［摘 要］為了探索按耐久性、工作性設計的泵送混凝土配合比，本文依據現行規範，應用“全計算法”的體積模型和關係式，通過用“膠材用量”、“漿體體積”、“幹砂漿體積”代表水膠比、漿骨比、砂石比參數，建立了混凝土中石子、砂、水和膠凝材料各組份之間的聯繫，提出一種基於規範的泵送混凝土配合比“選擇計算法”。該方法具有簡捷、易學、適用的特點。試驗表明：該方法設計的泵送混凝土配合比的耐久性、工作性指標與期望值具有良好的一致性。
［關鍵詞］規範；混凝土配合比；膠材用量；漿體體積；幹砂漿體積；選擇計算法
0 引言
混凝土配合比設計，是滿足工程設計與施工要求、保證工程質量與經濟合理的重要前提，是混凝土原材料選擇、配合比計算、性能設計和性能檢測體系中的重要環節。根據工程實際，在符合相關標準、規程、規範給出的耐久性、力學性能要求的前提下，結合對工作性、經濟性的追求，人們可以探索適用的混凝土配合比設計方法。
“全計算法”[2]和其它幾種基於工作性的混凝土配合比設計方法[1-5]都是以漿骨比為中心進行設計，只是水膠比、砂石比參數的選擇和計算方法略有不同。用這幾種不同的方法分別進行系列的（C15～C45）泵送混凝土試驗，可觀察到它們的共同規律：水膠比相同、礦物摻合料摻率相同時，只要漿體體積相同，膠材用量、用水量就相同，混凝土的工作性、力學性也基本相同；隨著混凝土強度等級的增加，水膠比降低，膠材用量、石子用量及漿體體積增加，砂率相應減小，而幹砂漿體積幾乎是一個常數。因此，研究膠材用量、漿體體積、幹砂漿體積在混凝土配合比設計中的應用，對探索以耐久性、工作性為目標，選擇混凝土配合比的設計參數，有著重要意義。為此，本文提出一種基於 GB/T 50746－2008《混凝土結構耐久性設計規範》和 CCPA－S001－2012《結構混凝土性能技術規範》，應用 “全計算法”體積模型和關係式，選擇膠材用量、漿體體積、幹砂漿體積、礦物摻合料摻量、外加劑摻量為設計參數，進行泵送混凝土配合比設計的“選擇計算法”。
1 “選擇計算法”的設計思路和技術路線
“選擇計算法”的設計思路是：以 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》[9]的設計流程為基礎，以GB/T 50476－2008《混凝土結構耐久性設計規範》和 CCPA－S001－2012《結構混凝土性能技術規範》為依據，應用“全計算法”的體積模型和計算公式，以耐久性、力學性、工作性、經濟性為目標，遵循“最小水泥用量、最小膠凝材料用量和最小漿骨比”原則，用“膠材用量”、“漿體體積”、“幹砂漿體積”作水膠比、漿骨比、砂石比的最佳參數，進行泵送混凝土配合比的設計。
“選擇計算法”是採用“選擇－計算－試配”的技術路線，根據工程設計的混凝土性能技術要求，確定泵送混凝土的原材料和配合比各參數：根據混凝土結構的環境條件和施工季節，依據 GB/T 50746－2008《混凝土結構耐久性設計規範》確定膠凝材料的組成，依據 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》[9]規定，按最小水泥用量原則，選擇“礦物摻合料摻率”；根據膠凝材料及砂石料的品質， 依據GB/T 50746－2008《混凝土結構耐久性設計規範》規定，按最小膠凝材料用量原則，選擇“膠材用量”；依據 CCPA－S001－2012《結構混凝土性能技術規範》規定，按最小漿骨比原則，選擇“漿體體積”；依據砂石料質量檢測數據，按“全計算法”的數據表，選擇“幹砂漿體積”；依據外加劑飽和摻量試驗數據，選擇“外加劑摻量”；將配合比參數的初選值代入關係式，採用絕對體積法進行簡單“計算”，使各種材料用量具體化後得到“計算配合比”；對計算配合比進行和易性“試配”，提出“試拌配合比”；在試拌配合比的基礎上進行混凝土強度和耐久性試驗，並進行表觀密度的檢測與校正，確定“設計（試驗室）配合比”。
2 “選擇計算法”的設計步驟
設計計算配合比是整個混凝土配合比設計的重要一步。配合比設計計算，是在掌握資料（原材料性能參數、基礎試驗實測數據）的基礎上，根據相關理論、標準、規程、規範和經驗等選取一些參數，計算各種成份的用量。以下是“選擇計算法”設計計算配合比的具體步驟。
2.1 礦物摻合料摻量的選擇
根據具體工程的技術要求，依據 GB/T 50746－2008《混凝土結構耐久性設計規範》附錄 B.1 確定膠凝材料的組成，按 JGJ55－2011《普通混凝土配合比設計規程》中表 3.0.5-1 規定，選擇鋼筋混凝土中礦物摻合料摻量，並結合自己實測多元複合膠砂強度數據，進行相應調整。
表 3.0.5-1 鋼筋混凝土中礦物摻合料最大摻量
礦物摻合料種類
水膠比
最大摻量 (%)
採用硅酸鹽水泥時
採用普通硅酸鹽水泥時
粉煤灰
≤0.40
45
35
＞0.40
40
30
粒化高爐礦渣粉
≤0.40
65
55
＞0.40
55
45
鋼渣粉
－
30
20
磷渣粉
－
30
20
硅灰
－
10
10
複合摻
合料
≤0.40
65
55
＞0.40
55
45
2.2 膠材用量的選擇
根據具體工程的技術要求，按 GB/T 50746－2008《混凝土結構耐久性設計規範》 附錄 B.1.1“單位體積混凝土的膠凝材料用量宜控制在表 B.1.1 規定的範圍內”，選擇膠凝材料的最大用量作為初選膠材用量，然後依次減少 20kg，取 3 個膠材用量進行配合比的計算。
2.3 漿體體積的選擇
依據 CCPA－S001－2012《結構混凝土性能技術規範》[8] 中 6.2 條“對於泵送混凝土，不同等級混凝土最大漿骨比可按表 3 選擇”的原則，初步選擇漿體體積，結合自己實測砂石混合空隙率進行相應調整。
表 B.1.1 單位體積混凝土的膠凝材料用量
最低強度等級
最大水膠比
最小用量 (kg/m3)
最大用量 (kg/m3)
C25
0.60
260
400
C30
0.55
280
－
C35
0.50
300
－
C40
0.45
320
450
C45
0.40
340
－
C50
0.36
360
480
≥55
0.36
380
500
表 3 不同等級混凝土最大漿骨比和用水量
強度等級
1m3 混凝土中
最大漿體體積 (m3)
最大用水量
(kg/m3)
C30～C50 (不含C50)
≤0.32
≤170
C50～C60 (含C60)
≤0.35
≤160
C60～C80 (不含C60)
≤0.38
≤150
2.4 幹砂漿體積的選擇
根據石子最大粒徑，按“全計算法”的數據表 4，進行初步選擇，結合自己實測砂石空隙率、級配和細度模數，進行相應調整。
表 4 石子最大粒徑與 Ves 的關係
石子最大粒徑 (mm)
20
25
31.5
Ves (L/m3)
450
430
420
2.5 外加劑摻量的選擇
根據同配合比砂漿外加劑飽和摻量試驗數據，選擇外加劑摻量。初步選擇的外加劑摻量應低於飽和摻量 0.1%～0.2%。
2.6 各種材料用量的計算
“全計算法”創建的現代混凝土體積模型是：混凝土由水泥、礦物細摻料、砂、石、空氣、水和外加劑等組份構成，在單位體積中：石子間的空隙由幹砂漿填充，幹砂漿中的空隙由水填充。其中：幹砂漿由水泥、礦物細摻料、空氣和砂子組成，在一定體系中，幹砂漿體積是常數；漿體體積由水、水泥、礦物細摻料和空氣體積組成；集料體積等於混凝土體積減去漿體體積。下列 (1)～(4) 式為“全計算法”體積模型的關係式。
Vw＋Ves＋Vg＝1000 (1)
Ves＝Vc＋Vf＋Va＋Vs (2)
Ve＝Vw＋Vc＋Vf＋Va (3)
Vs＋Vg＝1000－Ve (4)
my＝B·βy (5)
用式 (1)～(4) 和外加劑用量計算公式 (5) 解聯立方程，可以得出“選擇計算法”計算混凝土各組份用量的計算式 (6)～(12)。將初選參數值和各組分的表觀密度值，代入計算式 (6)～(12)，便可計算出混凝土各組分用量。
水泥用量： mc＝B×(1－βf) (6)
粉煤灰用量：mf＝B×βf (7)
設計用水量：
W＝Vw×ρw=（Ve－mc/ρc－mf/ρf－Va）×ρw (8)
砂用量：ms＝Vs×ρs＝（Ves－Ve＋Vw）×ρs (9)
石用量：mg＝Vg×ρg＝（1000－Vw－Ves）×ρg (10)
外加劑用量：my＝B×βy (11)
實際用水量：mw＝W－my(1―Py) (12)
其中：
Vw、 Vc、Vf、Va、Vs、Vg——分別表示水、水泥、粉煤灰、空氣、砂、石體積，不加引氣劑時，空氣體積按 Va＝10L/m3 計算。
ρw、ρc、ρf、ρs、ρg ——分別表示水、水泥、粉煤灰、砂、石的表觀密度。水的表觀密度按 ρw＝1kg/L 計算，砂、石的表觀密度為飽和麵幹狀態下的表觀密度。
mw、mc、mf、ms、mg、my ——分別表示水、水泥、粉煤灰、砂、石、外加劑的用量。
W、Py —分別表示設計用水量、液體外加劑含固率。
3 “選擇計算法”的設計示例
以下以設計 C45 大流動性泵送混凝土配合比為示例，介紹“選擇計算法”的具體應用。
3.1 設計計算配合比
3.1.1 配合比參數值的選擇
按以上 2.1～2.5，初步選擇 C45 大流動性泵送混凝土配合比參數值：漿體體積 Ve＝320L/m3，膠材用量 B ＝450kg/m3，幹砂漿體積 Ves＝425L/m3，粉煤灰摻率 βf ＝25%，外加劑摻率βy ＝2.9%。試驗材料中：P·O42.5 水泥，表觀密度為 ρc＝3.1kg/L；Ⅰ 級粉煤灰，表觀密度為ρf＝2.2kg/L；細度模數 2.75 的中砂，飽和麵幹表觀密度為 ρs＝2.67kg/L； 5～31.5mm 碎石，飽和麵幹表觀密度為 ρg＝2.70kg/L；減水率 20% 萘系外加劑，含固率為 Py＝40% 。
3.1.2 各種材料用量及水膠比和砂率的計算
將配合比參數值和各種材料的表觀密度值代入 (6)～(12) 式，求出 C45 大流動性泵送混凝土的計算配合比的各種材料用量及水膠比（W/B）、砂率（βs）如下：
水泥用量：mc＝B×(1－βf)＝450×(1－25%)＝338kg/m3
粉煤灰用量：mf＝B ×βf＝450×25% ＝112kg/m3
設計用水量：W＝Vw×ρw＝(Ve－mc/ρc－mf/ρf－Va)×ρw ＝(320―338/3.1－112/2.2－10)×1 ＝150kg/m3
砂用量：ms＝Vs ×ρs＝(Ves－Ve＋Vw)×ρs＝（425－320＋150)×2.67＝681kg/m3
石用量：mg＝Vg×ρg＝(1000－Vw－Ves)×ρg
＝(1000－150－681/2.67)×2.7＝1148kg/m3
外加劑用量：my＝B×βy ＝425×2.9%＝13.1kg/m3
實際用水量：mw＝W―my(1―Py)＝150－13.1×(1－40%)＝142kg/m3
水膠比：W/B＝150/450＝0.33
砂率：βs＝ms/(ms＋mg)＝681/(681＋1148) ＝37.2%
將計算結果列表，見表 5。
3.2 提出試拌配合比
對計算配合進行和易性試驗，通過調整外加劑摻量，使混凝土拌合物的坍落度和擴展度達到目標值，就可提出試拌配合比。示例 C45 大流動性泵送混凝土試拌配合比見表 6。
表 5 C45 大流動性泵送混凝土的計算配合比 kg/m3
等級
B
Ｖe
(L/m3)
Ｖes
(L/m3)
βf (%)
βy (%)
W
W/B
mw
mc
mf
ms
mg
my
βs (%)
C45
450
320
425
25
2.9
150
0.33
142
338
112
681
1148
13.1
37.2
表 6 C45 大流動性泵送混凝土試拌配合比 kg/m3
等級
B
Ｖe
(L/m3)
Ｖes
(L/m3)
βf(%)
βy(%)
W
W/B
mw
mc
mf
ms
mg
my
βs (%)
C45
450
320
425
25
3.0
150
0.33
142
338
112
681
1148
13.5
37.2
3.3 確定設計（試驗室）配合比
以試拌配合比為基準進行強度、耐久性試驗，並測定混凝土的表觀密度。強度試驗方案的配合比與試拌配合比的漿體體積、幹砂漿體積、礦物摻合料摻率相同，膠材用量依次減少 20kg/m3，外加劑摻量根據同配合比砂漿擴展度試驗數據進行相應調整，具體試驗方案見表 7 。
表 7 C45 大流動性泵送混凝土配合比強度試驗方案 kg/m3
方案
B
Ｖe
(L/m3)
Ｖes
(L/m3)
βf(%)
βy(%)
W
W/B
mw
mc
mf
ms
mg
my
βs (%)
C45-1
450
320
425
25
3.0
150
0.33
142
338
112
681
1148
13.5
37.2
C45-2
430
320
425
25
2.9
157
0.37
150
323
107
700
1128
12.5
38.3
C45-3
410
320
425
25
2.8
164
0.40
157
308
102
719
1109
11.5
39.3
試驗方案中每個配合比的水膠比都小於 0.4，用水量都小於 170kg/m3，符合規範中耐久性指標要求；由於試驗方案的漿體體積、幹砂漿體積、粉煤灰摻量不變，只需對外加劑摻量作適當調整，就可滿足工作性基本相同的要求；由此可見，“選擇計算法”設計的泵送混凝土配合比試驗方案的耐久性、工作性指標，與期望值具有良好的一致性。試驗方案中膠材用量依次減少 20kg/m3 後，用水量依次增加了7kg/m3；水膠比依次增加了 0.04、0.03，砂率依次增加了 1%，這也符合傳統配合比設計中砂率隨水膠比變化的規律。
依據強度試驗數據，建立“膠材組合—膠材用量（或水膠比）—混凝土抗壓強度”數據圖標，在數據圖標上找出配製強度對應的膠材用量（或水膠比），重新計算各種材料用量和校正混凝土表觀密度，便可確定設計（或試驗室）配合比。
4 結語
（1）“選擇計算法”用“膠材用量”、“漿體體積”、“幹砂漿體積”代表水膠比、漿骨比、砂石比參數進行混凝土配合比的設計，改變按強度設計混凝土配合比的傳統為按耐久性設計方面進行了探索。試驗證明，該方法設計的混凝土配合比，其耐久性、工作性指標與期望值具有良好的一致性，通過調整膠材組成和用量就可以使力學性、經濟性得到優化。
（2）“選擇計算法”的技術基礎是基於現行規範和“全計算法”，簡捷、易學且適用。因原材料具有地方特色且又不能預均化，使用該設計方法時，必須檢測原材料的性能參數。參考膠砂實測抗壓強度值調整礦物摻合料摻量，參考實測砂石混合空隙率調整漿體體積，參考實測石子空隙率調整幹砂漿體積，可減少試配次數，提高設計方案的準確率。
（3）“選擇計算法”進行泵送混凝土配合比設計時，各參數取值範圍有規範和“全計算法”可依據。通過對文獻中試驗數據的分析計算，不難得出其它流變類型中漿體體積、幹砂漿體積的合理取值區間，用“選擇計算法”設計其它流變類型的混凝土配合比也是可行的。對前人的研究成果進行綜合加工，形成一套新的方法，也是一種有益的探索。
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