3.3 混凝土配合比设计
3.3.1 配合比设计步骤
配合比设计就是确定出混凝土中水泥、水、砂、石子四种主要组成材料之间相对的关系并计算出它们的数量。
混凝土中各种原材料的品质、数量对混凝土的各项技术性能都有一定的影响。对于不同的工程，混凝土的技术要求及原材料是不同的，故在混凝土配合比设计时，必须根据工程的设计要求及原材料要求进行计算和试验，其他工程的混凝土配合比只能作为参考。
在原材料确定的条件下，按以下步骤进行混凝土的配合比设计。
（1）根据设计要求的混凝土强度和耐久性，初步选定水灰（胶）比。
（2）根据施工要求的坍落度和粗骨料最大粒径等，确定用水量。
（3）根据粗骨料的最大粒径及级配，确定砂率。
（4）根据水胶比与用水量计算胶材用量，再采用“体积法”或“质量法”计算砂石骨料用量。
（5）在初步计算配合比的基础上，通过试拌与必要的调整，确定1m3混凝土中各组成材料的用量。
3.3.2 混凝土配制强度计算
根据设计强度等级计算配制强度。混凝土强度是混凝土最重要的性能之一，从工程结构设计的观点看，设计规定的混凝土强度是最低要求的强度。考虑到在生产中由于原材料质量和生产因素的波动，以及试件制作、养护和试验的差异，均要求设计混凝土的配合比要有一定的强度富余，换句话说，施工用的配合比的平均强度应当大于设计强度，这个施工平均强度叫做配制强度，根据配制强度（而不是设计强度）设计配合比，强度富余量应该是多少，与质量控制水平有关。质量控制得好，在生产过程中混凝土强度的变化范围小，强度富余量可以小一些；如果质量控制得差，生产过程中混凝土强度波动幅度大，必将相应地要求增加富余强度，这样就需要提高配制强度，增加胶材用量。从这里可以看出，加强质量控制，不仅能保证工程质量，也是一种有效的节约措施［3-2］。
为了使混凝土强度具有要求的保证率，必须使配制强度大于设计强度等级。富余强度的大小，除取决于强度保证率的要求外，还取决于混凝土强度的波动范围，即混凝土的标准差。当混凝土的设计强度等级和要求的保证率已知时，混凝土的配制强度可按下式计算［3-3］：
式中 fcu，0——混凝土配制强度，MPa；
fcu，k——混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值，MPa；
t——概率度系数，由给定的保证率P选定，其值按表3.3-1［3-3］选用；
σ——混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。
表3.3-1 保证率和概率度系数关系
当有强度资料时，混凝土抗压强度标准差σ，可按同品种混凝土抗压强度统计资料确定：
（1）统计时，混凝土抗压强度试件总数应不少于30组。
（2）根据近期相同抗压强度、相同生产工艺和配合比的同品种混凝土抗压强度资料，混凝土抗压强度标准差σ按下式计算：
式中 fcu，i——第i组试件抗压强度，MPa；
mfcu——n组试件的抗压强度平均值，MPa；
n——试件组数。
（3）当混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值小于和等于25MPa，其抗压强度标准差σ计算值小于2.5MPa时，计算配制抗压强度用的标准差应取不小于2.5MPa；当混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值等于或大于30MPa，其抗压强度标准差计算值小于3.0MPa时，计算配制抗压强度用的标准差应取不小于3.0MPa。
当无近期同品种混凝土抗压强度统计资料时，σ值可按表3.3-2［3-1］取用。施工中应根据现场强度的统计结果调整σ值。
表3.3-2 标准差σ选用值
3.3.3 配合比基本参数
混凝土配合比基本参数有水胶比、用水量、骨料级配与砂率、掺合料与外加剂掺量等。
（1）水胶比
根据混凝土配制强度选择水胶比。在适宜范围内，可选择3～5个水胶比，在一定条件下通过试验，建立强度与胶水比的回归方程式（3.3-3）或图表，按强度与胶水比关系，选择相应于配制强度的水胶比。
式中 fcu，0——混凝土的配制强度，MPa；
fce——水泥28d龄期抗压强度实测值，MPa；
（c+p）/w——胶水比；
w/（c+p）——水胶比；
A、B——回归系数，应根据工程使用的水泥、掺合料、骨料、外加剂等，通过试验由建立的水胶比与混凝土强度关系式确定。
进行混凝土配合比设计时，混凝土的水灰比（或水胶比），根据设计对混凝土性能的要求，应通过试验确定，并不超过表3.3-3的规定值［3-2］。
表3.3-3 混凝土水胶比的最大允许值
注 在有环境水侵蚀的情况下，水位变化区外部及水下混凝土最大允许水胶比应减小0.05。
混凝土的水灰比还应满足设计规定的抗渗、抗冻等级要求。混凝土抗渗和抗冻等级与水泥品种、水灰比、外加剂和掺合料品种及掺量、混凝土龄期等因素有关，应通过试验建立相应的试验成果图表。在没有试验资料时，可参考表3.3-4及表3.3-5选择水胶比。［3-2］
表3.3-4 抗渗等级与水胶比关系
注 未掺外加剂和掺合料。
表3.3-5 抗冻等级允许的最大水胶比
掺掺合料时混凝土的最大水胶比应适当降低，并通过试验最后确定。
长期处于潮湿、严寒环境和有耐久性要求的混凝土，应掺用引气剂或引气减水剂。
最后选定的水胶比应既能满足配制强度的要求，又能满足抗冻、抗渗等特性要求，同时必须符合设计、施工规范对混凝土最大水胶比允许值的规定。
（2）用水量
混凝土用水量应根据骨料最大粒径、砂石颗粒形状与级配、坍落度或VC值、外加剂与掺合料品种及掺量，以及适宜砂率通过试验确定。
1）常态混凝土用水量：
①水胶比在0.40～0.70范围，当无试验资料时，其初选用水量可按表3.3-6选取。［3-1］
表3.3-6 常态混凝土初选用水量
注 1.本表适用于细度模数为2.6～2.8的天然中砂。当使用细砂或粗砂时，用水量需增加或减少（3～5）kg/m3。
2.采用人工砂时，用水量需增加（5～10）kg/m3。
3.掺入火山灰质掺合料时，用水量需增加（10～20）kg/m3；采用Ⅰ级粉煤灰时，用水量可减少（5～10）kg/m3。
4.采用外加剂时，用水量应根据外加剂的减水率作适当调整，外加剂的减水率应通过试验确定。
5.本表适用于骨料含水状态为饱和面干状态。
②水胶比小于0.40的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土用水量应通过试验确定。
2）流动性混凝土的用水量宜按下列步骤计算：
①以表3.3-6中坍落度90mm的用水量为基础，按坍落度每增大20mm用水量增加5kg/m3，计算出未掺外加剂时的混凝土用水量。
②掺外加剂时的混凝土用水量可按下式计算：
式中 mw——掺外加剂时混凝土用水量，kg；
nw0——未掺外加剂时混凝土用水量，kg；
β——外加剂减水率。
3）碾压混凝土用水量：
水胶比在0.40～0.70范围，当无试验资料时，其初选用水量可按表3.3-7［3-1］选取。
表3.3-7 碾压混凝土初选用水量
注 1.本表适用于细度模数为2.6～2.8的天然中砂，当使用细砂或粗砂时，用水量需增加或减少（5～10）kg/m3。
2.采用人工砂时，用水量需增加（5～10）kg/m3。
3.掺入火山灰质掺合料时，用水量需增加（10～20）kg/m3；采用Ⅰ级粉煤灰时，用水量可减少（5～10）kg/m3。
4.采用外加剂时，用水量应根据外加剂的减水率作适当调整，外加剂的减水率应通过试验确定。
5.本表适用于骨料含水状态为饱和面干状态。
（3）骨料级配与砂率
粗骨料按粒径依次分为5～20mm（小石）、20～40mm（中石）、40～80mm（大石）、80～150mm或120mm（特大石）四个粒级。水工大体积混凝土宜尽量使用最大粒径较大的骨料，粗骨料最佳级配（或组合比例）应通过试验确定，一般以紧密堆积密度较大、用水量较小时的级配为宜。当无试验资料时，可按表3.3-8［3-1］选取。
表3.3-8 粗骨料组合比例初选
注 表中比例为质量比。
砂率是砂子的体积与砂和石总体积的比例。由于砂、石的表观密度相近，可将它们的体积比近似视为质量比，即砂率是指砂子的质量占砂和石的总质量的百分数，但在配比设计中，仍应按体积比计算。砂率的变化，会使骨料的总表面积发生明显的变化。砂率对混凝土拌合物的流动性和黏聚性均有很大影响。砂率的选择是根据粗骨料的最大粒径、级配、颗粒表面形状、表面积和空隙率、砂子的细度模数、水灰（胶）比、是否掺用引气剂和减水剂及施工工艺要求而定。
最优砂率就是指在保证拌合物具有良好的黏聚性并达到要求的流动性条件下，用水量最小时所采用的砂率。在试验中，先选几种砂率，通过混凝土拌合物试拌，测定每次不同砂率时拌合物的坍落度，观察其黏聚性、骨料分离和泌水等，选出最佳的砂率。
常态混凝土初选砂率见表3.3-9［3-2］，碾压混凝土初选砂率见表3.3-10［3-3］。
表3.3-9 常态混凝土砂率参考表（%）
注 1.本表适用于卵石、细度模数F·M=2.6～2.8的天然中砂拌制的混凝土。
2.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%。
3.使用碎石时，砂率需增加3%～5%。
4.使用人工砂时，砂率需增加2%～3%。
5.掺用引气剂时，砂率可减小2%～3%：掺用粉煤灰时，砂率可减小1%～2%。
表3.3-10 碾压混凝土砂率参考表（%）
注 1.本表适用于卵石、细度模数F·M=2.6～2.8的天然中砂拌制的碾压混凝土。
2.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%。
3.使用碎石时，砂率需增加3%～5%。
4.使用人工砂时，砂率需增加2%～3%。
5.掺用引气剂时，砂率可减小2%～3%；掺用粉煤灰时，砂率可减小1%～2%。
选择最优砂率，一般是用选定的水胶比，初选几种砂率，从最大的砂率开始，每次减少砂率1%～2%进行试拌，直到拌得的混凝土和易性不好为止。试拌时，先将水泥、砂、石干拌均匀，然后逐渐加入拌合水，使坍落度达到要求的数值，记录实际所用水量（包括砂、石表面含水量），并按此用水量一次加水进行校核试验。试拌后选出满足和易性要求的最小用水量对应的砂率。
（4）掺合料与外加剂的掺量
混凝土掺合料品种与掺量，以及外加剂品种与掺量均应通过试验确定。有抗冻要求的混凝土，必须掺用引气剂，其掺量应根据混凝土的含气量要求通过试验确定。对大中型水电水利工程，混凝土的最小含气量应通过试验确定；当没有试验资料时，混凝土的最小含气量见表3.3-11［3-4］。混凝土的含气量不宜超过7%。
表3.3-11 长期处于潮湿、严寒环境和有耐久性要求的混凝土最小含气量
3.3.4 混凝土配合比计算
混凝土配合比计算，在水胶比、用水量的选定情况下，计算胶材（水泥+掺合料）用量；在胶材用量、用水量与砂率确定情况下采用“体积法”或“质量法”计算砂石骨料用量。
（1）胶材用量、水泥用量与掺合料用量按下式计算［3-1］
式中 mc——每立方米混凝土水泥用量，kg；
mp——每立方米混凝土掺合料用量，kg；
mw——每立方米混凝土用水量，kg；
Pm——掺合料掺量；
w/（c+p）——水胶比。
（2）砂石骨料用量采用“体积法”或“质量法”计算［3-1］。
1）体积法的基本原理是混凝土拌合物的体积等于各项材料的绝对体积与空气体积之和。
每立方米混凝土中砂、石的绝对体积为
砂子用量：
石子用量：
式中 Vs，g——每立方米混凝土中砂、石的绝对体积，m3；
mw——每立方米混凝土用水量，kg；
mc——每立方米混凝土水泥用量，kg；
mp——每立方米混凝土掺合料用量，kg；
ms——每立方米混凝土砂子用量，kg；
mg——每立方米混凝土石子用量，kg；
α——混凝土含气量；
Sv——体积砂率；
ρw——水的密度，kg/m3；
ρc——水泥密度，kg/m3；
ρp——掺合料密度，kg/m3；
ρs——砂子饱和面干表观密度，kg/m3；
ρg——石子饱和面干表观密度，kg/m3。
各级石子用量按选定的组合比例计算。
2）质量法的基本原理是混凝土拌合物的质量等于各项材料质量之和。
混凝土拌合物的表观密度应通过试验确定，计算时可按表3.3-12选用［3-1］。
表3.3-12 混凝土拌合物表观密度假定值（单位：kg/m3）
注 1.适用于骨料表观密度为2600～2650kg/m3的混凝土。
2.骨料表观密度每增减100kg/m3，混凝土拌合物质量相应增减60kg/m3；混凝土含气量每增减1%，拌合物质量相应减增1%。
3.表中括弧内的数字为引气混凝土的含气量。
砂石总质量：
式中 ms，g——每立方米混凝土中砂、石总质量，kg；
mc，e——每立方米混凝土拌合物质量假定值，kg；
mw——每立方米混凝土用水量，kg；
mc——每立方米混凝土水泥用量，kg；
mp——每立方米混凝土掺和料用量，kg；
ms——每立方米混凝土砂子用量，kg；
mg——每立方米混凝土石子用量，kg；
Sm——质量砂率。
各级石子用量按选定的组合比例计算。