项目四任务六 普通混凝土配合比设计（课件）- 《建筑材料》同步教学（北京理工大学出版社）

项目四任务六 普通混凝土配合比设计 项目四 混 凝 土 1  　　 　　混凝土配合比是指混凝土各组成材料数量间的关系。混凝土的组成材料主要包括水泥、粗骨料、细骨料和水。将确定这种数量比例关系的工作称为混凝土配合比设计。这种关系常用两种方法表示：一是单位用量法，以每立方米混凝土中各种材料的用量表示(例如水泥∶水∶砂∶石子=390 kg∶175 kg∶670 kg∶1220 kg)；二是相对用量法，以水泥的质量为1，并按“水泥∶砂∶石子∶水灰比(水)”的顺序排列表示(例如1∶1.72∶3.13；W/G=0.45)。 任务六 普通混凝土配合比设计 项目四 混 凝 土 1 4.6.1 混凝土配合比设计的基本要求 　　配合比设计的任务是根据原材料的技术性能及施工条件确定出能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。基本要求：满足施工所要求的混凝土拌和物的和易性；满足混凝土结构设计要求的强度等级；满足与所使用环境相适应的耐久性要求；在满足以上三项技术性质的前提下，尽量做到节约水泥和降低混凝土成本，符合经济性原则。 项目四 混 凝 土 1 4.6.2 混凝土配合比设计的资料准备 　　进行混凝土配合比设计之前，必须详细掌握下列基本资料： 　　(1) 了解设计要求的混凝土强度等级和反映混凝土生产中强度质量稳定性的强度标准差，以便确定混凝土配制强度。 　　(2) 了解结构构件断面尺寸及钢筋配置情况，以便确定混凝土骨料的最大粒径。 　　(3) 掌握工程所处环境条件和混凝土耐久性的要求，以便确定所配制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量。 项目四 混 凝 土 1 　　(4) 施工工艺对混凝土拌和物的流动性要求及各种原材料的品种、类型和物理力学性能指标，以便选择混凝土拌和物坍落度及骨料最大粒径。 项目四 混 凝 土 1 4.6.3 混凝土配合比设计基本参数的确定 　　混凝土配合比设计，实质上就是确定水泥、水、砂和石子这四项基本组成材料的用量。其中有三个重要参数：水灰比、单位用水量和砂率。 　　水灰比：水与水泥之间的比例。 　　单位用水量：即1 m2混凝土的用水量，它反映了水泥浆与骨料之间的比例关系。 　　砂率：砂子占砂、石总质量的百分率，它影响着混凝土的粘聚性和保水性。 项目四 混 凝 土 1 　　在混凝土配合比设计中正确地确定这三个参数，就能使混凝土满足上述设计要求。它的基本原则如下： 　　(1) 在满足混凝土强度和耐久性的基础上，确定混凝土的水灰比。 　　(2) 根据混凝土施工要求的和易性基础上、粗骨料的种类和最大粒径确定混凝土的单位用水量。 　　(3) 砂在骨料中的数量应以填充石子空隙后有富余的原则来确定。 项目四 混 凝 土 1 4.6.4 普通混凝土配合比的设计方法与步骤 　　混凝土配合比设计分三步进行，即初步配合比的确定、实验室配合比的确定和施工配合比的确定。 　　1. 初步配合比的确定 　　按原材料性能及混凝土的技术要求，利用公式及表格初步计算出混凝土各种原材料的用量，以得出供试配用的配合比。 　　1) 混凝土配制强度(ƒcu, 0)的确定 　　为了使混凝土的强度保证率能满足规定的要求，fcu, 0可采用下式计算： 　　 fcu, 0≥fcu, k + 1.645σ (4-6) 项目四 混 凝 土 1 　　式中：fcu, 0为混凝土的配制强度(MPa)；fcu, k为混凝土的立方体抗压强度标准值(MPa)；σ为施工单位的混凝土强度标准差，σ采用至少25组试件的无偏估计值。如果有25组以上混凝土试配强度的统计资料时，σ可按下式求得： 　　 (4-7) 项目四 混 凝 土 1 　　式中：n为同一品种的混凝土试件的组数，n≥25；ƒcu, i为第i组试件的抗压强度值(MPa)；uƒcu为n组试件抗压强度的平均值(MPa)。 　　当施工单位不具有近期的同一品种混凝土强度资料时，其混凝土强度标准差σ可按表4-10取值。 项目四 混 凝 土 1 　　表4-10 混凝土σ取值 　　当遇到以下两种情况时，应提高混凝土配制强度：现场条件与试验室条件有显著差异时；C30级及其以上强度等级的混凝土，采用非统计方法评定时。 项目四 混 凝 土 1 　　2) 水灰比(W/C)的确定 　　根据已测定的水泥实际强度fcu(或选用的水泥强度等级)、粗骨料种类及所要求的混凝土配制强度fcu, 0，水灰比可按下式计算： 　　 (4-8) 　　式中，αa、αb均为回归系数，fce为水泥28d抗压强度实测值(MPa)。 项目四 混 凝 土 1 　　回归系数αa和αb宜按下列规定确定： 　　① 回归系数αa和αb应根据工程所使用的水泥、骨料，通过试验由建立的水灰比与混凝土强度关系式确定。 　　② 当不具备上述试验统计资料时，其回归系数可按表4-11采用。 项目四 混 凝 土 1 　　表4-11 回归系数αa和αb选用表 　　再根据混凝土的使用条件，在表4-9中查出相应的最大水灰比值。当计算所得的水灰比大于规定的最大水灰比值时，应取规定的最大水灰比值。 项目四 混 凝 土 1 　　(1) 当无水泥28d抗压强度实测值时，公式中的fcu值可按下式确定： 　　 (4-9) 　　式中：γc为水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定；fce, g为水泥强度等级值(MPa)。 　　(2)  fce值也可根据3d强度或快测强度推定28d强度关系式推定得出。 项目四 混 凝 土 1 　　3)  1 m3混凝土用水量(mw0)的选取 　　(1) 干硬性和塑性混凝土用水量的确定。用水量主要根据所要求的坍落度及骨料的种类、粒径来选择。首先根据施工条件选用适宜坍落度，再按照表4-12和表4-13选取1 m³混凝土的用量。 项目四 混 凝 土 1 　　表4-12 干硬性混凝土的用水量 (kg/m³) 项目四 混 凝 土 1 表4-13 塑性混凝土的用水量 (kg/m³) 项目四 混 凝 土 1 (2) 流动性和大流动性混凝土的用水量计算。 　　① 以表4-13中坍落度为90 mm的用水量为基础，按坍落度每增大20 mm用水量增加5 kg，计算未掺外加剂时混凝土的用水量。 　　② 掺外加剂时的混凝土用水量按下式计算： 　　 mwa= mw0(1-β) (4-10) 　　式中：mwa为掺外加剂时每1 m3混凝土的用水量(kg)；mw0为未掺外加剂时每1 m³混凝土的用水量(kg)；β为外加剂的减水率(%)，应经试验确定。 项目四 混 凝 土 1 　　4) 单位水泥用量(mco)的确定 　　根据已选定的每1 m3混凝土用水量(mw0)和已确定的水灰比(W/C)值，可由下式求出水泥用量： 　　 (4-11) 　　为保证混凝土的耐久性，由上式计算求得的水泥用量还应满足表4-9中规定的最小水泥用量。如计算所得的水泥用量小于规定的最小水泥用量时，应取规定的最小水泥用量值。 项目四 混 凝 土 1 　　5) 砂率(βs)的确定 　　合理的砂率值应根据混凝土拌和物的坍落度、黏聚性及保水性等特征来确定。一般应通过试验找出合理砂率，或者根据本单位对所用材料的使用经验选用合理砂率。如无使用经验，可按骨料种类规格及混凝土的水灰比按表4-14选用。 项目四 混 凝 土 1 　　 表4-14 混凝土的砂率βs (%) 项目四 混 凝 土 1 注：1. 表中数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率。 　　2. 本砂率选用于坍落度为10 mm～60 mm的混凝土。坍落度如大于60 mm或小于10 mm时，应相应地增大或减小砂率。 　　3. 为只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时，砂率值应适当增加。 　　4. 掺有各种外加剂或掺和料时，其合理砂率应经试验或参照其他有关规定选用。 项目四 混 凝 土 1 　　6) 粗、细集料用量的计算(mgo、mso) 　　粗、细集料的用量可用绝对体积法或质量法(假定表观密度法)求得。 　　(1) 绝对体积法。绝对体积法假定混凝土拌和物的体积等于各组成材料绝对体积和混凝土拌和物中所含空气的体积之和。因此，可用下式联立计算： 　　 　　 (4-12) 项目四 混 凝 土 1 　　式中：ρc为水泥密度，可取2900～3100，单位为kg/m³；ρs、ρg为细、粗骨料的表观密度，单位为kg/m³；ρw为水的密度，可取1000，单位为kg/m³；α为混凝土的含气率(%)，在不使用引气型外加剂时，可取1；mso、mgo为每1 m³混凝土中粗、细骨料的用量，单位为kg；βs为砂率。 项目四 混 凝 土 1 　　(2) 质量法(假定表观密度法)。该法假定混凝土拌和物的表观密度为一固定值，混凝土拌和物各组成材料的单位用量之和即为其表观密度。因此可列出以下两式： 　 　mc0 + ms0 + mg0 + mw0 = mcp 　　 (4-13) 　　式中：mcp为1 m³混凝土拌和物的假定质量，在2350 kg～2450 kg范围内选定。 　　通过联立方程求解，求出mg0、ms0。得到初步计算配合比。 项目四 混 凝 土 1 　　必须注意的是，以上混凝土配合比的计算，均是以干燥状态骨料为基准的(干燥状态骨料系指含水率小于0.5%的细骨料或含水率小于0.2%的粗骨料)，如需以饱和面干骨料为基准进行计算，则应对计算式作相应的修改。 项目四 混 凝 土 1 　　2. 基准配合比的确定 　　以上所求的各材料用量，是借助于经验公式和数据计算出来的或是利用经验资料查得的，因而不一定能够符合实际情况，必须通过试拌调整，直到混凝土拌和物的和易性符合要求为止，然后提出供检验混凝土强度用的基准配合比。 　　调整混凝土拌和物和易性的方法： 　　(1) 当坍落度低于设计要求时，可保持水灰比不变，适当增加水泥浆量或调整砂率。 　　(2) 若坍落度过大，则可在砂率不变的条件下增加砂石用量。 项目四 混 凝 土 1 　　(3) 如出现含砂不足、黏聚性和保水性不良时，可适当增大砂率；反之，应减小砂率。 　　每次调整后再试拌，直到和易性符合要求为止。当试拌调整工作完成后，应测出混凝土拌和物的实际表观密度(ρc, t)。 项目四 混 凝 土 1 　　3. 试验室配合比的确定 　　混凝土和易性满足要求后，还应复核混凝土强度并修正配合比。 　　1) 强度复核 　　复核检验混凝土强度时至少应采用三个不同水灰比的配合比，其中一个为基准配合比，另两个是以基准配合比的水灰比为准，在此基础上水灰比分别增加或减少0.05，其用水量不变，砂率值可增加或减少1%，试拌并调整，使和易性满足要求后，测出其实测湿表观密度，每种配合比至少制作一组(3块)试件，标注养护28d后，测定抗压强度。画出强度与灰水比的关系曲线，在图上找出与混凝土配制强度相对应的灰水比。 项目四 混 凝 土 1 　　2) 按强度复核情况修正配合比 　　用水量(mw)：取基准配合比的用水量。 　　水泥用量(mc)：以用水量乘以选定灰水比确定。 　　砂、石用量(ms、mg)：以基准配合比的砂、石用量为基础，并根据选定灰水比适当调整。 　　3) 按混凝土实测表观密度修正配合比 　　(1) 混凝土的表观密度计算值(ρc, c)为 ρc, c = mw + mc + ms + mg (4-14) 项目四 混 凝 土 1 　　(2) 混凝土配合比校正系数δ为 　　 　 　 (4-15) 　　式中，ρc, t为混凝土表观密度实测值(kg/m3)，ρc, c为混凝土表观密度计算值(kg/m3)。 　　当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，则按上述方法计算确定的配合比为确定的试验室配合比；当两者之差超过2%时，应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数的值。即为确定的试验室配合比。 项目四 混 凝 土 1 　　4. 施工配合比的确定 　　试验室得出的配合比是以干燥材料为基准的，而工地存放的砂、石材料都含有一定的水分。所以现场材料的实际称量应按工地砂、石的含水情况进行修正，修正后的配合比，称施工配合比。假设工地测出砂的含水率为a%、石子的含水率为b%，则上述试验室配合比换算为工地配合比为 (每1 m³各材料用量)： 　　 (4-16) 项目四 混 凝 土 1 　　【例4-1】某框架结构工程现浇钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C30，施工要求混凝土塌落度为35 mm～50 mm，根据施工单位历史资料统计，混凝土强度标准差σ=5 MPa。所用原材料情况如下：水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水泥密度为ρc=3100 kg/m³，水泥强度等级值的富余系数为1.08； 砂为中砂，级配合格，砂子表观密度ρs=2600 kg/m³；石为5 mm～31.5 mm碎石，级配合格，石子表观密度ρs=2650 kg/m³。现场砂子含水率为3%，石子含水率为1%。 项目四 混 凝 土 1 　　试求混凝土计算配合比、混凝土施工配合比。 　　解：(1) 求混凝土计算配合比。 　　① 确定混凝土配制强度(fcu，0)： 　　fcu，0 = fcu，k + 1.645σ = 30 MPa + 1.645 × 5 MPa = 38.2 MPa 项目四 混 凝 土 1 　　② 确定水灰比(W/C)： 　　fce = γc × fcu，k = 1.08 × 42.5 MPa = 45.9 MPa 　　由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，由表4-9中干燥环境容许最大水灰比为0.65，故可确定水灰比为0.53。 项目四 混 凝 土 1 　　③ 确定用水量(mwo)：查表4-13，对于最大粒径为31.5 mm的碎石混凝土，当所需要坍落度为35 mm～50 mm时，混凝土的用水量可选用185 kg。 　　④ 计算水泥用量(mc0)： 　　查表4-9中对于干燥环境的钢筋混凝土的规定，最小水泥用量为260 kg，故可取349 kg。 　　⑤ 确定砂率(βs)：查表4-14，当水灰比为0.53时，采用直线插入法选定，现取βs=35%。 项目四 混 凝 土 1 　　⑥ 计算砂、石用量(mgo、mso)：用绝对体积法计算，将mco=349 kg，mwo=185 kg代入式(4-11)，得 　　解此联立方程，得mso = 641 kg，mgo = 1192 kg。 项目四 混 凝 土 1 　　⑦ 混凝土计算配合比为：1 m3混凝土中各材料的用量分别为：水泥=349 kg、水=185 kg、砂=641 kg、碎石=1192 kg，以质量比表示即为水泥∶砂∶石：W/C=1∶1.84∶3.42∶0.53。 　　(2) 确定施工配合比。 　　由于现场砂子含水率为3%，石子含水率为1%，则施工配合比为 项目四 混 凝 土 1 $$