混凝土配合比中诸多关系规律的影响
现代混凝土理论与技术
作者：孙伟,缪昌文
混凝土是将碎石或卵石与砂混拌，用以水泥浆为主的胶结材料粘接在一起的人造石。它可以塑造成梁、柱、板、基础等各种结构形状，可以配制符合结构性能要求的不同强度等级与性能，而且可以与钢筋、预应力筋、增强纤维等结合成工程结构，因此它已成为当代建筑工程不可缺的最主要结构材料。随着技术的进步，在出现高效减水剂后，配制高强混凝土成为现实，混凝土日益向高强度高性能方向发展；进入20世纪90年代，人们认识到磨细掺合料的作用，逐渐重视结构物的耐久性和寿命，导致混凝土向高性能的方向发展，在施工技术方面，则向大流动性泵送的方向发展。混凝土是水泥基多元复合材料，在配制混凝土时，诸元之间的增减、比例，对混凝土各种性能的影响，存在着一定的内在规律性，如水灰比与强度的规律，以及散见于其他文献中的骨灰比、包盖系数等的论述。
在混凝土技术发展到向高强、高性能、大流动性泵送施工方向发展的今天，有必要对混凝土配合比中诸元之间的配合与混凝土施工性、强度及长期性能之间关系的规律性进行探讨。
1骨灰比关系
骨灰比，顾名思义为混凝土中集料与水泥之比。在20世纪50年代以前，按重量计算的骨灰比多在7：1～10：1之间，随着混凝土向高强、高性能方向发展，现在混凝土的骨灰比多在7：1 3.5：1之间。由于混凝土主要是由水泥加掺合料加水配成的浆体将散落的砂石混拌粘结在一起的，而且浆体的多少、稀稠，是否能包裹住砂、石，包裹砂、石后有多少余量，对混凝土拌合物性能及后期性能都有着密切的关系，因此称之为浆骨比较合适。浆骨比的关键在于浆体量多少，配制某种强度等级的混凝土，首先要选定水泥，确定水灰比和单方用水量，自然就得出每立方米混凝土的浆体量。一般不掺引气剂的混凝土含气量约为1％，则9901减去浆体体积即为每立方米混凝土的集料体积。
2砂浆与粗集料之间的关系
配制混凝土有一个概念，即砂浆在填满粗集料的空隙后应有一定的富余量，以利于混凝土的流动性。砂浆体积与粗集料空隙体积之比称为砂浆富余系数。有的文献称为包盖系数或拨开系数，如下式所示：a=Vm／Vg式中，a一砂浆富余系数；vm一为砂浆体积(L)；Vg—一为粗集料空隙体积(L)。
砂浆富余系数越大，混凝土坍落度越大，流动性越好。干硬性混凝土的砂浆富余系数仅为1.1左右，坍落度为10~30mm的低塑性混凝土的砂浆富余系数为1.3左右，坍落度为70 90mm的塑性混凝土的砂浆富余系数为1.5左右，坍落度为130 150mm的流动性混凝土的砂浆富余系数为1.7左右，而坍落度为180～200mm的高流动性混凝土的砂浆富余系数为2.0左右。
3粗集料与砂率的关系
从现行的《普通混凝土设计规程》中看出，砂率是水灰比的函数，是因为水灰比越小，混凝土的强度越高；水泥用量越多浆体量也越多，配置数量大体相同的砂浆所用的砂量就少的缘故。在具体工程中要根据设计要求，施工和易性等需要，选定了水泥、掺合料、水胶比和单方用水量，这样每立方混凝土的浆体体积就确定了。余下的就是粗细骨料的体积。如何正确选定工程混凝土的最合适砂率，则与砂石的粒径、级配相关。
4粗集料物性与配合比的关系
如上所述，在设计混凝土配合比时，通过选定水泥、掺合料品种、水胶比及加水量，得出浆体量，又通过测试石子空隙率，选定单方石子用量和相应的砂率，混凝土配合比就初步形成了。鉴于细集料一砂是混凝土的重要组成部分，砂的级配、空隙率和细度对于配制性能优良的混凝土，同样不可忽视。但是在混凝土配合比中，砂与浆体的关系和粗集料与砂浆的关系却有着根本性的不同。由于天然砂的级配都比较好，空隙率基本在33％～38％之间，浆体在填充砂空隙以后，往往余量很多。而优质混凝土一方面要求浆体能充分包裹住砂，另一方面又不希望存在没有细集料做支撑的多余浆体。由于砂的特点是细度细，比表面积大，细度模数低一些的砂较细度模数高一些的砂的比表面积明显增大，所消耗的浆体量显著增多，因此，对于一定量的浆体，砂粒细时，就需要减少砂用量，浆体才足以包裹住砂；砂粒粗时，必须增加砂率，砂粒才能充分占有浆体，避免出现没有砂支撑的多余浆体。配置时要经过反复多次试验，在配制混凝土时大体有以下规律：即用上述方法求出的砂率，基本上符合细度模数为2.5的中砂。砂子细度模数每减少0.1，在配制混凝土时宜减少1％的砂率，以利于浆体充分包裹住砂粒。反之砂细度模数每增加0.1，混凝土的砂率宜增加1％，以避免出现没有细集料支撑的浆体。
如某工程混凝土设计的浆体量为330L，粗集料的空隙率为40％，要配置坍落度为180mm的大流动性混凝土，采用石子每立方米量为1 150/千克，石子实体积为1 150/2.7=426L，则砂浆体积为1000—426=574L砂浆含气12L，砂浆体积则是574—12—330=232L，重量为232～2.65=615kg／m。此时的砂率为615／(1 150+615)～100％=34.8％。所用砂的细度模数为2.7，这样就需要将砂率提高到37％，砂用量应改变成1770×37％=655kg/m3，石量调为1115kg/m3。
结语
现从混凝土配合比相互关系中进行探讨分析，从这些规律性中可以初步得出配制优质混凝土应遵循的原则。首先是尽可能降低浆骨比值，即在符合混凝土施工性和强度等各种设计性能的基础上，尽可能减少浆体含量，增加集料含量。减少浆体量的主要方法是减少单方用水量，在水胶比不变的情况，水泥和掺合料的数量也随之降低，从而达到减少浆体含量的效果。同时可采取减水性外加剂、减水性掺合料和增加粗集料含量的方法得以实现。