混凝土配合比的设计与优化选择
1引言
混凝土作为重要的建筑施工材料，多用于建设工程的重要部位，优化设计混凝土配合比，不仅对于保证工程质量和便于工程施工具有重大意义，而且从节约材料方面具有很大的经济意义。
2混凝土配合比设计概述及原材料选择
混凝土是由水泥、砂子、石子及水等构成，混凝土中各组成材料之间的比例关系称为混凝土配合比，确定这种数量比例关系的工作，称为混凝土配合比设计。混凝土配合比设计是实现预拌混凝土性能的一个重要过程，也是保证预拌混凝土质量的重要环节。混凝土施工配合比是以试验配合比为基础确定的，而试验配合比是在确定了混凝土试配强度后，按照规范进行设计确定。
2.1混凝土配合比设计依据
混凝土配合比，参照现行《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），并应通过设计和试配确定。试配时应使用施工中实际采用的原材料，配制的混凝土拌合物的和易性、凝结时间等应满足《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016）中相应条款的要求，制成的混凝土试件应符合强度、耐久性等质量要求。
2.2混凝土配合比设计要求
混凝土配合比设计应满足以下四项基本要求，即：①满足结构设计的强度等级要求和混凝土试配强度；②满足混凝土施工所要求的坍落度、和易性；③满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求；④符合经济性原则，即节约水泥以降低混凝土成本。
2.3原材料的选择
2.3.1水泥
水泥是决定混凝土强度等级的主要胶凝材料，具有粘结和填充粗骨料空隙的作用，同时为了降低成本，应在强度满足施工要求的条件下，尽量减少水泥用量。本次设计选用河北燕新P.O42.5水泥，所检指标符合相关规范中的技术要求。
2.3.2骨料
骨科必须坚硬、致密、耐久、无裂隙。混凝土的细骨料：粒径在0.16～5mm之间的骨料。按形成条件分为天然砂、人工砂；按细度模数分为粗砂、中砂、细砂和特细砂。本次设计选用的是涞水天然砂，中砂，含泥量≤3%。混凝土的粗骨料：粒径大于5mm的骨料。普通混凝土常用卵石和碎石作粗骨料。本次设计选用的是涞水5～25mm连续级配的碎石，含泥量≤1%。
2.3.3掺合料
掺合料包括粉煤灰和矿粉，混凝土中加入掺合料能降低混凝土的水化热，防止出现裂缝，同时还能减少胶凝材料中水泥用量，节约成本。本次设计选用的是Ⅱ级F类粉煤灰和S95级高炉矿渣粉。
2.3.4外加剂
为了提高混凝土的施工性能、加快施工进度，改善混凝土拌合物的和易性，可在混凝土中加入少量的外加剂。本次设计选用的是聚羧酸高性能减水剂。
2.4混凝土配合比设计原则
混凝土配合比设计就是确定水泥、水、砂与石用量之间的比例关系。水胶比、单位用水量和砂率是混凝土配合比设计的三个基本参数。基本参数确定的原则：在满足混凝土强度和耐久性的基础上，确定混凝土的水胶比，在满足混凝土施工要求的和易性基础上，根据粗骨料的种类和规格确定单位用水量；砂率应以砂在骨料中的数量填充石子空隙后略有富余的原则来确定。
3混凝土配合比计算
混凝土配合比设计，以计算1m3混凝土中各组成材料用量为基准，计算时骨料应以干燥状态为准。本文以C25混凝土配合比为例进行设计、计算。
3.1确定试配强度
当混凝土的设计强度等级小于C60时，试配强度应按下式确定：fcu,0≥fcu,k+1.645σ（1）
式中：fcu,0——混凝土配制强度（MPa）；
fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值，取混凝土的设计强度等级值（MPa）；
Σ——混凝土强度标准差（MPa）。
当设计强度等级为C25时，σ取5.0，经计算得，试配强度为33.2MPa。
3.2计算水胶比
当混凝土的设计强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算：
式中：W/B——混凝土水胶比；
αa，αb——回归系数，按规范分别取0.53、0.20；
fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度（MPa）。
fb=γfγsfce（3）
式中：γf，γs——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数，查表分别取0.85、1.00；
fce——水泥28d胶砂抗压强度（MPa）。
当水泥28d胶砂抗压强度（fce）无实测值时，可按下式计算：
fce=γcfce,g（4）
式中：γc——水泥强度等级的富余系数，查表取1.16；
fce,g——水泥强度等级值（MPa）。
经计算，水胶比为0.59。
3.3选取用水量（mw0）
根据碎石最大粒径25mm和坍落度180±20mm的要求，查表选取用水量：mw0′=230kg/m3
外加剂减水率：β=25%，则mw0=mw0′（1-β）（5）
经计算得，mw0′=172kg/m3
3.4胶凝材料用量（mb0）
mb0=mw0W/B（6）
经计算得，mb0=292kg/m3
3.5水泥及掺合料用量
粉煤灰掺量为20.0%，则粉煤灰用量=292×20.0%=58kg/m3矿粉掺量为20.0%，则矿粉用量=292×20.0%=58kg/m3则水泥用量为176kg/m3
3.6外加剂用量
外加剂掺量：βa=2.0%，则
ma0=mb0βa（7）
经计算得，ma0=5.84kg/m3
3.7选取砂率（βs）
根据碎石最大粒径25mm，水胶比0.59，及以往试配经验，选取砂率βs=44%。
3.8确定砂石重量（质量法）
mf0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp（8）
式中：mf0——每立方米混凝土的掺合料用量；
mc0——每立方米混凝土的水泥用量；
mg0——每立方米混凝土的粗骨料用量；
ms0——每立方米混凝土的细骨料用量；
mw0——每立方米混凝土的用水量；
mcp——每立方米混凝土拌合物的假定重量，其值可取2350～2450kg/m3。
取mcp=2400kg/m3，经计算得，砂、石重量分别为852kg/m3、1084kg/m3。
3.9设计理论配合比确定
经试配，混凝土拌合物和易性良好，无泌水、离析现象，坍落度满足设计要求。因此，确定设计的理论配合比为基准配合比。
4试配调整与配合比确定
4.1配合比试拌
混凝土配合比优化设计应采用三个不同水胶比的配合比，另外两个宜较基准配合比的水胶比分别增加和减少0.05，用水量应与基准配合比相同，砂率可分别增加和减少1%，得到不同水胶比的配合比如表2所示。
4.2试配结果
经试配，三个水胶比的配合比，拌合物的和易性良好，试配结果如表3所示，不同水胶比的28d抗压强度如图1所示。根据试配结果，三组试配配合比抗压强度与水胶比有很好的相关性，试配编号为01的配合比，28d龄期抗压强度达不到配制强度要求；试配编号为02的配合比略大于配制强度；试配编号为03的配合比，水泥用量较大，不利于节约工程成本。因此，选用试配编号为02的配合比作为工程实际施工配合比。
混凝土配合比是决定混凝土强度的一项重要技术指标，合理的配合比设计应在符合相关规范中对强度、耐久性、和易性和经济性等要求的前提下，确定各种材料的用量，获得最为经济、适用的混凝土配合比。混凝土配合比优化设计是在理论、经验双重指导下的实践性过程，为了满足不同工程所需混凝土的要求，还应对混凝土配合比设计进行深入系统的研究，才能使其设计更加科学合理。