［摘 要］为了探索按耐久性、工作性设计的泵送混凝土配合比，本文依据现行规范，应用“全计算法”的体积模型和关系式，通过用“胶材用量”、“浆体体积”、“干砂浆体积”代表水胶比、浆骨比、砂石比参数，建立了混凝土中石子、砂、水和胶凝材料各组份之间的联系，提出一种基于规范的泵送混凝土配合比“选择计算法”。该方法具有简捷、易学、适用的特点。试验表明：该方法设计的泵送混凝土配合比的耐久性、工作性指标与期望值具有良好的一致性。
［关键词］规范；混凝土配合比；胶材用量；浆体体积；干砂浆体积；选择计算法
0 引言
混凝土配合比设计，是满足工程设计与施工要求、保证工程质量与经济合理的重要前提，是混凝土原材料选择、配合比计算、性能设计和性能检测体系中的重要环节。根据工程实际，在符合相关标准、规程、规范给出的耐久性、力学性能要求的前提下，结合对工作性、经济性的追求，人们可以探索适用的混凝土配合比设计方法。
“全计算法”[2]和其它几种基于工作性的混凝土配合比设计方法[1-5]都是以浆骨比为中心进行设计，只是水胶比、砂石比参数的选择和计算方法略有不同。用这几种不同的方法分别进行系列的（C15～C45）泵送混凝土试验，可观察到它们的共同规律：水胶比相同、矿物掺合料掺率相同时，只要浆体体积相同，胶材用量、用水量就相同，混凝土的工作性、力学性也基本相同；随着混凝土强度等级的增加，水胶比降低，胶材用量、石子用量及浆体体积增加，砂率相应减小，而干砂浆体积几乎是一个常数。因此，研究胶材用量、浆体体积、干砂浆体积在混凝土配合比设计中的应用，对探索以耐久性、工作性为目标，选择混凝土配合比的设计参数，有着重要意义。为此，本文提出一种基于 GB/T 50746－2008《混凝土结构耐久性设计规范》和 CCPA－S001－2012《结构混凝土性能技术规范》，应用 “全计算法”体积模型和关系式，选择胶材用量、浆体体积、干砂浆体积、矿物掺合料掺量、外加剂掺量为设计参数，进行泵送混凝土配合比设计的“选择计算法”。
1 “选择计算法”的设计思路和技术路线
“选择计算法”的设计思路是：以 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比设计规程》[9]的设计流程为基础，以GB/T 50476－2008《混凝土结构耐久性设计规范》和 CCPA－S001－2012《结构混凝土性能技术规范》为依据，应用“全计算法”的体积模型和计算公式，以耐久性、力学性、工作性、经济性为目标，遵循“最小水泥用量、最小胶凝材料用量和最小浆骨比”原则，用“胶材用量”、“浆体体积”、“干砂浆体积”作水胶比、浆骨比、砂石比的最佳参数，进行泵送混凝土配合比的设计。
“选择计算法”是采用“选择－计算－试配”的技术路线，根据工程设计的混凝土性能技术要求，确定泵送混凝土的原材料和配合比各参数：根据混凝土结构的环境条件和施工季节，依据 GB/T 50746－2008《混凝土结构耐久性设计规范》确定胶凝材料的组成，依据 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比设计规程》[9]规定，按最小水泥用量原则，选择“矿物掺合料掺率”；根据胶凝材料及砂石料的品质， 依据GB/T 50746－2008《混凝土结构耐久性设计规范》规定，按最小胶凝材料用量原则，选择“胶材用量”；依据 CCPA－S001－2012《结构混凝土性能技术规范》规定，按最小浆骨比原则，选择“浆体体积”；依据砂石料质量检测数据，按“全计算法”的数据表，选择“干砂浆体积”；依据外加剂饱和掺量试验数据，选择“外加剂掺量”；将配合比参数的初选值代入关系式，采用绝对体积法进行简单“计算”，使各种材料用量具体化后得到“计算配合比”；对计算配合比进行和易性“试配”，提出“试拌配合比”；在试拌配合比的基础上进行混凝土强度和耐久性试验，并进行表观密度的检测与校正，确定“设计（试验室）配合比”。
2 “选择计算法”的设计步骤
设计计算配合比是整个混凝土配合比设计的重要一步。配合比设计计算，是在掌握资料（原材料性能参数、基础试验实测数据）的基础上，根据相关理论、标准、规程、规范和经验等选取一些参数，计算各种成份的用量。以下是“选择计算法”设计计算配合比的具体步骤。
2.1 矿物掺合料掺量的选择
根据具体工程的技术要求，依据 GB/T 50746－2008《混凝土结构耐久性设计规范》附录 B.1 确定胶凝材料的组成，按 JGJ55－2011《普通混凝土配合比设计规程》中表 3.0.5-1 规定，选择钢筋混凝土中矿物掺合料掺量，并结合自己实测多元复合胶砂强度数据，进行相应调整。
表 3.0.5-1 钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量
矿物掺合料种类
水胶比
最大掺量 (%)
采用硅酸盐水泥时
采用普通硅酸盐水泥时
粉煤灰
≤0.40
45
35
＞0.40
40
30
粒化高炉矿渣粉
≤0.40
65
55
＞0.40
55
45
钢渣粉
－
30
20
磷渣粉
－
30
20
硅灰
－
10
10
复合掺
合料
≤0.40
65
55
＞0.40
55
45
2.2 胶材用量的选择
根据具体工程的技术要求，按 GB/T 50746－2008《混凝土结构耐久性设计规范》 附录 B.1.1“单位体积混凝土的胶凝材料用量宜控制在表 B.1.1 规定的范围内”，选择胶凝材料的最大用量作为初选胶材用量，然后依次减少 20kg，取 3 个胶材用量进行配合比的计算。
2.3 浆体体积的选择
依据 CCPA－S001－2012《结构混凝土性能技术规范》[8] 中 6.2 条“对于泵送混凝土，不同等级混凝土最大浆骨比可按表 3 选择”的原则，初步选择浆体体积，结合自己实测砂石混合空隙率进行相应调整。
表 B.1.1 单位体积混凝土的胶凝材料用量
最低强度等级
最大水胶比
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 不同等级混凝土最大浆骨比和用水量
强度等级
1m3 混凝土中
最大浆体体积 (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 干砂浆体积的选择
根据石子最大粒径，按“全计算法”的数据表 4，进行初步选择，结合自己实测砂石空隙率、级配和细度模数，进行相应调整。
表 4 石子最大粒径与 Ves 的关系
石子最大粒径 (mm)
20
25
31.5
Ves (L/m3)
450
430
420
2.5 外加剂掺量的选择
根据同配合比砂浆外加剂饱和掺量试验数据，选择外加剂掺量。初步选择的外加剂掺量应低于饱和掺量 0.1%～0.2%。
2.6 各种材料用量的计算
“全计算法”创建的现代混凝土体积模型是：混凝土由水泥、矿物细掺料、砂、石、空气、水和外加剂等组份构成，在单位体积中：石子间的空隙由干砂浆填充，干砂浆中的空隙由水填充。其中：干砂浆由水泥、矿物细掺料、空气和砂子组成，在一定体系中，干砂浆体积是常数；浆体体积由水、水泥、矿物细掺料和空气体积组成；集料体积等于混凝土体积减去浆体体积。下列 (1)～(4) 式为“全计算法”体积模型的关系式。
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) 和外加剂用量计算公式 (5) 解联立方程，可以得出“选择计算法”计算混凝土各组份用量的计算式 (6)～(12)。将初选参数值和各组分的表观密度值，代入计算式 (6)～(12)，便可计算出混凝土各组分用量。
水泥用量： mc＝B×(1－βf) (6)
粉煤灰用量：mf＝B×βf (7)
设计用水量：
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)
外加剂用量：my＝B×βy (11)
实际用水量：mw＝W－my(1―Py) (12)
其中：
Vw、 Vc、Vf、Va、Vs、Vg——分别表示水、水泥、粉煤灰、空气、砂、石体积，不加引气剂时，空气体积按 Va＝10L/m3 计算。
ρw、ρc、ρf、ρs、ρg ——分别表示水、水泥、粉煤灰、砂、石的表观密度。水的表观密度按 ρw＝1kg/L 计算，砂、石的表观密度为饱和面干状态下的表观密度。
mw、mc、mf、ms、mg、my ——分别表示水、水泥、粉煤灰、砂、石、外加剂的用量。
W、Py —分别表示设计用水量、液体外加剂含固率。
3 “选择计算法”的设计示例
以下以设计 C45 大流动性泵送混凝土配合比为示例，介绍“选择计算法”的具体应用。
3.1 设计计算配合比
3.1.1 配合比参数值的选择
按以上 2.1～2.5，初步选择 C45 大流动性泵送混凝土配合比参数值：浆体体积 Ve＝320L/m3，胶材用量 B ＝450kg/m3，干砂浆体积 Ves＝425L/m3，粉煤灰掺率 βf ＝25%，外加剂掺率βy ＝2.9%。试验材料中：P·O42.5 水泥，表观密度为 ρc＝3.1kg/L；Ⅰ 级粉煤灰，表观密度为ρf＝2.2kg/L；细度模数 2.75 的中砂，饱和面干表观密度为 ρs＝2.67kg/L； 5～31.5mm 碎石，饱和面干表观密度为 ρg＝2.70kg/L；减水率 20% 萘系外加剂，含固率为 Py＝40% 。
3.1.2 各种材料用量及水胶比和砂率的计算
将配合比参数值和各种材料的表观密度值代入 (6)～(12) 式，求出 C45 大流动性泵送混凝土的计算配合比的各种材料用量及水胶比（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
设计用水量：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
外加剂用量：my＝B×βy ＝425×2.9%＝13.1kg/m3
实际用水量：mw＝W―my(1―Py)＝150－13.1×(1－40%)＝142kg/m3
水胶比：W/B＝150/450＝0.33
砂率：βs＝ms/(ms＋mg)＝681/(681＋1148) ＝37.2%
将计算结果列表，见表 5。
3.2 提出试拌配合比
对计算配合进行和易性试验，通过调整外加剂掺量，使混凝土拌合物的坍落度和扩展度达到目标值，就可提出试拌配合比。示例 C45 大流动性泵送混凝土试拌配合比见表 6。
表 5 C45 大流动性泵送混凝土的计算配合比 kg/m3
等级
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 大流动性泵送混凝土试拌配合比 kg/m3
等级
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 确定设计（试验室）配合比
以试拌配合比为基准进行强度、耐久性试验，并测定混凝土的表观密度。强度试验方案的配合比与试拌配合比的浆体体积、干砂浆体积、矿物掺合料掺率相同，胶材用量依次减少 20kg/m3，外加剂掺量根据同配合比砂浆扩展度试验数据进行相应调整，具体试验方案见表 7 。
表 7 C45 大流动性泵送混凝土配合比强度试验方案 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
试验方案中每个配合比的水胶比都小于 0.4，用水量都小于 170kg/m3，符合规范中耐久性指标要求；由于试验方案的浆体体积、干砂浆体积、粉煤灰掺量不变，只需对外加剂掺量作适当调整，就可满足工作性基本相同的要求；由此可见，“选择计算法”设计的泵送混凝土配合比试验方案的耐久性、工作性指标，与期望值具有良好的一致性。试验方案中胶材用量依次减少 20kg/m3 后，用水量依次增加了7kg/m3；水胶比依次增加了 0.04、0.03，砂率依次增加了 1%，这也符合传统配合比设计中砂率随水胶比变化的规律。
依据强度试验数据，建立“胶材组合—胶材用量（或水胶比）—混凝土抗压强度”数据图标，在数据图标上找出配制强度对应的胶材用量（或水胶比），重新计算各种材料用量和校正混凝土表观密度，便可确定设计（或试验室）配合比。
4 结语
（1）“选择计算法”用“胶材用量”、“浆体体积”、“干砂浆体积”代表水胶比、浆骨比、砂石比参数进行混凝土配合比的设计，改变按强度设计混凝土配合比的传统为按耐久性设计方面进行了探索。试验证明，该方法设计的混凝土配合比，其耐久性、工作性指标与期望值具有良好的一致性，通过调整胶材组成和用量就可以使力学性、经济性得到优化。
（2）“选择计算法”的技术基础是基于现行规范和“全计算法”，简捷、易学且适用。因原材料具有地方特色且又不能预均化，使用该设计方法时，必须检测原材料的性能参数。参考胶砂实测抗压强度值调整矿物掺合料掺量，参考实测砂石混合空隙率调整浆体体积，参考实测石子空隙率调整干砂浆体积，可减少试配次数，提高设计方案的准确率。
（3）“选择计算法”进行泵送混凝土配合比设计时，各参数取值范围有规范和“全计算法”可依据。通过对文献中试验数据的分析计算，不难得出其它流变类型中浆体体积、干砂浆体积的合理取值区间，用“选择计算法”设计其它流变类型的混凝土配合比也是可行的。对前人的研究成果进行综合加工，形成一套新的方法，也是一种有益的探索。
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