土用水量是指混凝土的和易性(流动性、黏聚性和保水性等)良好,坍落度和扩展度能够达到一定标准时的单方用水量。
  影响混凝土用水量的因素可以概括为:
  1.混凝土中整个颗粒的级配情况。包括砂、石等相对大颗粒的级配和水泥、掺合料等相对小颗粒的级配。若颗粒级配好,则混凝土用水量低(孔隙少,则游离水少);反之,则用水量高。
  2.混凝土中吸水性材料(包括与水反应的材料)的含量情况,如砂石的含泥量、石粉含量、有害物质等;水泥和掺合料中的游离氧化钙、铝酸三钙等。若吸水性材料(包括与水反应的材料)的含量低,则混凝土用水量低;反之,则用水量高。
  3.混凝土中表面活性剂(减水剂等)的含量情况。若混凝土中表面活性剂的含量高,则混凝土用水量低(分散作用强,能够释放出更多的水泥絮凝体中被包裹的水分子);反之,则用水量高。
  在一般情况下,对含泥量为3%的天然砂中砂,其混凝土每立方米用水量可假定为185kg;对石粉含量为5%的机制砂中砂,其混凝土每立方米用水量可假定为195kg(掺用掺量合适的外加剂和掺合料等)。此处为5mm~31.5mm连续级配的碎石。
  一般来讲,含泥量(或石粉含量)降低或提高1%,其每立方米混凝土用水量可相应降低或提高3kg~5kg。
  对于其他的影响因素,其混凝土用水量应按上述三点并结合假定值进行相应的调整与确定。
  四、混凝土水泥用量的确定
  水灰比已知,用水量已知,则水泥用量即知。
  公式4:mco=mwo/W/C
  式中mwo———每立方米混凝土的用水量(kg);
  mco———每立方米混凝土的水泥用量(kg)。
  在此,应注意每立方米混凝土的最小胶料用量(水泥+掺合料)不能低于300kg。
  五、混凝土掺合料用量的确定
  一般常用的掺合料有粉煤灰、超细矿渣粉和硅灰等。
  混凝土掺合料用量的确定应符合以下两点:1.必须满足各类工程和各种施工工艺的要求;2.必须满足混凝土的和易性、凝结时间和强度的要求。
  根据以上两点,并结合水泥的品种、强度等级、实测强度和大气温度,以及掺合料的质量确定掺合料的最佳掺量。
  一般可采用等量取代法、超量取代法和外加法。
  在一般情况下,掺用两种或两种以上的掺合料比掺用单一的掺合料效果要好,可以改善其细微颗粒的级配。
  混凝土的掺合料用量应按下列公式计算:
  公式5:mfo=mco×B×C
  式中mfo———每立方米混凝土掺合料的用量(kg);
  B———混凝土掺合料的取代率,一般为:10%~50%;
  C———混凝土掺合料的取代系数,一般为0.8~2.0。
  取代后的混凝土水泥用量(mcl)应为:
  公式6:mc1=mco×(1-B)
  目前,用海鑫水泥配制的一般强度等级泵送混凝土中掺合料的掺量为:
  海鑫P·S·A32.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级超细矿渣粉:20%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰:10%的取代率×1.5的取代系数。
  海鑫P·S·A42.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级矿渣粉:30%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰:10%的取代率×1.5的取代系数。
  以上可作为参考。在此要注意的是,比表面积大的掺合料的掺量应大,比表面积小的掺合料的掺量应小,要追求胶凝材料中颗粒的最佳级配。
  六、混凝土外加剂用量的确定
  首先,必须选用适应性良好(初始好、坍损小、凝结时间正常)的外加剂。一般为:减水率20%以上,凝结时间12h~14h。
  其次,应确定外加剂的最佳掺量。若掺量高,则气泡多、沉淀扒底、离析、泌水、凝结时间长(或不凝固);若掺量低,则料稠、料黏、流动性差、坍落度损失大。在此,我们应该判断区分是减水组分或是缓凝组分的多与少。
  混凝土的外加剂用量(myo)应按下列公式计算:
  公式7:myo=(mc1+mfo)×D
  式中D———外加剂掺量(%)。
  最后,应按照“外加剂掺量定混凝土的坍落度”的理论,进行混凝土外加剂用量的确定与使用。即若需要较大坍落度的混凝土,则增大外加剂的掺量;反之,则降低外加剂的掺量。
  七、混凝土砂率的确定
  泵送混凝土的最佳砂率可按表选取
  由上表可知,1.差0.01水胶比,砂率差0.5%。2.差0.1砂细度模数,砂率差1%。3.此为砂含泥量(或石粉含量)4%时选用。含泥量(或石粉含量)提高或降低1%,砂率降低或提高1%。4.此为粗骨料﹙碎石﹚粒径为5mm~31.5mm时选用。粗骨料粒径越大,砂率越小;反之,则越大。粗骨料粒径为5mm~19.0mm时,砂率应提高5%左右;粗骨料粒径为5mm~9.5mm时,砂率应提高10%左右。5.此为混凝土坍落度180mm时选用。坍落度越大,砂率则越大;反之,则越小。坍落度每增大或减小20mm~30mm,砂率则提高或降低1%。
  关于泵送混凝土最佳砂率确定的几点补充:
  1.配制泵送混凝土宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时,应提高砂率;当采用Ⅲ区砂时,应降低砂率。
  2.在多数情况下,砂的颗粒级配是不符合规定的。若0.60mm以上颗粒超标,则应提高砂率,可按每超标10%,提高砂率1%计算;若0.60mm以下颗粒超标,则应降低砂率,可按每超标10%,降低砂率1%计算。
  3.通过0.30mm筛孔的颗粒含量不应少于15%,通过0.15mm筛孔的颗粒含量不应少于5%。如果这两部分颗粒较少时,可掺加粉煤灰或超细矿渣粉等掺合料予以弥补。
  4.若Ⅱ级以下粉煤灰用量比较大(黏性大)时,则应适当降低砂率。
  5.在一般情况下,可通过“差多少胶料差多少砂”来进行简单计算。
  例如:首先根据混凝土所用原材料确定两个砂率合适的配合比,混凝土所用原材料不同,其X值也不同。(注:该砂含石率为30.0%)。
  则有:
  X〔(292+83+62)-(250+54+71)〕=(1055-950)
  经计算可知:X=1.7
  那么,在此混凝土所用原材料的情况下,可通过“差1kg胶料差1.7kg砂”来进行简单计算。例如:对350kg/m3的胶料用量,其砂可取1098kg/m3;对400kg/m3的胶料用量,其砂可取1012kg/m3。
  6.自卸的混凝土(特别是路面混凝土)应降低砂率。
  总之,追求最佳砂率,再加上以上所述的追求胶凝材料颗粒的最佳级配,即是追求混凝土中整个颗粒的最佳级配,即是追求混凝土拌合物最佳的和易性。此时,混凝土的性能最好、强度最高。
  八、混凝土配合比的计算
  一般采用重量法,应按下列公式计算:
  公式8:mc1+mfo+ms1+mgo+mwo+myo=mcp
  公式9:βs=(mso/mso=mgo)×100%
  公式10:ms1=mso/(1-E)
  式中mso———每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  ms1———换算含石率后每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  mgo———每立方米混凝土的粗集料用量(kg);
  E———砂的含石率(%);
  mcp———每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg),其值可取2350kg~2450kg。
  九、混凝土配合比的试配、调整与确定
  按计算的配合比进行试拌,以检查拌合物的性能。当试拌得出的拌合物坍落度(或坍落度经时损失)不能满足要求,或和易性(流动性、黏聚性和保水性等)不好时,应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量、外加剂掺量或砂率,直到符合要求为止;然后提出混凝土强度试验用的基准配合比。掺合料的掺量应根据混凝土的和易性、凝结时间,以及强度进行调整与确定。
  我们可将基准配合比的水灰比分别增加和减少0.05(高强混凝土为0.02),再设计两个对比配合比,然后进行试配、调整并校正。将3个配合比分别制作成试件,标准养护到28d时试压。
  最后,选取最合理、最经济的配合比作为确定的设计配合比。
  十、混凝土施工配合比的换算
  一般情况下,砂、石均含有水分。那么,则有:
  公式11:ms2=ms1(1+F)
  公式12:mg1=mgo(1+G)
  公式13:mw1=mwo-{﹙ms2-ms1)+(mg1-mgo)}
  公式14:mc1+mfo+ms2+mg1+mw1+myo=mcp
  式中ms2———再换算含水率后每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  mg1———再换算含水率后每立方米混凝土的粗集料用量(kg);
  F———砂的含水率(%);
  G———石的含水率(%)。  现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000规范了普通混凝土配合比设计的基本方法。但是,该基本方法有些部分实用性不强,在基本参数选取时较为繁琐,给初学者带来了一定的难度和困惑。笔者在预拌混凝土行业工作多年,对配合比的设计有些心得。现浅谈如下,以供广大读者参考。
  一、混凝土配制强度的确定
  混凝土配制强度应按下式计算:
  公式1:fcu,0≥fcu,k+1.645σ,
  式中fcu,0———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)。
  σ是检验混凝土生产质量水平的标准之一。其值应由搅拌站提供的近期生产混凝土的强度统计值计算。当无历史资料时,其值应符合下列规定:当混凝土强度等级为C10和C15级时,σ应不小于2.0MPa;当混凝土强度等级为C20和C25级时,σ应不小于2.5MPa;当混凝土强度等级大于或等于C30级时,σ应不小于3.0MPa。
  二、混凝土水灰比的确定
  我们知道,混凝土的强度与水泥强度成正比,与水灰比成反比。那么,则有:
  公式2:fcu,0=Afce/W/C
  式中fcu,0———混凝土配制强度(MPa);
  fce———水泥28d抗压强度实测值(MPa);
  A———经验系数;
  W/C———水灰比。
  我们可将公式2变化为:
  公式3:W/C=Afce/fcu,o
  公式3与现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000中水灰比的计算公式相比,则较为简单实用。
  关于经验系数A的取值,一般为0.40~0.45。我们可以根据28d时的混凝土强度实测值和水泥强度实测值反过来进行推定、验证。我们应该根据混凝土的各种原材料、拌合物性能等,确定不同的A值,用于指导混凝土水灰比的确定。
  三、混凝土用水量的确定
  所谓混凝土用水量是指混凝土的和易性(流动性、黏聚性和保水性等)良好,坍落度和扩展度能够达到一定标准时的单方用水量。
  影响混凝土用水量的因素可以概括为:
  1.混凝土中整个颗粒的级配情况。包括砂、石等相对大颗粒的级配和水泥、掺合料等相对小颗粒的级配。若颗粒级配好,则混凝土用水量低(孔隙少,则游离水少);反之,则用水量高。
  2.混凝土中吸水性材料(包括与水反应的材料)的含量情况,如砂石的含泥量、石粉含量、有害物质等;水泥和掺合料中的游离氧化钙、铝酸三钙等。若吸水性材料(包括与水反应的材料)的含量低,则混凝土用水量低;反之,则用水量高。
  3.混凝土中表面活性剂(减水剂等)的含量情况。若混凝土中表面活性剂的含量高,则混凝土用水量低(分散作用强,能够释放出更多的水泥絮凝体中被包裹的水分子);反之,则用水量高。
  在一般情况下,对含泥量为3%的天然砂中砂,其混凝土每立方米用水量可假定为185kg;对石粉含量为5%的机制砂中砂,其混凝土每立方米用水量可假定为195kg(掺用掺量合适的外加剂和掺合料等)。此处为5mm~31.5mm连续级配的碎石。
  一般来讲,含泥量(或石粉含量)降低或提高1%,其每立方米混凝土用水量可相应降低或提高3kg~5kg。
  对于其他的影响因素,其混凝土用水量应按上述三点并结合假定值进行相应的调整与确定。
  四、混凝土水泥用量的确定
  水灰比已知,用水量已知,则水泥用量即知。
  公式4:mco=mwo/W/C
  式中mwo———每立方米混凝土的用水量(kg);
  mco———每立方米混凝土的水泥用量(kg)。
  在此,应注意每立方米混凝土的最小胶料用量(水泥+掺合料)不能低于300kg。
  五、混凝土掺合料用量的确定
  一般常用的掺合料有粉煤灰、超细矿渣粉和硅灰等。
  混凝土掺合料用量的确定应符合以下两点:1.必须满足各类工程和各种施工工艺的要求;2.必须满足混凝土的和易性、凝结时间和强度的要求。
  根据以上两点,并结合水泥的品种、强度等级、实测强度和大气温度,以及掺合料的质量确定掺合料的最佳掺量。
  一般可采用等量取代法、超量取代法和外加法。
  在一般情况下,掺用两种或两种以上的掺合料比掺用单一的掺合料效果要好,可以改善其细微颗粒的级配。
  混凝土的掺合料用量应按下列公式计算:
  公式5:mfo=mco×B×C
  式中mfo———每立方米混凝土掺合料的用量(kg);
  B———混凝土掺合料的取代率,一般为:10%~50%;
  C———混凝土掺合料的取代系数,一般为0.8~2.0。
  取代后的混凝土水泥用量(mcl)应为:
  公式6:mc1=mco×(1-B)
  目前,用海鑫水泥配制的一般强度等级泵送混凝土中掺合料的掺量为:
  海鑫P·S·A32.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级超细矿渣粉:20%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰:10%的取代率×1.5的取代系数。
  海鑫P·S·A42.5矿渣硅酸盐水泥。彤阳S95级矿渣粉:30%的取代率×1.0的取代系数。河津Ⅱ级粉煤灰:10%的取代率×1.5的取代系数。
  以上可作为参考。在此要注意的是,比表面积大的掺合料的掺量应大,比表面积小的掺合料的掺量应小,要追求胶凝材料中颗粒的最佳级配。
  六、混凝土外加剂用量的确定
  首先,必须选用适应性良好(初始好、坍损小、凝结时间正常)的外加剂。一般为:减水率20%以上,凝结时间12h~14h。
  其次,应确定外加剂的最佳掺量。若掺量高,则气泡多、沉淀扒底、离析、泌水、凝结时间长(或不凝固);若掺量低,则料稠、料黏、流动性差、坍落度损失大。在此,我们应该判断区分是减水组分或是缓凝组分的多与少。
  混凝土的外加剂用量(myo)应按下列公式计算:
  公式7:myo=(mc1+mfo)×D
  式中D———外加剂掺量(%)。
  最后,应按照“外加剂掺量定混凝土的坍落度”的理论,进行混凝土外加剂用量的确定与使用。即若需要较大坍落度的混凝土,则增大外加剂的掺量;反之,则降低外加剂的掺量。
  七、混凝土砂率的确定
  泵送混凝土的最佳砂率可按表选取
  由上表可知,1.差0.01水胶比,砂率差0.5%。2.差0.1砂细度模数,砂率差1%。3.此为砂含泥量(或石粉含量)4%时选用。含泥量(或石粉含量)提高或降低1%,砂率降低或提高1%。4.此为粗骨料﹙碎石﹚粒径为5mm~31.5mm时选用。粗骨料粒径越大,砂率越小;反之,则越大。粗骨料粒径为5mm~19.0mm时,砂率应提高5%左右;粗骨料粒径为5mm~9.5mm时,砂率应提高10%左右。5.此为混凝土坍落度180mm时选用。坍落度越大,砂率则越大;反之,则越小。坍落度每增大或减小20mm~30mm,砂率则提高或降低1%。
  关于泵送混凝土最佳砂率确定的几点补充:
  1.配制泵送混凝土宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时,应提高砂率;当采用Ⅲ区砂时,应降低砂率。
  2.在多数情况下,砂的颗粒级配是不符合规定的。若0.60mm以上颗粒超标,则应提高砂率,可按每超标10%,提高砂率1%计算;若0.60mm以下颗粒超标,则应降低砂率,可按每超标10%,降低砂率1%计算。
  3.通过0.30mm筛孔的颗粒含量不应少于15%,通过0.15mm筛孔的颗粒含量不应少于5%。如果这两部分颗粒较少时,可掺加粉煤灰或超细矿渣粉等掺合料予以弥补。
  4.若Ⅱ级以下粉煤灰用量比较大(黏性大)时,则应适当降低砂率。
  5.在一般情况下,可通过“差多少胶料差多少砂”来进行简单计算。
  例如:首先根据混凝土所用原材料确定两个砂率合适的配合比,混凝土所用原材料不同,其X值也不同。(注:该砂含石率为30.0%)。
  则有:
  X〔(292+83+62)-(250+54+71)〕=(1055-950)
  经计算可知:X=1.7
  那么,在此混凝土所用原材料的情况下,可通过“差1kg胶料差1.7kg砂”来进行简单计算。例如:对350kg/m3的胶料用量,其砂可取1098kg/m3;对400kg/m3的胶料用量,其砂可取1012kg/m3。
  6.自卸的混凝土(特别是路面混凝土)应降低砂率。
  总之,追求最佳砂率,再加上以上所述的追求胶凝材料颗粒的最佳级配,即是追求混凝土中整个颗粒的最佳级配,即是追求混凝土拌合物最佳的和易性。此时,混凝土的性能最好、强度最高。
  八、混凝土配合比的计算
  一般采用重量法,应按下列公式计算:
  公式8:mc1+mfo+ms1+mgo+mwo+myo=mcp
  公式9:βs=(mso/mso=mgo)×100%
  公式10:ms1=mso/(1-E)
  式中mso———每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  ms1———换算含石率后每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  mgo———每立方米混凝土的粗集料用量(kg);
  E———砂的含石率(%);
  mcp———每立方米混凝土拌合物的假定重量(kg),其值可取2350kg~2450kg。
  九、混凝土配合比的试配、调整与确定
  按计算的配合比进行试拌,以检查拌合物的性能。当试拌得出的拌合物坍落度(或坍落度经时损失)不能满足要求,或和易性(流动性、黏聚性和保水性等)不好时,应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量、外加剂掺量或砂率,直到符合要求为止;然后提出混凝土强度试验用的基准配合比。掺合料的掺量应根据混凝土的和易性、凝结时间,以及强度进行调整与确定。
  我们可将基准配合比的水灰比分别增加和减少0.05(高强混凝土为0.02),再设计两个对比配合比,然后进行试配、调整并校正。将3个配合比分别制作成试件,标准养护到28d时试压。
  最后,选取最合理、最经济的配合比作为确定的设计配合比。
  十、混凝土施工配合比的换算
  一般情况下,砂、石均含有水分。那么,则有:
  公式11:ms2=ms1(1+F)
  公式12:mg1=mgo(1+G)
  公式13:mw1=mwo-{﹙ms2-ms1)+(mg1-mgo)}
  公式14:mc1+mfo+ms2+mg1+mw1+myo=mcp
  式中ms2———再换算含水率后每立方米混凝土的细集料用量(kg);
  mg1———再换算含水率后每立方米混凝土的粗集料用量(kg);
  F———砂的含水率(%);
  G———石的含水率(%)。

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