水泥混凝土配合比设计
一、概述
混凝土吉各组成材料用量之比即为混凝土的配合比。混凝土配合比设计就是根据原材料的性能和对混凝土的技术要求，通过计算和试配调整，确定出满足工程技术经济指标的混凝土各组成材料的用量。本节阐述水泥、水、细集料和粗集料四组分的组成设计。
1.混凝土配合比表示方法
水泥混凝土配合比表示方法，有下列两种：
1)单位用量表示法
以每1㎡混凝土中各种材料的用量表示，例如：水泥：水：细集料：粗集料=330㎏：150㎏：706㎏：1264㎏。
2)相对用量表示法
以水泥的质量为1，并按“水泥：细集料：粗集料；水灰比”的顺序排列表示，例如1:2.14:3.82;W/C=0.45.
2.配合比设计的基本要求
混凝土配合比设计，应满足下列四项基本要求：
1)满足结构物设计强度的要求
不论混凝土路面或桥梁，在设计时都会对不同的结构部位提出不同的“设计强度”要求。为了保证结构物的可靠性，采用一个比设计强度高的“配制强度”，才能满足设计强度的要求。
2)满足施工工作性的要求
按照结构物断面尺寸和形状、配筋的疏密以及施工方法和设备来确定工作性(坍落度或维勃稠度)。
3)满足环境耐久性的要求
根据结构物所处环境条件，如严寒地区的路面或桥梁、桥梁墩台在水位升降范围等，为保证结构的耐久性，在设计混凝土配合比时应考虑允许的“最大水灰比”和“最小水泥用量”。
4)满足经济性的要求
在保证工程质量的前提下，尽量节约水泥，合理地使用材料，以降低成本。
3．混凝土配合比设计的步骤
混凝土配合比设计可按下列步骤进行：
1)计算“初步配合比”
根据原始资料，按我国现行的配合比设计方法，计算初步配合比，即水泥：水：细集料：粗集料=m co：m wo：m so：m go。
2)提出“基准配合比”
根据初步配合比，采用施工实际材料，进行试拌，测定混凝土拌合物的工作性(坍落度或维勃稠度)，调整材料用量，提出一个满足工作性要求的“基准配合比”，即m ca：m wa：m sa：m ga。
3)确定“试验室配合比”
以基准配合比为基础，增加和减少水灰比，拟定几组(通常为三组)适合工作性要求的配合比，通过制备试块、测定强度，确定既符合强度和工作性要求，又较经济的试验室配合比，即m cb：m wb：m sb：m gb。
4)换算“施工配合比”
根据工地现场材料的实际含水率，将试验室配合比换算为施工配合比，即m c：m w：m s：m g。或1：m w/m c：m s/m c：m g/m c。
二、普通混凝土配合比设计方法(以抗压强度为指标的计算方法) 1．初步配合比的计算
1)确定混凝土的配制强度f cu ，o
为了使所配制的混凝土具有必要的强度保证率(即P=95%)，要求混凝土配制强度必须大于其标准值。按式(1)确定：
σ645.1+=k cu o cu f f ，， (1)
式中：f cu ，o ——混凝土的施工配制强度(MPa)；
f cu ，k ——混凝土立方体抗压强度标准值(即设计要求的混凝土强度等级) (MPa)； σ——由施工单位质量管理水平确定的混凝土强度标准差(MPa)。 混凝土标准差(σ)值按式(2)计算：
1
1
22--=
∑=n n f
n
i f i
cu cu
μσ， (2)
其中：f cu ，i ——第i 组混凝土试件立方体抗压强度值(MPa)；
μfcu ——n 组混凝土试件立方体抗压强度平均值(MPa)； n ——统计周期内相同等级的试件级数，n ≥25组。
混凝土强度标准差(σ)可根据近期同类混凝土强度资料求得，其试件组数不应少于25组。当混凝土强度等级为C20和C25级，其强度标准计算值小于2.5MPa 时，计算配制强度时的标准差应取不小于2.5MPa ；当混凝土强度等级等于或大于C30级，其强度标准差计算值小于3.0 MPa 时，计算配制强度时的标准差应取不小于3.0MPa 。
若无历史统计资料时，强度标准差可根据要求的强度等级按表1规定取用。
标准差σ值 表1
2)计算水灰比(W/C)
(1)按混凝土要求强度等级计算水灰比和水泥实际强度，根据已确定的混凝土配制强度f cu ，o ，由式(3)计算水灰比：(MPa)
??
?
??-=b W C f f ce a o cu αα， (3)
式中：f cu ，o ——混凝土配制强度(MPa)；
αa 、αb ——混凝土强度回归系数，根据使用的水泥和粗、细集料经过试验得出的灰水比
与混凝土强度关系式确定，若无上述试验统计资料时，可采用表2数值。
C/W ——混凝土所要求的灰水比； f ce ——水泥的实际强度值(MPa)。
a b 由式(3)得
ce
b a o cu ce a f f f C W
??+?=ααα， (4) 在无法取得水泥实际强度时，采用的水泥强度按式(5)计算：
k ce c ce f f ，?=γ (5)
式中：f ce ——水泥强度等级的标准值
γc ——水泥强度等级值的富余系数，该值按各地区实际统计资料确定，通常取
γc =1.00～1.13。
(2)按耐久性校核水灰比
按式(4)计算所得的水灰比，系数强度要求计算得到的结果。在确定采用的水灰经时，还应根据混凝土所处环境条件，耐久性要求的允许最大水灰比(参见表3)进行校核。如按强度计算的水灰比大于耐久性允许的最大水灰比，应采用允许的最大水灰比。
普通混凝土的最大水灰比和最小水泥用量 表3
注：①摘自《普通水泥混凝土配合比设计规程》（JTJ55-2000）；
②当用活性掺和料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最小水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量； ③配制C15及其以下等级的混凝土，可不受本表限制。
3)选定单位用水量(m wo )
(1)水灰比在0.40～0.80范围时，根据粗集料的品种、粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度，其用水量可按表5、表6选取。
干硬性混凝土的用水量(㎏/m 3
) 表5
3
注：①摘自《普通水泥混凝土配合比设计规程》（JTJ55-2000）；
②本表用水量采用中砂时的平均值。采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5～10㎏；采用粗砂时，则可减少5～
10㎏；
③掺用各种外加剂或掺合料时，用水时应相应调整。
(2)水灰比小于0.40的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土用水量应通过试验确定。 (3)流动性和大流动性混凝土的用水量则以表6中坍落度90㎜的用水量为基础，按坍落度每增大20㎜用水量增加5㎏，计算出未掺外加刘时的混凝土的用水量。
当掺外加剂时，混凝土用水量可按式6计算：
）（，ab wo ad w m m β-=1 (6)
式中：m w ，ad ——掺外加剂混凝土的单位用水量(㎏/m 3
)；
m wo ——未掺外加剂混凝土的单位用水量(㎏/m 3
)； βad ——外加剂的减水率(%)，经试验确定。 4)计算单位水泥用量(m co )
(1)按强度要求计算单位用灰量
每立方米混凝土拌合物的用水量(m wo )选定后，即可根据强度或耐久性要求和已求得的水灰比(W/C)值计算单位水泥用量。
C
W m m wo
co =
(7) (2)按耐久性要求校核单位水泥用量
根据耐久性要求，普通水泥混凝土的最小水泥用量，依结构物所处环境条件确定，见表3。按强度要求由式(7)计算得的单位水泥用量，应不低于表3规定的最小水泥用量。
5)选定砂率(βs )
(1)坍落度为10～60㎜的混凝土砂率，可根据粗骨料品种、最大粒径和混凝土拌合物的水灰比，按表7确定。
混凝土的砂率(%) 表7
注：①本表数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减小或增大砂率；
②只用一个单位级粗骨料配制混凝土时，砂率应适当增大； ③对薄壁构件，砂率取偏大；
④本表中的砂率系指砂与骨料总量的质量比。
(2)坍落度大于60㎜的混凝土砂度，可按经验确定，也可在表7的基础上，按坍落度每增大20㎜，砂率增大1%的幅度予以调整。
(3)坍落度小于10㎜的混凝土，其砂率应经试验确定。 6)计算粗、细集料单位用量(m go 、m so )
粗、细集料的单位用量，可用质量法或体积法求得。 (1)质量法
质量法又称假定表观密度法。该法是假定混凝土拌合物的表观密度为一固定值，混凝土拌合物各组成材料的单位用量之和即为其表观密度。在砂率值为已知的条件下，粗、细骨料的单位用量可由式8得
??
?
??=?++++s go so so
so wo co m
m m m m m m β100 (8) 式中：m co 、m wo 、m so 、m go ——每立方米混凝土的水泥、水、细和粗骨料和用量(㎏)； βs ——砂率(%)；
m cp ——每立方米混凝土拌合物的假定表观密度(㎏/m 3
)。其值可根据 施工单位积累的试验确定。如缺乏资料时，可根据集料的表观密度、
粒径以及混凝土强度等级，在2350～2450㎏/m 3
范围内选定。 表8可供参考。
(2)体积法
又称绝对体积法。该法是假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对体积和混凝土拌合物中所含空气体积之总和。在砂率值为已知的条件下，粗、细集料的单位用量可由式(9)的关系求得：
???
??
?
?=?+=++++s
go so so
g go
s so w wo c
co 100m m m 101.0m m m m βαρρρρ (9) 式中：βs 、m co 、、m so 、m g o ——意义同式(8)
ρc ——水泥密度(㎏/m 3)；可取2900～3100㎏/m 3
；
ρg ——粗集料的表观密度(㎏/m 3
)； ρs ——细集料的表观密度 ρw w ——水的密度，可取1000
α——混凝土的含气量百分率(%)，在不使用引气型外加剂时，
可取为1。
粗集料和细集料的表观密度ρg 、ρs 应按行业标准《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）测定（参见本书第二篇集料的表观密度试验）。
以上两种确定粗、细集料单位用量的方法，一般认为，质量法比较简便，不需要各种组成材料的密度资料，如施工单位已积累有当地常用材料所组成的混凝土假定表观密度资料，亦可得到准确的结果。体积法由于是根据各组成材料实测的密度来进行计算的，所以获得较为精确的结果。