高性能混凝土用水胶比曲线法设计配合比的优势

龙立树

摘要：混凝土在相同流动性的情况下，水胶比是影响混凝土强度和耐久性的主要因素之一。用水胶比曲线法设计配合比，可根据水胶比强度曲线，水胶比耐久性曲线，在相同条件下设计多个强度等级的混凝土配合比。试验所得出的混凝土抗压强度值与通过胶凝材料胶砂强度和水胶比计算公式推算出相对应龄期的混凝土抗压强度是相吻合的。

关键词：高性能混凝土；水胶比曲线法；配合比设计；优势

Abstract: Under the condition of the same fluidity of concrete, the water-binder ratio is one of the main factors that affect the strength and durability of concrete. The mixture ratio can be designed according to the strength curve of water-binder ratio and the durability curve of water-binder ratio under the same conditions. The compressive strength of the concrete obtained from the test is consistent with the compressive strength of the concrete of the corresponding age calculated from the formula of the strength of mortar and the water-binder ratio of the cementitious material.

Key words: high performance concrete; Water-binder ratio curve method; Mix design; advantage

1前言

水胶比曲线法设计配合比是根据强度和电通量各自与水胶比的关系来确定配合比，在任何混凝土的配合比设计情况下都是以此为依据。本文着重要讲的是当需要设计多个相同流动性的混凝土配合比时，可通过大范围的水胶比与强度和电通量的关系，在相同条件下设计多个配合比。也根据试验结果证明以下两条假设是成立的：

1.混凝土在相同流动性的情况下，水胶比是影响同龄期抗压强度与电通量的主要因素之一。

2.混凝土水胶比计算公式按（保罗米公式）是成立的，就是说试验所得出的混凝土抗压强度与通过胶凝材料胶砂强度和水胶比计算公式推算出相对应龄期的混凝土抗压强度是相吻合的。

水胶比计算公式

2试验

2.1 原材料

在试验选用的水泥均为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用F类Ⅰ级粉煤灰；减水剂选用聚羧酸高性能减水剂；粗骨料选用云县昔宜破碎碎石；细骨料选用云县澜沧江河砂；所选用原材料的各项性能指标均合格。

2.2 确定配合比

根据所需要的C20到C45标号的混凝土，选取水胶比为0.38、0.42、0.47、0.52、0.57的一组进行试配。粉煤灰掺量按胶凝材料总量的30%进行，在确定了水胶比的前提下，调整其他材料用量，使混凝土坍落度达到施工需要的坍落度（比如180mm-220mm之间），混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

编号	水胶比	水泥	粉煤灰	细骨料	粗骨料	水	高性能减水剂	坍落度（mm）
1	0.38	295	126	583	1237	160	6.09	200
2	0.42	273	117	591	1255	164	5.27	190
3	0.47	259	111	668	1188	174	4.07	185
4	0.52	252	108	704	1149	187	3.42	200
5	0.57	245	105	722	1129	200	2.80	190

2.3 试件成型及养护

试件成型采用150mm×150mm×150mm的标准立方体抗压试件。试件成型后放入20±2℃、相对湿度＞95%的标准养护室进行养护。通过试验分别获取3d、7d、28d、56d的混凝土试件抗压强度值(MPa)以及14d、28d、56d每个试件的电通量(C)。

3试验结果分析

3.1试验结果

根据试验结果，分别绘制了水胶比与抗压强度关系曲线，水胶比与氯离子电通量关系曲线。（见图1与图2）

图1 水胶比与抗压强度关系曲线

图2.水胶比与氯离子电通量关系曲线

3.2 验证假设

由图1和图2关系曲线可以看出，同龄期混凝土的强度值(MPa)随着水胶比的增加而降低，同龄期混凝土的电通量(C)随水胶比的增加而上升，说明前面的假设1是成立的：水胶比是影响混凝土同龄期抗压强度值(MPa)和电通量(C)的主要因素。

整个系列试验，胶凝材料都是以水泥占70%粉煤灰占30%来掺配的，其中28d胶砂强度值在为34MPa，56d胶砂强度值为39.1 MPa，根据胶凝材料28d和56d胶砂强度，按照水胶比计算公式推算出整个系列试验的混凝土强度值与实际试验56d强度值对比如下。

表2 胶凝材料28d强度推算结果分别与混凝土28d、56d实际强度对比

水胶比		0.38	0.42	0.47	0.52	0.57
用水胶比公式推算的混凝土强度（MPa）		43.8	39.3	34.7	31.0	28.0
混凝土抗压强度试验结果（MPa）	28d	45.7	40.6	30.6	25.0	24.1
	56d	50.6	46.9	39.2	31.9	28.8
推算结果与试验结果之差（MPa）	28d	-1.9	-1.3	4.1	6.0	3.9
	56d	-6.8	-7.6	-4.5	-0.9	-0.8

表3 胶凝材料56d强度推算结果与混凝土56d实际强度对比

水胶比	0.38	0.42	0.47	0.52	0.57
用水胶比公式推算的混凝土强度（MPa）	50.4	45.2	39.9	35.7	32.2
试验结果（MPa）	50.6	46.9	39.2	31.9	28.8
推算结果与试验结果之差（MPa）	-0.2	-1.7	0.7	3.8	3.4

根据表2、表3可得出，当水胶比低于0.5时，以胶凝材料28d胶砂强度所推算出的混凝土强度值要比实际试验所得到的56d抗压强度低4-8MPa，但与混凝土28d抗压强度结果只相差1-4MPa，而以56d胶砂强度推算出的混凝土强度值与实际混凝土56d抗压强度结果相差2MPa以下。当水胶比高于0.5时以胶凝材料28d抗压强度来解释混凝土56天的抗压强度显得更为合理，但是以56d胶砂强度推算出的结果与混凝土56d抗压强度的试验值之差也在4MPa以内，所以以胶凝材料56d抗压强度值来解释混凝土56d的抗压强度值也是合理的。在此可以证明前面的假设2也是成立的：试验所得出的混凝土抗压强度值与通过水胶比计算公式推算出相对应龄期的混凝土抗压强度是相吻合的。

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）中规定，用水胶比公式来计算水胶比时，胶凝材料胶砂强度采用28d龄期胶砂抗压强度值，并未指出在混凝土设计强度的规定龄期不同时，对胶凝材料胶砂强度的龄期做出对应的调整。第2.2条中已经得出，分别以胶凝材料28d、56d的抗压强度值来推算混凝土对应龄期的抗压强度是比较合理的，与实际试验结果差别最小，以胶凝材料28d胶砂强度所推算出的混凝土强度值与试验所得到的混凝土56d抗压强度值相差较大。

现在的问题是，很多规范标准高性能混凝土的设计强度都已56d龄期的抗压强度为准，可是我们在设计配合比时仍使用胶凝材料28d的抗压强度来计算水胶比，按照4-8MPa的差值，我们实际设计出的配合比很可能会比实际需要的配合比高出一个等级，这样会造成不必要的浪费，相对于成本控制是不利的。所以在设计混凝土配合比时，要根据所设计配合比规定的龄期来选择不同龄期的胶凝材料胶砂强度，如果混凝土设计规定龄期为28d，就以胶凝材料28d的胶砂强度来计算水胶比，如果设计龄期为56d，则以胶凝材料56d的胶砂强度来计算水胶比。

3.3 其他结论

通过图1、图2关系曲线也不难看出，说明当水胶比大于0.52时，混凝土强度降低趋势变得平缓，说明在水胶比小于0.52时其对混凝土抗压强度的影响较水胶比大于0.52时更明显；水胶比小于0.52时56d电通量都低于1200C，说明水胶比在低于0.52时，高性能混凝土的电通量都维持在较低水平，其电通量都可满足C45及以下混凝土的要求。

4水胶比曲线法设计配合比的好处

4.1传统方法的缺陷

用传统的方法设计配合比，工作量大、过程复杂、时间久。在没有具体了解当地原材料的情况下，无法准确找出所需配合比的水胶比，很多时候由于担心混凝土的硬化指标达不到设计要求，取过低的水胶比，使得胶凝材料和减水剂的掺量有所增加，造成混凝土成本提高；每个配合比都一次性地把所有指标做完会占据试验人员大量的时间；没有规律性的指导，效率难以提高，甚至出现施工现场等着浇筑混凝土，而配合比还未完成的情况。

4.2水胶比曲线法设计配合比并不违背传统配合比设计原则

实际上，传统配合比的实际原则也是通过控制水胶比来控制混凝土的硬化性能和耐久性指标，而这里所说的水胶比曲线法是先找出水胶比与这两个指标的关系，通过他们的关系来确定水胶比，所以它也是通过水胶比来控制混凝土的硬化性能与耐久性指标，并不违背传统配合比设计方法的原则。

4.3用水胶比曲线法设计配合比的优点

在工程中，根据不同的设计要求，混凝土配合比的数量非常多。使用水胶比曲线法可以同时设计多个强度等级的配合比。通过大范围的水胶比与强度、电通量和其他指标的曲线，来找出我们所需配合比对应的水胶比，然后再把混凝土的工作性调整到所要求的范围，一个配合比的调整就基本完成了。

例如，现在需要设计强度等级为C35 混凝土的配合比，电通量设计值＜1200C，设计强度fcu=35+1.645*3=39.9MPa，由图1和图2可知，取0.46的水胶比可满足要求，就取0.46的水胶比，在水胶比不变的前提下调整其他材料用量，使混凝土的工作性能及工艺性能满足施工要求。在这里，因为有了水胶比曲线和结论1的成立，就可以确保该配合比的各种性能是满足要求的，就不必再去花两个月的时间来确定试验结果能不能满足要求，或者为了能让结果满足要求把配合比做的很保守而增加了成本。

用水胶比曲线法设计配合比准确、简单、快捷。尤其是在工期比较紧张的情况下，采用这种方法设计配合比可减少试验数量，节约大量的时间与劳力，又可及时设计出准确又不保守的配合比，更利于施工管理和成本控制。

要强调的是，调整过程中一定保证水胶比不变，这样就能保证混凝土的硬化性能与耐久性在满足要求的范围内。

4.4 水胶比曲线法设计配合比更具指导意义

该方法除了为配合比选配工作带来诸多方便之外，还有很重要的指导意义，规律性的数据对于调整配合比是非常重要的。如果能够采用该方法在某一地区（比如西南、西北地区）获得更多的试验数据，相信对该地区的配合比设计工作也是有指导意义的，当然这需要更多的有志之士参与。

５总结

本文通过对高性能混凝土用水胶比曲线法设计配合比的试验研究，得出以下结论。

(1)同龄期混凝土的强度值(MPa)随着水胶比的增加而降低，同龄期混凝土的电通量(C)随水胶比的增加而上升，水胶比是影响混凝土同龄期抗压强度值(MPa)和电通量(C)的主要因素。

(2)当水胶比低于0.5时，以胶凝材料28d胶砂强度所推算出的混凝土强度值要比实际试验所得到的56d抗压强度低4-8MPa，但与混凝土28d抗压强度结果只相差1-4MPa，而以56d胶砂强度推算出的混凝土强度值与实际混凝土56d抗压强度结果相差2MPa以下。

(3)当水胶比高于0.5时以胶凝材料28d抗压强度来解释混凝土56天的抗压强度显得更为合理，但是以56d胶砂强度推算出的结果与混凝土56d抗压强度的试验值之差也在4MPa以内，所以以胶凝材料56d抗压强度值来解释混凝土56d的抗压强度值也是合理的。

(4)用水胶比曲线法设计配合比准确、简单、快捷。尤其是在工期比较紧张的情况下，采用这种方法设计配合比可减少试验数量，节约大量的时间与劳力，又可及时设计出准确又不保守的配合比，更利于施工管理和成本控制。

参考文献:

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 55-2011普通混凝土配合比设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部 中华人民共和国国家质量监督检验疫总局.GB/T 50082-2009普通土凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部 国家市场监督管理总局.GB/T 50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2019.

［4］清华大学老科技工作者协会 北京交通大学土建学院.CECS207∶2006高性能混凝土应用技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2006.