第二节　普通混凝土配合比设计

普通混凝土配合比设计，实质上就是确定混凝土中各组成材料数量之间的比例关系，即确定1m³混凝土中各组成材料的用量，使得按此用量拌制出的混凝土能够满足工程所需的各项性能要求。混凝土配合比设计的基本要求主要包括：①满足施工条件所要求的和易性；②满足混凝土结构设计的强度等级；③满足工程所处环境和设计规定的耐久性；④在满足以上3项要求的前提下，尽可能节约水泥，降低混凝土成本。

一、混凝土配合比设计的参数

普通混凝土配合比设计，实质上就是确定水泥、水、砂子与石子这4种基本组成材料的相对比例关系，通常是以水灰比、砂率和单位用水量这3个参数来控制。水灰比是指混凝土中水的用量与水泥用量的比值；砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率；单位用水量是指1m³混凝土中的用水量。水灰比、砂率和单位用水量这3个参数，与混凝土各项性能之间有着密切的关系，正确地确定这3个参数，就能使混凝土满足各项技术性能要求。

二、混凝土配合比设计的步骤

在进行普通混凝土配合比设计时，首先应明确如下基本资料：混凝土设计要求的强度等级；工程所处环境对耐久性的要求；混凝土的施工方法及施工管理水平；混凝土结构的类型；原材料的品种及技术指标等。然后，根据原材料的性能及对混凝土的技术要求进行初步计算，得出初步配合比；再经过实验室试拌调整，得出满足混凝土和易性、强度和耐久性要求的实验室配合比；最后再根据施工现场砂、石含水情况，对实验室配合比进行修正，计算出混凝土的施工配合比。

（一）初步配合比的计算

1.确定混凝土配制强度

为了保证混凝土能够达到设计要求的强度等级，在进行混凝土配合比设计时，既要考虑到实际施工条件与实验室条件的差别，又要考虑到对混凝土强度的不利影响因素，必须使混凝土的配制强度高于设计强度等级。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 055—2011）中的规定，配制强度f_cu，o可按下式计算：

f_cu，o=f_cu，k+tσ　　（3-1）

式中，f_cu，o为混凝土的配制强度，MPa；f_cu，k为混凝土的设计强度等级，MPa；t为强度保证率系数，当强度保证率为95％时，取t=1.645；σ为混凝土强度标准差，MPa，可根据施工单位以往的生产质量水平进行测算，如施工单位无历史统计资料时，可按表3-3选用。

2.确定混凝土的水灰比

瑞士学者保罗米，通过大量混凝土试验研究，应用数理统计的方法，提出了混凝土强度与水泥强度等级及水灰比之间的关系式，即混凝土强度公式。

f_cu，28=Af_ce（C/W-B）　　（3-2）

式中，f_cu，28为混凝土28d龄期立方体抗压强度，MPa；f_ce为水泥实际强度，MPa，f_ce可通过试验确定，也可根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）中的规定，取水泥强度富余系数为1.13，按f_ce=1.13f_c计算，其中f_c为水泥强度等级；C为每立方米混凝土中水泥用量，kg；W为每立方米混凝土中水的用量，kg；A，B为经验系数，与骨料品种等有关。当采用碎石时A=0.46，B=0.07，采用卵石时A=0.48，B=0.33。

根据混凝土强度公式（3-2），可推导出满足配制强度要求的水灰比，如式（3-3）所列：

W/C=Af_ce/（f_cu，0+ABf_ce）　　（3-3）

混凝土工程实践证明：混凝土的水灰比不仅要满足强度的要求，而且还要满足耐久性的要求，这是配制混凝土不可缺少的条件。

根据行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）中的规定，混凝土的最大水灰比和最小水泥用量，如表3-4所列。最后应在按强度计算出的水灰比与查表所得的水灰比中，选用其中较小的一个值作为混凝土的设计水灰比。

3.确定混凝土的用水量（W₀）

根据混凝土施工所要求的坍落度，以及所用骨料的品种、最大粒径等因素，参考表3-5选用1m³混凝土的用水量。

4.确定混凝土水泥用量（C₀）

根据确定出的水灰比（W/C）和1m³混凝土的用水量（W₀），用公式（3-4）可求出1m³混凝土中的水泥用量（C₀）。

　　 （3-4） 　　

为了保证满足混凝土的耐久性，由公式（3-4）计算得出的水泥用量，还应当满足表3-4中规定的最小水泥用量的要求。如果算得的水泥用量小于表3-4规定的最小水泥用量，则应取表3-4中规定的最小水泥用量值。

5.选取合理的砂率（S_P）

应当根据混凝土拌合物的和易性，通过试验求出合理砂率。在初步计算配合比或无试验资料时，可以根据骨料的品种、规格和水灰比，按表3-6中选取。

6.计算粗、细骨料的用量（S_o、G₀）

在混凝土配合比组成材料用量计算中，确定砂、石骨料用量的方法很多，最常用的是绝对体积法和假定表观密度法。

（1）绝对体积法　绝对体积法是假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料的绝对体积和拌合物中所含空气的体积之和。因此，在计算1m混凝土拌合物的各材料用量时可列出式（3-5）。再根据砂率的计算公式（3-6），将式（3-5）和式（3-6）联立，即可求出1m³混凝土中砂（S_o）、石子（G₀）的用量。

　　 （3-5） 　　

　　 （3-6） 　　

式中，C₀、W₀为1m³混凝土中的水泥、水的用量，kg；S₀、G₀为1m³混凝土中的砂、石子的用量，kg；ρ_c、ρ_w为混凝土中的水泥、水的密度，g/cm³，通常取ρ_c=3.1，ρ_w=1.0；ρ_os、ρ_og为混凝土中的砂、石子的密度，g/cm³；α为混凝土中含气百分数，％，在不使用引气型外加剂时，α取1.0；S_P为混凝土的砂率，％。

（2）假定表观密度法　如果混凝土所用原材料的情况比较稳定，所配制混凝土的表观密度将接近一个固定值，这样就可以根据施工水平和管理水平，假定一个混凝土拌合物的表观密度ρ_oh，可得公式（3-7）：

C₀+S₀+G₀+W₀=ρ_oh　　（3-7）

式中，ρ_oh为假定混凝土拌合物的表观密度，kg/m³。

将式（3-6）和式（3-7）联立，即可求出1m³混凝土中砂（S_o）、石子（G₀）的用量。

通过以上6个步骤便可将1m³混凝土中水泥、水、砂子和石子的用量全部计算出，得到混凝土的初步配合比。但是需要注意的是，以上混凝土配合比计算的公式和表格，均以干燥状态骨料为基准，如果以其他含水状态的骨料为基准，则应进行相应的修正。

（二）实验室配合比的确定

混凝土的初步配合比是根据经验公式、经验图表等估算而得出，因此不一定符合工程的实际情况，必须通过实验室进行检验，不符合要求时进行配合比调整。配合比调整的目的有两个方面：一是使混凝土拌合物的和易性满足施工需要，二是使水灰比满足混凝土强度及耐久性要求。

1.调整施工的和易性，确定基准配合比

根据计算的初步配合比称取材料试样，按规定方法拌制成混凝土拌合物，测定拌合物的坍落度，并检验其黏聚性和保水性，如果和易性不符合设计要求，应对初步配合比进行调整。

调整的原则是：若坍落度过大，应保持砂率不变，适当增加砂、石的用量；若坍落度过小，应保持水灰比不变，适当增加水泥浆的用量；若拌合物出现因含砂不足，黏聚性和保水性不良时，应适当增加砂率；若拌合物显得砂浆过多时，应适当降低砂率。

每次调整后再进行试拌，并评定拌合物的和易性，直到和易性满足设计要求为止。当试拌成功之后，记录调整后各种材料的用量和实际表观密度。满足混凝土和易性要求的配合比称为基准配合比。

2.检验强度和耐久性，确定实验室配合比

经过和易性调整后得到的基准配合比，其水灰比不一定满足混凝土强度和耐久性的设计要求，所以还应当检验混凝土的强度和耐久性。混凝土强度检验，一般采用3组不同的水灰比，其中一组为基准配合比中的水灰比，另2组在基准配合比水灰比值的基础上，分别增加和减少0.05，其用水量与基准配合比相同，砂率值可稍加调整。在制作混凝土标准试件时，应记录好各组配合比中各种材料用量，检验混凝土拌合物的和易性，并测定混凝土的表观密度。

3组不同配合比的混凝土标准试件，经标准养护28d后进行抗压强度试验，从3个抗压强度的代表值中，选择一个大于或等于试配强度、水泥用量较少的配合比，作为满足混凝土强度要求所需的配合比。如果对混凝土还有抗冻性、抗渗性等耐久性方面的要求，应根据需要增加相应的试验项目。

如果已知试拌调整后满足和易性、强度和耐久性要求的各种材料用量，并得到实测的混凝土表观密度ρ_oh实，可按下式计算混凝土的实验室配合比。

　　 （3-8） 　　

　　 （3-9） 　　

　　 （3-10） 　　

　　 （3-11） 　　

式中，C、W、S、G为实验室配合比1m³混凝土中的水泥、水、砂子和石子的用量，kg；C_拌、W_拌、S_拌、G_拌为实验室配合比试拌调整后水泥、水、砂子和石子的实际用量，kg；ρ_oh实为试拌调整后混凝土的实测表观密度，kg/m³。

（三）现场施工配合比的确定

混凝土的基准配合比和实验室配合比，均是以干燥材料为基准而得出的，但工程现场存放的砂、石骨料，实际都含有一定的水分，有时甚至变动比较大。所以，对现场材料的实际称量，应按工地砂、石的实际含水情况进行修正，修正后的配合比称为施工配合比。

现假定工地上砂的含水率为a％，石子的含水率为b％，则施工配合比中1m³混凝土各项材料的实际称量可按下式进行计算：

C'=C　　（3-12）

S'=S（1+a％）　　（3-13）

G'=G（1+b％）　　（3-14）

W'=W-S·a％-G·b％　　（3-15）

式中，C'、W'、S'、G'为施工配合比中1m³混凝土中的水泥、水、砂子、石子的实际称量，kg。