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掺合料在混凝土配合比设计中应用技术探讨
（武汉建江混凝土有限公司 武汉430205）
摘要：《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000），以下简称设计规程中的胶凝材料主要是水泥，而在现在的预拌混凝土生产中，掺合料的使用，品种甚多，数量甚大，如何在配合比设计中，把不同的掺合料量化出来，对其作了大量的试验和探讨，取得较好的效果。
关键词：胶凝材料，掺合料，砂率，和易性，坍落度，预拌混凝土。
引言：
目前社会上生产的水泥有一个共同的特征，就是强度富余系数逐渐变小，早期强度较高，后期强度发展较慢，几乎与标准指标擦边球。有的生产厂以提高水泥细度来提高其强度，导致在短时间内水泥水化反应加剧，给混凝土带来了高水化热，高温差，高收缩等不利隐患。为克服其不足，节约水泥，降低成本，便于施工，适应当前发展循环经济，建设资源节约型，环境友好型社会，于是在预拌混凝土生产时掺入了大量的粉煤灰、矿粉、硅灰等掺合料，改善了混凝土的和易性，后期性能强度也得到改善和提高。
现以C30强度等级设计为例，混凝土要求泵送，坍落度180—200mm，加掺合料，按照设计规程的条文要求，逐条解析，以求出确定的设计配合比。
一、使用原材料：
水 泥（C）：华新P.O 42.5 fce＝46.8MPa 粉煤灰（FA-Ⅱ）：武汉阳逻电厂，二级粉煤灰。
矿渣粉（F.S）：武汉鑫缘建材公司，二级矿粉 S95 细骨料（S）：巴河中砂，细度模数2.7 粗骨料（G）：汉阳碎石，5-31.5mm连续粒级。
外加剂： 武汉联合WLH-5普通型减水剂，减水率20%，固含量33%，掺量为胶凝材料的1.5-2.5%。
水（W）：一般饮用水。
二、混凝土配制强度的确定：
fcu.o≧fcu.k＋1.645δ≧(30+1.645×3)≧34.9 式中：
fcu.o——混凝土配制强度（MPa）
fcu.k——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）
δ——混凝土强度标准差（MPa），其强度标准差计算值小于3.0 MPa，故该值取3.0 MPa
三、混凝土配合比计算：
采用重量法——假定密度为2390Kg/m3 3.1计算配制强度fcu.o＝34.9 MPa。3.2按鲍罗米公式，求出水灰比：
注：①αa、αb为回归系数，骨料为碎石时，Aa＝0.46 Ab＝0.07 ②该公式强度等级小于C60时宜使用。
3.3选取每立方米混凝土用水量：
查设计规程表4.0.1—2塑性混凝土的用水量（kg/m3），当坍落度为90mm，碎石最大粒径为31.5mm时，查表得W＝205kg/ m3。
注：①本表用水量以中砂取值。若采用细砂时，用水量可增加5—10Kg;采用粗砂时，则可减少5—10Kg。
②掺用外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。
3.4计算出每立方米混凝土的水泥用量：
3.5选取砂率，计算出粗细骨料的用量：
查设计规程表4.0.2 混凝土的砂率（%），得砂率为38%，而泵送混凝土的砂率要求为35—45%，综合考虑，取砂率为41%，则碎石使用率为1－41%＝59%。
因泵送混凝土要求坍落度为180—200mm,取中间值190mm，而表4.0.1—2中坍落度最大为90mm,其附注中说明：以坍落度90mm的用水量为基础，按坍落度每增大20mm,用水量增加5Kg,计算出未加外加剂时的混凝土的用水量：
又外加剂WLH-5，减水率20%，计算出减水后的用水量：W＝W总×（1-20%）＝230×80%＝184 Kg
3.6掺合料的应用： 3.6.1粉煤灰的应用：
据《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146—90，表4.1.4二级粉煤灰超量代替水泥时，其超量系数为1.3—1.7,取中间值1.5。
则FA－Ⅱ＝(347-285)×1.5＝93Kg。该用量同时满足表4.2.1粉煤灰取代水泥的最大限量要求。
以上水泥用量285Kg为经验数，要满足混凝土C30强度等级的P.042.5水泥用量为270—300Kg/ m3，据使用原材料及该水泥的质量在此范围内选择确定。这是该行业技术人员必须掌握积累的知识，同时也符合有关标准规定的水泥用量要求。
3.6.2粒化高炉矿粉,简称矿粉的应用: 《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046—2008，是目前设计和施工标准中的唯一新标准，其中没有对混凝土中掺加矿粉的用量进行规定。目前配制混凝土中的矿粉用量多是基于和易性、凝结时间和强度发展等方面考虑的。
在水泥用量285Kg中，取矿粉用量100Kg，则水泥用量为185 Kg。据使用经验可知，在矿粉、粉煤灰同时使用时，它们的掺量分别约占胶凝材料总量的30%、20—25%，这在有关资料及文献中已作报导。
使用矿粉后,混凝土初、终凝略有延缓，故在气温较高时使用为佳,冬季气温低于10℃时，可不用或少用。
两种掺合料同时掺入后，由于各自的特性及叠加效应，改善了混凝土的流变性能，降低了过快增长的混凝土早期强度，显著提高其后期强度。符合国家节能减排，可持续稳定增长的发展战略，也适应于混凝土结构后期强度评定和逐渐使用相应较长龄期的发展要求。
3.6.3防水膨胀材料UEA的应用
膨胀剂UEA可视为一种特殊的掺合料。
近年来设计的防水混凝土，绝大多数采用掺一定比例的微膨胀剂UEA解决，其掺量由生产厂推荐，使用方一般取中间值。以C30 P8为例，采用UEA-Ⅱ的推荐掺量为胶凝材料的8-10%，取8%，则UEA-Ⅱ=378×8%=30kg。
考虑到抗渗混凝土在满足强度要求下,还要达到设计的抗渗等级,这就要求有足够的水泥砂浆包裹集料。所以水泥用量应比同等级的非抗渗混凝土水泥用量高6-8%。就抗渗耐久而言，这样较科学合理。
膨胀剂UEA除了产生予压应力，使混凝土致密防水外，还可等量取代水泥，故膨胀剂的用量可以从水泥量中减去。
有关资料介绍，粉煤灰对混凝土的膨胀有抑制作用，所以在配合比设计时,如采用膨胀剂，则粉煤灰掺量不宜超过20%。
在以上三种掺合料同时使用的情况下，F•S不超过胶凝材料总量的30%，三种材料总量不超过55%，水泥的用量在胶凝材料中应始终保持“控股”的位置。
3.7外加剂用量: 外加剂用量系生产厂家推荐, WLH-5的推荐掺量为胶凝材料总量的1.5-2.5%，取中间值2%(冬季可取1.7-2.0%,夏季可取2.0-2.3%)，则WLH-5＝378×2%＝7.5kg。
又WLH-5固含量为33%，则含水率为67%，该用量的含水量为7.5×67%＝5kg。
故该混凝土每立方米实际用水为：184-5=179kg。
3.8计算出砂、碎石用量
S＝(2390－179－185－100－93－7.5)×41%＝748kg G＝(2390－179－185－100－93－7.5)×59%＝1077kg 计算出的C30配合比如下：
四、混凝土配合比的试配,调整与确定
4.1试配
4.1.1试配时采用的原材料、搅拌方法应与实际生产使用的相同。试配先试拌,以检查拌合物的性能——流动性、粘聚性、保水性。性能不好时，应在水灰比不变下，相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止，得出基准配合比。
4.1.2混凝土强度试验时，采用三个不同的配合比如下:
A、基准配合比(假设如上未变)，＝179/378=0.47。
B、用水量与基准配合比相同，水灰比增加0.05，即0.52。
＝179/C＝0.52得C＝344kg；砂率增加1% 即42%，计算整理后得如下配比：
C、用水量与基准配比相同,水灰比减少0.05，即0.42，=179/C=0.42得C=426kg，砂率减少1%，即40%。计算整理后得如下配比：
以上三组不同的配合比，分别按标准要求进行强度试验，成型试块，养护破型，分别测得28d强度如上
4.2 配合比的调整与确定
据试验得出的强度与其相对应的水灰比关系用作图法或计算法求出与混凝土配制强度相对应的水灰比:
4.2.1作图法: 混凝土强度与W/C比示意图
上图可知，与混凝土配制强度相对应的水灰比为0.49
4.2.2计算法——对混凝土强度与水灰比示意图作回归解析:
直线回归： = a+b•fcu.o
(R28)
41.0
36.532.0
()
0.420.47
0.52
作回归计算得：a = 0.876
b =-0.01
1又fcu.o=34.9
则
= 0.876-0.011×34.9= 0.49
以上两种方法求得
一致。
4.2.3 按下列原则确定每立方米混凝土的材料用量:
4.2.3-1用水量在基准配合比用水量的基础上，据制作强度试件时测得的坍落度进行调整确定。调整后的W=178kg。
4.2.3-2水泥用量以用水量乘以选定出来的水灰比计算确定。则 =178/C=0.49，得C胶=363(kg)，则C=178 kg，FA-Ⅱ=89kg，F.S=96。
4.2.3-3外加剂用量：363×2%=7.3kg
4.2.3-4粗细骨料用量应在基准配合比用量基础上按选定的水灰比调整后确定。
S =(2390-178-363-7.3)×41%=755(kg)
G =(2390-178-363-7.3)×59%=1087(kg)
则C30确定的设计配合比如下：
W:C:S:G:FA-Ⅱ:F.S: WCH-5=178:178:755:1087:89:96:7
以上配合比为所求。
五、结论
5.1目前所使用的混凝土掺合料品种繁多，质量也良莠不齐，不够稳定，使用前应检验其主要参数。并用工程中实际使用的原材料进行试配。凡材料的更换应用，一定要试验在前，做到心中有数。
5.2掺合料的应用要求生产时搅拌时间稍长；振实后要及时收抹2—3次，特别是终凝前的一次压抹十分重要！终凝后应及时覆盖养护——夏季保湿养护，冬季保温养护，养护时间不少于14d。不然面层提起的浮桨急速凝固后，针状小孔和收缩裂纹增多，易疏松起灰，混凝土的抗碳化能力减弱，影响耐久性。
5.3在混凝土中安全合理的使用活性掺合料，是高性能混凝土发展的特征和需要，是混凝土行业节能减排，可持续发展的重要技术措施。目前的应用正值百花齐放，百家争鸣，拙文的一孔之见，旨在抛砖引玉，以期达到混凝土掺合料的安全使用，合理掺量，改善性能，优质耐久之目的。
