混凝土配合比设计为什么这样难?

混凝土配合比设计是混凝土技术人员十分关注的内容，是混凝土技术的重要组成部分，也是技术人员的核心技术能力体现。所谓的“混凝土配合比设计”就是按照要配制的混凝土性能要求，各种原材料按照某种比例要求使各种原材料的相互配合，相互影响，最终达到各组分的调整引起混凝土性能“质”的变化。

在混凝土企业生产过程中不单单是从C10～C60这11个配合比，如果考虑到上述多种因素，混凝土配合比将多达上百个，如，强度等级为C30的混凝土配合比C30梁板柱、C30道路、C30钻孔桩、C30大体积、C30斜屋面、C30细石等多达6个以上，再加上满足抗渗、自密实等不同性能要求的C30混凝土。再加上根据季节和气温变化调整的配合比就更多，此外，还要根据原材料的动态变化调整混凝土配合比，任何一种原材料的异常变化，都可能使制备的混凝土性能产生较大波动，可谓“牵一发而动全身”。因此，在进行混凝土配合比设计时，要考虑的问题不仅仅考虑原材料的因素，还要考虑混凝土工程的结构特点，施工工艺，气候温度，运输距离等因素，涉及的问题多达10余个相关因素，其中的复杂性，只有常年直接从事生产一线的技术人员才能体会得到。混凝土配合比设计也是入门不难，真正弄懂混凝土配合比设计的特点，做到在任何复杂的情况下，既保证质量，又能降低成本，的确是一件不容易的事。

（一）混凝土工作性

（1）外加剂掺量

现在商品混凝土中普遍使用外加剂，外加剂可以改善混凝土的工作性和匀质性，提高混凝土的密实性，降低水胶比，提高强度。在配合比设计时，一定要充分了解外加剂的性能和减水率，选择事宜的外加剂掺量。外加剂掺量不宜过低，掺量过低造成混凝土流动性差、保坍性差，施工过程中不易振捣密实，容易出现空洞、蜂窝和麻面。但外加剂掺量也不宜过高，掺量过高会造成混凝土离析、泌水现象，分层严重破坏混凝土的匀质性，造成混凝土稳定性差，甚至出现长时间缓凝现象。因此，在混凝土配合比设计时，根据混凝土工作性要求，选择合适的外加剂掺量以获得适宜工作性且匀质性良好的混凝土。

（2）用水量

传统的混凝土没有使用减水剂，提高用水量是实现增加坍落度的有效手段。而如今混凝土普遍使用外加剂，改变混凝土坍落度的大小不在依靠用水量，通过改变外加剂掺量就可以实现混凝土坍落度的调整，即使在用水量很低的情况下也可以获得满意的坍落度，换句话说，用水量不在是实现混凝土坍落度的调整的唯一手段。但用水量也不是越低越好，在水胶比一定的情况下，随着用水量的降低，胶凝材料用量也随之减少。从配合比设计的经济性考虑，用水量越低，胶凝材料用量越少，混凝土经济性能越好。但在混凝土拌合物中骨料的表面需要浆体的包裹、润滑克服颗粒间的摩擦力，包裹在骨料表面的浆体越厚越利于改善混凝土的工作性，但浆体也不宜过多，过多会造成混凝土稳定性差，收缩大，不利于混凝土耐久性，也不利于混凝土配合比设计的经济性原则。因此，为了满足混凝土工作性要求，需要有适宜的浆体，用水量不是越低越好，也不是越高越好，要保持与工作性适宜的用水量。

（3）砂率

砂率的变动，会使骨料的空隙率和骨料的总表面积有显著改变，因而对混凝土拌合物的工作性产生显著的影响。石子在混合物中起骨架的作用，而浆体、砂子是充填骨料，浆体包裹着砂、石使其均匀分布处于悬浮状态，不发生分层、离析，这样，才能使混凝土具有良好的工作性。

如果砂率过大，骨料的总表面积及空隙率都会增大，在浆体含量不变的情况下，相对地浆体显得少了，减弱了浆体的润滑作用，导致混凝土拌合物的流动性降低，影响混凝土拌合物的工作性，在施工过程中影响混凝土的浇筑质量和强度，进而影响结构物的承载力。如果砂率过小，又不能保证粗骨料之间有足够的砂浆层，也会降低混凝土拌合物的流动性，并严重影响其粘聚性和保水性，在混凝土的浇筑过程中容易造成离析、流浆现象。因此，砂率既不能过大，也不能过小，应有一个合理值称为合理砂率。当砂率适宜时，砂不但填满石子间的空隙，而且还能保证粗骨料间有一定厚度的砂浆层，以减少粗骨料间的摩擦阻力，使混凝土拌合物有较好的流动性。采用合理砂率时，在有相同坍落度的情况下，能使混凝土拌合物获得所要求的流动性及良好的粘聚性和保水性，而使水泥用量为最少，也就是说混凝土拌合物中合理的砂率可以节约胶凝材料用量，降低成本。在配置混凝土时，合理砂率可通过试验、计算、查表等方法确定。

（4）存放时间和环境温度

搅拌后的混凝土拌合物，随着时间的延长而逐渐变得干稠，坍落度减小，工作性变差。其原因是一部分水已与水泥水化，一部分水被骨料吸收，一部分水蒸发，以及混凝土凝聚结构的逐渐形成，致使混凝土拌合物的流动性变差，主要表现在混凝土的运输时间、浇筑时间、振捣时间上。

混凝土拌合物的工作性也受温度的影响。因为环境温度升高，水分蒸发及水化反应加快，相应使流动性降低，坍落度损失加快，影响混凝土的浇筑质量。因此施工中为保证混凝土的工作性，必须注意环境温度的变化，采用相应的搅拌和养护措施。混凝土拌合物从搅拌机中卸出到浇筑完毕延续时间与温度的控制要符合试验要求：浇筑混凝土时的温度低于25℃时，混凝土的浇筑时间易控制在2h以内，如果高于25℃时，易控制在90min，以免影响混凝土拌合物的工作性，而影响到混凝土的浇筑质量。

另外搅拌时间也会对混凝土拌和物的工作性有影响，搅拌时间不足，搅拌不均匀，拌和物的工作性就差，同时也会影响混凝土的质量。

（二）强度

尽管混凝土强度的高低不再是衡量混凝土质量好坏的唯一指标，强度是保证混凝土结构工作的重要保证。影响混凝土强度的因素很多，主要要以下几种。

（1）胶凝材料强度与水胶比

胶凝材料强度的高低与水泥性能、矿物掺合料品种以及掺加比例有很好的相关性，在水胶比一定的情况下，胶凝材料强度可以通过改变水泥与矿物掺合料掺量来调整，胶凝材料强度直接决定混凝土的强度；在胶凝材料使用比例不变的情况下，即胶凝材料强度不变，可以通过改变水胶比来改变混凝土强度，水胶比越小，混凝土强度越高。由此可见，在配合比设计时，调整某一特定龄期（一般指28d）的混凝土强度，可以通过改变水胶比或者改变胶凝材料强度（即改变水泥和掺合料的比例）来实现。

（2）骨料的种类

水泥石与骨料的粘结强度取决于骨料的表面状况，一般来说，骨料表面光滑，水泥石与骨料粘结强度差，混凝土强度也偏低。相反骨料表面粗糙可以增强水泥石与骨料之间的粘结强度，提高混凝土强度。从骨料的表面状况来看，水胶比和胶凝材料相同时，使用碎石的混凝土强度一般高于卵石混凝土的强度。卵石圆滑，比表面积小，表面吸附水较少，再加上卵石表面光滑，骨料间摩擦力小。碎石多棱角，比表面积大，表面吸附水相对较多，再加上碎石表面粗糙，骨料间摩擦力大。一般来说，在用水量不变的情况下碎石混凝土的坍落度和扩展度小于卵石混凝土的坍落度和扩展度，也就是说在坍落度相同的情况下，卵石的用水量低于碎石的用水量。因此，在使用卵石配制混凝土时，应充分利用其改善混凝土工作性的优点，在保持工作性不变的情况下，降低用水量（即降低水胶比），来弥补粘结强度弱的弱点。此外，选择骨料时还须注意骨料最大粒径。

  （三）耐久性

目前，提高混凝土耐久性主要是降低用水量和胶凝材料用量，选用合适的矿物掺合料以及外加剂降低内部毛细孔，增强界面的黏结性等方面考虑。要实现混凝土配制时减少拌合水与水泥浆量，技术途径主要有：①选用良好级配和粒形的粗骨料；②掺加减水剂；③掺加低需水量比的矿物掺合料。

（1）耐久性对胶凝材料的要求

在混凝土胶凝材料体系中，掺加矿物掺合料可以提高混凝土结构的化学稳定性和抵抗化学侵蚀的能力，降低内部缺陷，提高密实性

（2）增强界面的黏结性

粗骨料颗粒和水泥浆体之间存在过渡区，浆骨界面是整个混凝土结构中的薄弱环节，强化骨料与水泥浆界面黏结是提高耐久性的重要措施。降低水泥用量、增加矿物掺合料的方式可以有效降低界面水胶比，提高密实性，减少氢氧化钙富集现象。

（3）合理选择水泥品种

一般来说，C₃A含量越高的水泥越容易开裂。因此，应避免使用C₃A和碱含量高的水泥。我国开发有中热、低热、高贝利特等特种水泥，具有低水化热、高抗裂、高耐久的特点。

（4）降低毛细孔渗透性

毛细孔的渗透性越强，对混凝土的耐久性危害越大。降低拌合水量，掺加矿物掺合料能够使孔隙变细且减少，能有效降低电通量和氯离子扩散系数。

（5）掺用引气剂

在混凝土中使用引气剂，一方面引入微小封闭气泡，不仅可以有效提高混凝土抗渗性、抗冻性；另一方面可以明显提高混凝土抗冻性和抗化学侵蚀能力。混凝土中的引入达到微小气泡可以缓解部分内部应力，抑制裂纹生成和扩展。引气剂还可以明显改善混凝土的和易性，提高混凝土的匀质性。

（6）防止钢筋锈蚀

碳化和氯盐侵蚀是混凝土中钢筋腐蚀的主要原因，对混凝土耐久性危害最大。要严格控制混凝土骨料、拌合水中的氯离子含量，防止含氯盐混凝土碳化时氯离子向钢筋表面富集加速钢筋腐蚀。此外，还要提高混凝土密实度，降低氯离子渗透量和混凝土碳化速度，防止碳化引起的钢筋腐蚀。

（四）经济性

经济性原则是配合比设计时要考虑的重要原则，如何降低成本，实现混凝土的经济性能是配合比技术人员必须思考的问题。

（1）采用矿物掺合料双掺、多掺技术

利用矿物掺合料与水泥在价格上的差异，采用矿物掺合料双掺、多掺技术设计配合比是实现混凝土经济性的重要手段。商品混凝土设计时采用矿物掺合料双掺、多掺技术，有利于不同掺合料的性能相互叠加，发挥出良好的综合效应。但商品混凝土配合比设计时，应充分考虑各种掺合料独特的作用和特点，应根据工程、气候温度等因素合理选用矿物掺合料品种和掺量，不能单纯为了降低成本而一味地增加矿物掺合料的掺量。

（2）改善骨料级配降低空隙率

混凝土是由浆体体积填充骨料形成的空隙形成的密实结构，骨料的空隙率是有细骨料的空隙率乘以粗骨料的空隙率得到的。浆体体积的用量是混凝土经济性的直接影响因素，浆体用量越高，混凝土的经济性越差。降低骨料的空隙率是实现降低浆体用量的有效手段，在配合比设计时，应通过不同粒径（细度模数）的骨料复配技术，降低骨料的空隙率。

（3）采用新技术、新材料

随着混凝土技术的进步和发展，新技术、新工艺和新材料不断涌现，在配合比设计时运用新技术，采用新材料降低混凝土的成本，也是实现经济性的一种重要手段。例如，选用增效剂（强效剂、减胶剂等）降低胶凝材料用量，提高混凝土的经济性。选用引气型高效减水剂适当提高混凝土含气量，改善混凝土和易性，降低浆体用量。