1概述
建筑工程的混凝土技術(shù)正在向高強度、高流動(dòng)性的方向發(fā)展，但是隨著(zhù)高膠凝材料用量，混凝土水化熱高、收縮率大等一系列問(wèn)題也更加突出，混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險越來(lái)越高，因此做好混凝土配合比設計為工程建設提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)尤為重要。
一個(gè)好的混凝土配合比設計應具備以下兩點(diǎn)；一是要因地制宜，工程通常只能就地取材，在滿(mǎn)足設計要求、經(jīng)濟合理的前提下，需針對當地原材料的特點(diǎn)，對大工程普遍存在的原材料波動(dòng)、材料供應多變的現象要有預見(jiàn)性的應對措施。特別是大工程，要進(jìn)行不同材料的優(yōu)選試驗。二是要結合每個(gè)工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，針對工程所處當地氣候和施工特點(diǎn)，有針對性的設計符合工程特性的混凝土配合比，突出工程亮點(diǎn)。
2設計要點(diǎn)
2.1基本參數的選定
2.1.1單位用水量——滿(mǎn)足混凝土拌和物的和易性情況下盡量減少
減少單位用水量可以有效降低膠凝材料用量，從而減少混凝土水化溫升和塑性收縮，同時(shí)節約工程成本。
影響混凝土單位用水量的因素很多，如骨料最大粒徑、拌合物坍落度、外加劑、摻和料摻量、砂石品質(zhì)級配、骨料最大粒徑、水泥需水性及使用外加劑情況等。所以，優(yōu)選原材料尤為重要，可以通過(guò)選擇水泥品種、合適骨料級配、砂率、摻合料品種摻量、優(yōu)質(zhì)的外加劑等來(lái)降低單位用水量。
⑴水泥品種
從材料試驗的角度來(lái)講，選擇比表面積適中，水泥需水量小，水化熱較低的水泥配制混凝土，有利于混凝土的溫控和防裂。
例如某工程需在高溫季節澆筑C25泵送混凝土，若使用中熱水泥和萘系高效減水劑，水泥用量將達到303kg/m3，混凝土最高溫度將超過(guò)設計標準，為了降低水泥用量，減少水化熱溫升，使用了低熱水泥和新一代聚羧酸類(lèi)高性能減水劑。中、低熱水泥現場(chǎng)絕熱溫升試驗數據見(jiàn)表1。
由表1可知，中、低熱42.5級水泥混凝土最高溫度分別為32.0℃、32.2℃，距溫度計埋設時(shí)間均為19d，雖然2個(gè)品種水泥混凝土的最高溫度和最高溫度發(fā)生時(shí)間基本相同，但低熱水泥混凝土前10d溫度比中熱水泥混凝土低（2～3）℃，14d后中低熱水泥混凝土溫度才基本持平，大體積混凝土在采用冷卻通水溫控措施下，最高溫度一般在開(kāi)倉后（3～5）d出現，因此，低熱水泥混凝土前期溫度低的特點(diǎn)對控制混凝土最高溫度，防止產(chǎn)生溫度裂縫是有利的。以聚羧酸類(lèi)為主流的新一代混凝土超塑化劑特別適合配制對混凝土耐久性、流態(tài)、坍落度、強度以及外觀(guān)質(zhì)量要求高的工程，在某大壩C25F250W10泵送混凝土中應用后，水泥用量由303kg減少到271kg，對混凝土高溫季節溫控防裂起到了重要作用。
通過(guò)分析現場(chǎng)施工倉面溫度監測成果：施工采用低熱42.5水泥的部位栓最高溫度在（19.9-22.8）℃之間，最高溫升發(fā)生在開(kāi)倉后（4.8—5.6）d；施工采用中熱42.5水泥的部位栓最高溫度在（27.4～29.8）℃之間，最高溫升發(fā)生在開(kāi)倉后3d；施工采用普通42.5水泥的部位碇最高溫度為31.1℃，最高溫升發(fā)生在開(kāi)倉后3d。由此可見(jiàn)使用中、低熱水泥降低了混凝土水化熱，能有效減少混凝土的絕對溫升，防止混凝土因內外溫差過(guò)大產(chǎn)生拉應力造成溫度裂縫，因此，對于溫控和防裂混凝土，宜選擇中、低熱水泥。
（2）粉煤灰品種及摻量
在設計要求內盡可能增大粉煤灰摻量，在混凝土中摻一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰能等量取代水泥來(lái)減少用水量。在混凝土中摻一定量的粉煤灰能等量取代水泥來(lái)減少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土的水化熱溫升，并延緩混凝土水化熱，對防止大體積混凝土開(kāi)裂起到了很好的作用。摻入優(yōu)質(zhì)I級粉煤灰，其細小顆粒在混凝土中產(chǎn)生的滾珠效應，能起到減水、延緩水化熱發(fā)生、減少泌水和離析等作用。資料表明，優(yōu)質(zhì)粉煤灰取代20%的水泥可降低（5～10）kg單位用水量，7天內水化熱下降11%，取代40%的水泥時(shí)可降低（10～20）kg單位用水量，7天內水化熱下降25%，可有效降低混凝土的早期溫升，從而可減少混凝土溫差收縮=粉煤灰的摻入對混凝土的溫控是有利的，為了驗證大摻量粉煤灰是否對混凝土的力學(xué)性能帶來(lái)不利的影響，我們進(jìn)行了以下試驗。
在水泥膠砂水膠比、用水量不變的情況下，不同粉煤灰摻量下的水泥膠砂強度的關(guān)系圖見(jiàn)圖1。
從圖1的試驗曲線(xiàn)可以看出，用粉煤灰取代部分水泥，對水泥膠砂早期強度影響較大，而后期強度，特別是90d齡期強度隨粉煤灰的摻量變化的幅度不多，可以認為基本保持一致，這種現象主要表現為粉煤灰的后期效應。
在水膠比為0.50情況，不同粉煤灰摻量與混凝土強度及強度發(fā)展系數的試驗成果見(jiàn)表2。
從試驗成果可以看出，粉煤灰的摻量越大，早期強度發(fā)展系數就越低，后期強度發(fā)展系數就越高，同樣體現了粉煤灰的后期效應。需要說(shuō)明的是，在混凝土中摻入粉煤灰，有兩個(gè)方面的作用，一方面粉煤灰作為活性的膠凝材料的組成部分，另一方面粉煤灰也可以作為惰性的摻和料。影響混凝土強度的主要因素是水膠比，粉煤灰的摻量對混凝土早期強度影響較大，對混凝土后期強度并不敏感，影響不大。
⑶優(yōu)選好的減水劑
選用性能優(yōu)越的外加劑來(lái)減少單位用水量。好的外加劑有緩凝保坍、增塑、高效減水等性能。萘系緩凝高效減水劑的一般減水率在20%左右，而聚羧酸類(lèi)的減水劑可達30%以上，可大大降低了單位用水量及膠凝材料。緩凝型外加劑還能使水泥水化速度減慢，延緩混凝土中溫峰的出現時(shí)間，降低溫峰的峰值，減小升溫幅度從而有效控制了混凝土的絕對溫升。
2.1.2水膠比——滿(mǎn)足工程設計和耐久性要求經(jīng)濟合理
在原材料的品種、質(zhì)量和其它條件不變的情況下，水膠比的大小直接影響混凝土的強度和耐久性。水膠比較小時(shí)，混凝土的強度、密實(shí)度及耐久性較高，但耗用水泥較多，混凝土發(fā)熱量也較大。因此，確定水膠比的原則是：在滿(mǎn)足強度及耐久性
要求的前提下，盡可能選用較大的水膠比，以節約水泥并滿(mǎn)足大體積混凝土的低熱性要求。對于強度及耐久性要求較低的混凝土，在確定水膠比時(shí)，還需要考慮混凝土的和易性，不宜選用過(guò)大的水膠比。因為水膠比過(guò)大（大于0.75）時(shí)，混凝土拌和物的粘聚性及保水性難以得到滿(mǎn)足，將會(huì )影響混凝土質(zhì)量并給施工造成困難。
確定水膠比從以下幾個(gè)方面考慮：根據使用工程原材料進(jìn)行試驗所建立的混凝土強度與水膠比的關(guān)系曲線(xiàn)，求得滿(mǎn)足強度要求的水膠比。根據耐久性試驗得到滿(mǎn)足耐久性要求的水膠比。施工規范或設計要求規定的水膠比最大允許值。根據以上限定條件選得到的水膠比最小值，便能同時(shí)滿(mǎn)足強度及耐久性要求，且綜合考慮經(jīng)濟合理的要求。
2.1.3砂率一反映砂和石子的關(guān)系，要適宜可調
砂率對混凝土和易性有較大影響。砂率太小，則拌和物中起潤滑作用的砂漿數量較少，混凝土流動(dòng)性較差，同時(shí)，砂率過(guò)小的混凝土在水膠比較大的情況下容易產(chǎn)生離析、流漿現象。砂率過(guò)大，骨料總的比表面積大幅增加，需要包裹的漿體的數量也增多，漿體的數量將顯得過(guò)少，混凝土拌和物的流動(dòng)性變差，混凝土塑性、內聚性變差，混凝土易分解。在設計好的配合比中，其含砂率應當是合理砂率（也稱(chēng)最佳砂率）。以下幾種情況要減少砂率：
(1)石子最大粒徑較大、級配較好、表面光滑時(shí)，合理砂率較小。
(2)砂細度模數較小時(shí)，混凝土的粘聚性容易得到保證，合理砂率較小。
(3)水膠比較小或混凝土中摻有使拌和物粘聚性得到改善的摻和料(如粉煤灰、硅粉等)時(shí)，水泥漿粘稠，混凝土粘聚性較好，則合理砂率較小。
(4)當摻用引氣劑或減水劑時(shí)，合理砂率可適當減小。
(5)設計要求的混凝土流動(dòng)性較大時(shí)，混凝土合理砂率較大；反之，當混凝土流動(dòng)性較小時(shí)，可用較小的砂率。
2.2突出特殊性一-根據工程特點(diǎn)有針對性
根據工程特點(diǎn)和氣候特征，有針對性的進(jìn)行配合比設計。比如高寒高海拔區，晝夜溫差大，對混凝土材料要求很高，配合比設計要側重于抗裂方面考慮，原材料可添加合成纖維，減縮劑等，配合比參數可適當增加摻合料摻量；比如高拱壩，其對混凝土變形性能要求很高，在配合比設計時(shí)可使用硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣高的水泥，可提高混凝土的后期韌性及抗拉性能。對于重力壩，在配合比設計方面要盡可能減少大體積混凝土膠凝材料，增大粉煤灰摻量提高混凝土后期強度。對于大理石巖性骨料地區，骨料破碎時(shí)容易產(chǎn)生石粉，在骨料運輸中易出現裹粉現象，配合比設計過(guò)程中可考慮適當減少砂率?？傊?，混凝土配合比選用不是套用公式和經(jīng)驗一成不變，它需要根據不同工程的不同特性來(lái)設計。
3設計關(guān)鍵步驟
3.1收集工程資料
配合比設計時(shí)應收集相關(guān)工程資料，確保相關(guān)混凝土技術(shù)要求準確無(wú)誤。需收集的資料主要有：
(1)工程的招標、投標文件
在工程的招投標文件中，對各種部位混凝土相關(guān)技術(shù)指標及要求均會(huì )有詳細說(shuō)明，如混凝土強度等級及保證率，混凝土抗滲等級、抗凍等級及其他性能指標，混凝土限制水膠比及最大粉煤灰摻量等，以及主要或重要部位參考配合比。這是配合比設計的前提。
⑵糊單位研究報告
大型工程在進(jìn)行施工配合比設計試驗前，往往會(huì )委托1～2家科研單位對備選原材料性能、主要部位的混凝土性能進(jìn)行相關(guān)研究試驗，并會(huì )根據研究成果推薦參考的配合比。其內容往往較為全面，可作為編寫(xiě)試驗方案時(shí)的重要參考資料。
⑶其它單位施工配合比報告
大型項目主體工程施工往往選擇至少2家施工單位進(jìn)行，如另一家施工單位已先行開(kāi)展配合比設計工作，應盡可能收集相關(guān)報告，作為編制試驗方案的參考依據。與科研單位研究報告相比，其結果更接近工程實(shí)際情況。
(4)其它類(lèi)似工程資料應收集一些類(lèi)似工程的配合比資料，在編寫(xiě)試驗方案時(shí)可參考。通過(guò)收集的資料，明確混凝土技術(shù)要求和材料的基本性能。
3.2編制配合比設計方案
配合比設計方案包括：
(1)原材料優(yōu)選，即不同品種廠(chǎng)家的原材料的性能指標，為后期進(jìn)行不同材料的組合及優(yōu)選試驗做準備。
(2)配合比參數選定，即配合比的三個(gè)基本參數：水膠比、單位用水量、砂率的確定方法。
(3)不同材料組合混凝土性能試驗
主要是大工程的材料供應需多個(gè)備選方案，通過(guò)設計不同的材料的組合方案來(lái)為工程的配合比提供強有力的保證。
(4)試驗材料及試驗周期計劃。
3.3配合比設計試驗及現場(chǎng)復核
根據方案進(jìn)行工程配合比設計試驗，綜合分析拌和物和硬化試件的試驗結果，從而確定室內配合比。配合比復核是對確定的混凝土配合比進(jìn)行驗證。配合比復核包括兩個(gè)方面，_是配合比室內復核，二是配合比現場(chǎng)復核(工藝試驗)。驗證重要指標是否與室內結果符合，通過(guò)復核，確定用于現場(chǎng)的最終施工配合比。
3.4加強質(zhì)量控制及檢測數據分析，及時(shí)優(yōu)化調整
工程質(zhì)量要從源頭抓起，對于混凝土而言，原材料和工藝的波動(dòng)都會(huì )影響混凝土的結果，必須對配合比進(jìn)行調整，如果波動(dòng)較大，則需要重新進(jìn)行設計試驗，然而，重新設計往往周期較長(cháng)，會(huì )影響現場(chǎng)施工進(jìn)度，同時(shí)由于施工不連續也會(huì )造成新的質(zhì)量隱患，所以保持生產(chǎn)過(guò)程材料及工藝穩定尤為重要。
第一，首先控制好工程原材料質(zhì)量，嚴把進(jìn)場(chǎng)檢測。
第二，加強現場(chǎng)混凝土生產(chǎn)過(guò)程原材料和拌合物檢測試驗，適當提高頻次，及時(shí)調整配合比，如果能做些研究工作，實(shí)現混凝土生產(chǎn)過(guò)程檢測智能化，及時(shí)掌握每盤(pán)混凝土的質(zhì)量信息，對每一盤(pán)混凝土進(jìn)行調整，既可以最大限度節省原材料，也可以保證混凝土品質(zhì)的均勻性，提高混凝土結構的耐久性。
第三，工程施工過(guò)程加強現場(chǎng)質(zhì)量控制數據的統計分析，及時(shí)對配合比進(jìn)行優(yōu)化調整?？梢酝ㄟ^(guò)混凝土配合比優(yōu)化來(lái)降低膠材總量，減少混凝土水化溫升，還可以節省工程造價(jià)。
4總結
總之，混凝土配合比設計要結合原材料情況有針對性、預見(jiàn)性，配合現場(chǎng)施工工藝，因地制宜的設計出符合工程特性的配合比，最大限度的為工程質(zhì)量提供強有力的保證。
做好混凝土配合比設計和現場(chǎng)質(zhì)量控制，既可以提高混凝土工程施工質(zhì)量，也可以最大限度降低成本。配合比設計是一項經(jīng)驗性極強的技術(shù)工作，雖然都有明確細致的設計規程，但每個(gè)工程的情況都不一樣，不同的試驗技術(shù)人員設計的配合比不盡相同，項目部在選擇試驗團隊時(shí)應特別考慮設計試驗團隊的經(jīng)驗與工作經(jīng)歷。
除此以外，施工項目部還應高度重視原材料供應與生產(chǎn)工藝，不可馬虎對待。
配合比設計的保證系數是根據工程前期混凝土原材料和施工工藝水平確定的，保證系數選取較大，容易產(chǎn)生強度富余較多，變異系數大，不經(jīng)濟合理，也不利于大體積混凝土溫控。_旦從經(jīng)濟和溫控角度出發(fā)選擇較小的保證系數時(shí)，相應的混凝土原材料質(zhì)量、施工工藝也要控制嚴格，才能生產(chǎn)出又經(jīng)濟合理又滿(mǎn)足施工高質(zhì)量要求的混凝土。否則，原材料供應與生產(chǎn)工藝的頻繁變動(dòng)，超出配合比設計的保證系數，會(huì )增大混凝土質(zhì)量失控的風(fēng)險，將嚴重影響工程質(zhì)量與成本。
