普通混凝土配合比设计方法

普通混凝土配合比设计的任务是将水泥、粗细骨料和水等各项组成材料合理地配合，使所得混凝土满足工程所要求的各项技术指标，并符合经济的原则。

混凝土配合比的表示方法常用的有两种，一种是用1m3混凝土中各项材料的质量表示，如：水泥（C）300kg、水 （W）180kg、砂 （S）720kg、石子 （G）1200kg；另一种是用各项材料间的质量比表示（以水泥为1），如：C∶S∶G=1∶2.4∶4.0，W/C=0.6。

混凝土中各项原材料的品种、品质 （如水泥品种及强度等级、砂石的品质、是否掺用外加剂等）对混凝土的各项技术性质都有一定影响。对于不同的工程，混凝土的技术要求及原材料是不同的，因此所得配合比也不会相同。故在进行配合比设计时，必须根据本工程的设计要求及原材料进行计算和试验。其他工程的混凝土配合比只能作为参考。

3.6.1.1　普通混凝土配合比参数的确定原则及方法

组成混凝土的水泥、砂、石子及水等四项基本材料之间的相对用量可用三个对比关系表达，它们是水灰比、含砂率及单位用水量 （即1m3混凝土用水量）。这三个对比关系与混凝土性能之间存在着密切的关系，故将它们称为混凝土配合比的三个参数。进行混凝土配合比设计就是要正确地确定这三个参数。下面分别讨论这三个参数的确定原则和方法。

（1）水灰比。

在其他条件不变的情况下，水灰比的大小直接影响混凝土的强度及耐久性。水灰比较小时，混凝土的强度、密实性及耐久性较高，但耗用水泥较多，混凝土发热量也较大。因此，应在满足强度及耐久性要求的前提下，尽可能采用较大的水灰比，以节约水泥。此外，对于强度及耐久性要求均较低的混凝土 （如大体积内部混凝土），在确定水灰比时，还需要考虑混凝土的和易性，不宜选用过大的水灰比。因为当水灰比过大时，混凝土拌和物的黏聚性及保水性难以得到满足，将会影响混凝土质量并给施工造成困难。

满足强度要求的水灰比，可由使用本工程原材料进行试验所建立的混凝土强度与水灰比 （或灰水比）关系曲线 （或关系式）求得。也可参照经验公式 （3.1）初步确定，而后再进行试验校核。

满足耐久性要求的水灰比，应通过混凝土抗渗性、抗冻性等试验确定。当缺乏试验资料时，也可参照表3.4及表3.5初步选定，而后再进行试验校核。影响混凝土耐久性的因素很多，混凝土耐久性是混凝土抵抗多种环境破坏因素的综合性指标。为了保证不同类型混凝土工程中混凝土耐久性，水灰比（或水胶比）不得超过施工规范所规定的最大允许值（参考附录一、附录二、附录三）。

以上根据强度和耐久性要求所求得的两个水灰比中，应选取其中较小者，以便能同时满足强度和耐久性的要求。

（2）混凝土单位用水量。

单位用水量是控制混凝土拌和物流动性的主要因素。确定混凝土单位用水量的原则以满足混凝土拌和物流动性的要求为准。

影响混凝土单位用水量的因素很多，如骨料的品质及级配、骨料最大粒径、水泥需水性及使用外加剂情况等。对于具体工程，可根据原材料情况，总结实际资料得出单位用水量经验值。当缺乏资料时，可根据混凝土坍落度要求，参照表3.16初步估计单位用水量，再按此单位用水量试拌混凝土，测定其坍落度。若坍落度不符合要求，则应调整单位用水量 （注意应保持水灰比不变），再做试验，直到符合要求为止。

表3.16　混凝土单位用水量参考表　单位：kg/m3

注 1.本表适用于细度模数为2.7的中砂，当使用细砂时，用水量需增加5～10kg/m3。
2.采用火山灰水泥或掺入火山灰质掺合料时，用水量需增加10～20kg/m3。
3.单掺普通减水剂或引气剂时，可减水6%～10%；引气剂和普通减水剂复合或单掺高效减水剂时，可减水15%～20%。
4.本表适用于骨料含水为饱和面干状态，当以干燥状态为基准时，用水量需增大10～20kg/m3。

（3）含砂率（合理砂率）。

砂率对混凝土拌和物和易性的影响已在3.2节中讲述过。在设计好的混凝土中，其含砂率应当是合理砂率（也称最佳砂率）。影响合理砂率大小的因素很多，可概括如下。

1）石子最大粒径较大、级配较好、表面较光滑时，合理砂率较小。

2）砂子细度模数较小时，混凝土拌和物的黏聚性容易得到保证，合理砂率较小。

3）水灰比较小或混凝土中掺有使拌和物黏聚性得到改善的掺合料 （如粉煤灰、硅粉等）时，水泥浆较黏稠，混凝土黏聚性较好，则合理砂率较小。

4）掺用引气剂或减水剂时，合理砂率也可适当减小。

5）设计要求的混凝土流动性较大时，混凝土合理砂率较大；反之，当混凝土流动性较小时，可用较小的砂率。

由于影响合理砂率的因素很多，因此尚不能用计算的方法准确地求得合理砂率。通常确定砂率时，可先参照经验图表初步估计，然后再通过混凝土拌和物和易性试验确定。其方法是：预先估计几个砂率，拌制几组混凝土，进行和易性对比试验，从中选出合理砂率。表3.17为砂率的大致范围，可供初步估计合理砂率时参考。

表3.17　砂率参考表%

注 1.本表适用于卵石、细度模数为2.7的中砂拌制的混凝土。
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%；掺用减水剂时，砂率可减小0.5%～1.0%。

合理砂率也可用近似公式3.11估算

式中：S、G 为1m3混凝土中砂、石用量，kg；γS、γG 为砂、石子的松散堆积表观密度，kg/m3；P 为石子空隙率，%；K 为拨开系数，一般取1.1～1.4。

式 （3.11）的基本假定是混凝土中用砂填充石子空隙并略有多余，以拨开石子颗粒，在石子周围形成足够的砂浆层。对于坍落度较大的混凝土，应取较大的K 值；反之，则取较小的K 值。

还应指出，一般施工时的砂率常需比试验室试验所确定的合理砂率增大1%左右。这样可弥补拌和物运输过程中的砂浆流失，并可避免骨料分离以及局部混凝土砂浆不足所造成的蜂窝、孔洞。

混凝土配合比的三个参数及其确定原则可总结如图3.16所示。

图3.16　混凝土配合比参数关系

3.6.1.2　普通混凝土配合比设计的方法与步骤

在进行混凝土配合比设计时，需预先明确混凝土的各项技术要求。例如：①混凝土的强度要求（混凝土配制强度）；②混凝土的耐久性要求，如抗渗等级、抗冻等级以及抗磨性、抗侵蚀性等；③混凝土拌和物的坍落度指标；④混凝土的其他性能要求，如低热性、变形特性指标等。

对各项原材料，需预先进行检验，合理选择，明确所用材料的品质及其技术指标。例如：①水泥品种及等级；②砂的细度模数及级配情况；③石子的种类 （卵石或碎石）、最大粒径及级配；④是否掺用外加剂及掺合料；⑤水泥的密度，砂石的视密度、堆积表观密度及饱和面干吸水率等。

设计混凝土配合比的方法很多，但基本上大同小异，其主要步骤可归纳为：①估算初步配合比（利用经验公式、经验图表等进行初步估算）；②试拌调整，得出供检验强度及耐久性等用的基准配合比 （通过混凝土拌和物试拌，求得满足和易性要求的配合比）；③进行混凝土强度及耐久性能等的检验，确定混凝土配合比 （满足各项设计指标的配合比）。

（1）初步配合比的计算。

1）初步确定水灰比W/C。根据混凝土强度及耐久性要求，参考式（3.1）、表3.4及表3.5，并考虑水灰比（或水胶比）最大允许值（参考附录一、附录二、附录三）初步确定水灰比。

2）初步估计单位用水量W （kg/m3）。根据拌和物坍落度的要求，参考表3.15估算。

3）初步估计含砂率S/（S+G）。参照表3.16或式（3.11）进行估算。

4）初步计算水泥用量C （kg/m3）。用初步确定的水灰比及单位用水量，按下式计算

混凝土水泥用量应不少于施工规范要求的最小水泥用量（参考附表1.3或附表3.6）。

5）计算砂、石子用量。根据上述各参数，可按绝对体积法或假定表观密度法进行计算。

a.绝对体积法。假定1m3新浇筑的混凝土内各项材料的体积之和为1m3，则有

式中：W、C、S、G 为1m3混凝土中水、水泥、砂、石子的质量，kg；ρW 为水的密度，一般取1g/cm3；ρC 为水泥的密度，g/cm3；ρS、ρG 为砂、石子的视密度 （当其含水状态以饱和面干为基准时，则为饱和面干视密度，g/cm3；α为混凝土中空气含量，%，可参照表3.18估值。

表3.18　新浇混凝土表观密度γC 及含气量α参考值

将上述初步估算出的W、C及S/（S+G）^[14]等值代入式（3.12）即可求得1m3混凝土中各项材料用量。

b.假定表观密度法。假定新浇筑好的混凝土单位体积的质量为γC（kg/m3），则有

γC 值可参照表3.17估计，其余符号意义同式（3.12）。

将上述初步估算出的W、C 及S/（S+G）等值代入式 （3.13）即可求得1m3混凝土中各项材料用量，所得为混凝土的初步配合比。

（2）试拌调整得出基准配合比。

按初步配合比拌制的混凝土不一定满足和易性的要求，这是因为配合比的各项参数是借助于经验公式、图表等选定的，它们不一定符合本工程的实际。因此，需进行和易性试验（试拌），对单位用水量及砂率进行调整 （保持水灰比不变）以便得出和易性恰好满足设计要求的混凝土。所得即为供检验强度及耐久性用的基准配合比。

混凝土试拌和调整的方法如下：按初步配合比，称取拌制0.015～0.030m3混凝土所需的各项材料，按试验规程拌制混凝土，测其坍落度，观察黏聚性及保水性。若不符合要求，则调整砂率或用水量，再进行拌和试验，直至符合要求。砂率及用水量的调整原则如下。

1）若拌和物的黏聚性及保水性不良，砂浆显得不足时，应酌量增加砂率；反之，则应适当减小砂率。

2）当坍落度小于设计要求时，应增加水泥浆用量（保持水灰比不变）；反之，则应增加砂、石子用量（保持砂率大致不变）。一般每增加10mm坍落度，约需增加水泥浆用量1%～2%。

调整好的混凝土，测定其拌和物表观密度γ′C，根据该拌和物各项材料实际用量 （C′、W′、S′、G′）及表观密度γ′C，按下式计算该混凝土配合比（kg/m3）。

（3）检验强度及耐久性、确定混凝土试验室配合比。

按基准配合比成型强度、抗渗、抗冻等试件，标准养护至规定龄期进行试验。如果混凝土各项性能均满足要求，且超过要求指标不多，则此配合比是经济合理的。否则，应将水灰比进行必要的修正，并重新做试验，直至符合要求。所得即为试验室配合比。

为了缩短试验时间，可以基准配合比为基础，同时拌制3～5种配合比进行强度及抗渗性、抗冻性等项试验，从中选出满足各项技术要求的配合比（试验室配合比）。在这3～5种配合比中，其中一种是基准配合比，另外几种配合比的水灰比值应较基准配合比分别增加及减小0.05，其用水量与基准配合比相同，砂率值作适当调整。

对于大型混凝土工程，常对混凝土配合比进行系统试验。即在确定初步水灰比时，就同时选取3～5个值，对每一水灰比又选取3～5种含砂率及3～5种单位用水量，组成多种配合比，平行进行试验并相互校核。通过试验，绘制水灰比与单位用水量，水灰比与合理砂率，水灰比与强度、抗渗等级、抗冻等级等的关系曲线。综合这些关系曲线最终确定出试验室配合比。

3.6.1.3　施工配料单的计算

试验室配合比是在室内标准条件下通过试验获得的。施工过程中，工地砂石材料含水状况、级配等会发生变化，气候条件、混凝土运输及结构物浇筑条件也会变化，为保证混凝土质量，应根据条件变化将试验室配合比进行换算和调整，得出施工配料单 （也称施工配合比）供施工应用。

（1）施工配料单换算。

当骨料含水率变化及有超逊径时，应随时换算施工配料单，换算的目的是准确地实现试验室配合比。

1）骨料含水量变化时施工配料单计算。试验室确定配合比时，若以气干状态的砂石为标准，则施工时应扣除砂石的全部含水量，若以饱和面干状态的砂石为标准，则应扣除砂石的表面含水量或补足其达到饱和面干状态所需吸收的水量，同时相应地调整砂石用量。

设实测工地砂及石子的含水率（或表面含水率）分别为αa 及αb，则混凝土施工配合比的各项材料用量（配料单）应为

2）骨料含超、逊径颗粒时施工配料单计算。当某级骨料有超径颗粒时，则将其计入上一粒径级，并增加本粒径级用量（当有逊径颗粒时，将其计入下一粒径级，并增加本粒径级用量）。各级骨料换算校正数为

校正量=（本级超径量+本级逊径量）-（下一级超径量+上一级逊径量）

根据骨料超、逊径含量^[15]，施工配料单换算示例见表3.19。

表3.19　各级骨料用量换算表(www.xing528.com)

（2）施工配料单的调整。

施工过程中发生气候条件变化、拌和物运输及浇筑条件改变时，需对设计的坍落度指标进行调整，进而需调整配合比。当砂的细度模数等发生变化时，也需调整配合比。在进行配合比调整时，必须保持水灰比不变，仅对含砂率及用水量作必要的调整。调整时可参照表3.20进行。

表3.20　条件变动时砂率及用水量的大致调整值

3.6.1.4　混凝土配合比设计举例

【例3.1】 某房屋为钢筋混凝土框架工程，混凝土不受风雪等作用，为室内正常环境，使用年限50年，设计混凝土强度等级C25，施工要求坍落度为30～50mm。试设计该混凝土配合比。

解：1.混凝土技术指标及所用材料

（1）技术指标。

1）混凝土配制强度 （fh）为

见3.7节式 （3.29）并根据表3.26取σ0=5.0MPa。

2）混凝土拌和物坍落度为30～50mm。

（2）所用原材料。

1）水泥。根据该工程情况，选用强度等级42.5级的普通水泥。水泥强度等级富余系数γC取为1.16，实测密度ρC=3.10g/cm3。

2）粗骨料。石灰岩碎石，DM =40mm，取5～40mm 连续级配，实测视密度ρG=2.70g/cm3，松散堆积表观密度γG=1550kg/m3。

3）细骨料。河砂，细度模数为2.70，级配合格，实测视密度ρS=2.65g/cm3，松散堆积

表观密度γS=1520kg/m3。

粗细骨料的品质均符合规范要求 （含水状态以干燥状态为基准）。

2.初步配合比计算

（1）初步确定水灰比W/C。

由强度要求有

将以上各值代入公式，可得

（2）初步估计单位用水量W。

按表3.15有

（3）初步估计含砂率S/（S+G）。

按表3.16有

（4）单位水泥用量C。

（5）计算粗、细骨料用量。

按绝对体积法，查表3.17取α=1.2，则有

解上式得：S=694kg/m3，G=1234kg/m3。

初步配合比为：C=292kg/m3、S=694kg/m3、G=1234kg/m3、W=175kg/m3。

3.试拌调整，确定基准配合比。

按初步配合比，称取拌制0.02m3混凝土所需的各项材料：C=5.84kg、S=13.88kg、G=24.68kg、W=3.50kg。拌制混凝土，测得的坍落度为20mm，黏聚性较好。需增加水泥浆4%（即水泥0.23kg、水0.14kg）。重新拌和混凝土，测得坍落度为45mm，黏聚性及保水性良好，和易性满足要求。该混凝土各种材料实际用量为C′=6.07kg、S′=13.88kg、G′=24.68kg、W′=3.64kg。实测混凝土拌和物表观密度γ′C=2410kg/m3，按式（3.14）可算得：C=303kg/m3、S=693kg/m3、G=1232kg/m3、W=182kg/m3。基准配合比为

4.检验强度确定试验室配合比。

以基准配合比为基础，分别拌制不同水灰比的三种混凝土，测定其表观密度及28d强度，试验结果见表3.21。

表3.21　混凝土强度试验结果

由表3.20可得满足设计要求的灰水比约为1.65 （按作图法求得），即W/C=0.61。但它已经不满足附表1-3的要求，故仍使用0.60的水灰比。即混凝土的配合比为C=303kg/m3、S=693kg/m3、G=1232kg/m3、W=182kg/m3。

【例3.2】 某混凝土坝所在地区最冷月月平均气温为2℃；河水无侵蚀性，坝上游面水位涨落区的外部混凝土最大作用水头49m，设计要求水工混凝土强度等级为C9025，保证率80%；采用机械搅拌、振捣器振实，用当地河砂及卵石作骨料。试设计该坝上游面混凝土配合比。

1.确定混凝土各项技术指标。

（1）强度。按3.7节式 （3.28）混凝土配制强度 （90d龄期）为

根据表3.1，普通硅酸盐水泥混凝土90d龄期与28d龄期的强度比值，可求得28d龄期混凝土配制强度为

（2）抗渗等级。参照附录二之附表2-4，混凝土抗渗等级确定为W6。

（3）抗冻等级。该混凝土坝地处温和气候地区，为保证混凝土抗风化性，确定其抗冻等级为F50 （参照附表2-5的附注）。

（4）坍落度。参照附表2—1，浇筑地点混凝土拌和物坍落度应为10～40mm，考虑运输过程中坍落度的损失，确定拌和机口混凝土拌和物坍落度为30～50mm。

2.原材料选择及其技术性质。

（1）水泥品种及强度等级。因环境水无侵蚀性，且为温和地区水位涨落区的外部混凝土，故应优先采用硅酸盐大坝水泥、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水泥强度等级42.5级及以上。参考表2.11比较经济的水泥强度等级应为42.5级，故确定采用强度等级42.5级的普通硅酸盐水泥。根据工地使用水泥情况，取水泥强度富余系数rC=1.0。水泥密度ρC=3.10g/cm3。

（2）河砂。细度模数为2.9，级配良好。饱和面干状态视密度ρS=2.62g/cm3。

（3）粗骨料。当地卵石质量符合混凝土用骨料的要求，取DM=80mm，通过试验选定级配为 （5～20mm）∶（20～40mm）∶（40～80mm）=30∶25∶45。饱和面干状态视密度ρG=2.65g/cm3。

3.计算初步配合比。

（1）确定初步水灰比。根据强度要求，由式 （3.1）有

将上述数值代入公式

则

根据耐久性要求，由抗渗等级W6，参考表3.4，水灰比应为0.55～0.60；由抗冻等级F50，参考表3.5，水灰比应小于0.58；根据附表2-7，水灰比最大允许值为0.55。

从以上强度及耐久性要求，初步确定水灰比为0.55。

（2）初步估计单位用水量。参考表3.15，单位用水量大致为125kg/m3。

（3）初步估计合理砂率。参考表3.16，当砂的细度模数为2.7时，砂率大致为26%，按本工程所用材料进行修正，初步确定砂率为26%+2×0.75%=27.5%。

（4）计算水泥用量。

（5）计算砂、石子用量。按假定表观密度法，参考表3.17，γC=2430kg/m3。则初步配合比为C=227kg/m3、W=125kg/m3、S=571kg/m3、G=1507kg/m3。其中：5mm～20mm小石为452kg/m3、20～40mm中石为377kg/m3、40～80mm大石678kg/m3。

4.试拌调整确定基准配合比。

按初步配合比称取拌制0.03m3混凝土所需各项材料为C=6.81kg、W=3.75kg、S=17.13kg、小石13.56kg、中石11.31kg、大石20.34kg，共计72.90kg。拌制混凝土，观察得黏聚性及保水性基本良好 （表明混凝土含砂率是合适的）。测得坍落度为55mm，符合要求，测出混凝土表观密度γC=2420kg/m3。按式 （3.15）算得基准配合比为C=226kg/m3、W =124.5kg/m3、S=569kg/m3、G5～20=450kg/m3、G20～40=375kg/m3、C40～80=675kg/m3。

5.检验强度及耐久性。

按基准配合比进行强度、抗渗性、抗冻性等试验，各项性能满足设计要求，且超过不多。则上述配合比即为所求的混凝土试验室配合比。