摘 要］配合比是混凝土的靈魂。混凝土的性能、質(zhì)量和耐久性的好壞都與配合比有直接或間接的關(guān)系。作者根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，作此文來講解現(xiàn)代混凝土的配合比理論問題和在做配合比時(shí)應(yīng)注意的原則及事項(xiàng)。

［關(guān)鍵詞］混凝土；配合比；理論

配合比是混凝土的靈魂。混凝土的性能、質(zhì)量和耐久性的好壞都與配合比有直接或間接的關(guān)系。工程的設(shè)計(jì)強(qiáng)度明確以后，現(xiàn)場工程師首先要考慮的是如何做好配合比。怎樣才能做好配合比？做配合比時(shí)我們的理論依據(jù)是什么？應(yīng)堅(jiān)持什么樣的原則？對(duì)現(xiàn)代混凝土來說，無論是理論基礎(chǔ)，還是在理論基礎(chǔ)之上建立起來的規(guī)范，都出現(xiàn)了許多新問題。 這些問題是怎么產(chǎn)生的？如何解決？這些是當(dāng)前困擾混凝土科技界最嚴(yán)重的技術(shù)難題。

二十年前，配合比的理論基礎(chǔ)就是比表面積法，以及在此基礎(chǔ)上制定的規(guī)范，可以說混凝土科學(xué)技術(shù)理論就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。那時(shí)，依據(jù)理論和規(guī)范做具體的配合比工作，基本上滿足工程需要，也基本符合工程實(shí)際。但現(xiàn)在，用二十年前的比表面積理論和規(guī)范來指導(dǎo)現(xiàn)代混凝土，特別是高性能混凝土的配合比工作，已經(jīng)是錯(cuò)誤很大，相差千里了。比如說，二十年前，以比表面積法為理論基礎(chǔ)制定的配合比規(guī)范認(rèn)為，提高砂率，強(qiáng)度就必然會(huì)相應(yīng)降低，可是對(duì)現(xiàn)代高性能混凝土來說，卻不是這樣；加大水灰比，強(qiáng)度也必然會(huì)相應(yīng)降低。對(duì)現(xiàn)代低水膠比混凝土來說，這個(gè)說法也不一定對(duì)。以上種種原因，使現(xiàn)代混凝土的配合比工作，從理論到規(guī)范，都出現(xiàn)了混亂和問題，以致現(xiàn)在工地上的配合比工作，主要靠工程師們的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，靠老一代傳幫帶。所以我們必須重新建立配合比問題的理論基礎(chǔ)，使它能和現(xiàn)代混凝土的技術(shù)進(jìn)步相匹配、相適應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上建立新的符合工程實(shí)際的規(guī)范來。但現(xiàn)代混凝土的配合比工作，受太多因素影響。建立新理論，制定新規(guī)范，絕不是一件容易之事，也絕非個(gè)人之力所能為。本文是作者根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，來講解現(xiàn)代混凝土的配合比理論問題和在做配合比時(shí)應(yīng)注意的原則及事項(xiàng)。以拋磚引玉，向各位專家學(xué)者請(qǐng)教。

1過去配合比所依據(jù)的理論基礎(chǔ)

從世界上第一次發(fā)現(xiàn)天然水泥以后，1824 年，英國利茲的一個(gè)施工人員約瑟夫•阿斯普丁（Joseph Aspdin）提出“波特蘭”水泥的一個(gè)專利，大家認(rèn)為這是混凝土技術(shù)的開始。有了水泥，還要將石頭、砂子和水與其混合在一起才能形成混凝土，才能進(jìn)行工作。這四個(gè)組分如何搭配，它們各自合理的比例是多少？這就是混凝土配合比問題的實(shí)質(zhì)。

近二百年來，關(guān)于配合比在理論上有三種方法，分述如下：

1.1 比表面積法

此法是最早、也是使用時(shí)間最長的一種方法。這種方法的實(shí)質(zhì)是，粗細(xì)骨料都是一種零散體，只有用水泥，如同粘接劑一樣把它們粘接起來，才能形成人造石頭——混凝土。那么粘接劑（水泥）的需要量，就與粗細(xì)骨料提供表面積總量有關(guān)。粗細(xì)骨料提供的總的表面積越多，在達(dá)到一定的強(qiáng)度要求的前提下，水泥的需要量就越大。相反，就會(huì)越少。在這種思路指導(dǎo)下，粗骨料相對(duì)細(xì)骨料，在同等體積下，粗骨料提供的比表面積比細(xì)骨料要少得多，所以，在做一個(gè)具體的配合比時(shí)，在滿足施工要求的前提下，盡可能地提高粗骨料用量，降低砂率，是比表面積法最重要的原則。最通俗的理解是，比表面積法把水泥看成是能粘結(jié)砂石的一種“漿糊”。那么砂石提供的表面積越小，達(dá)到同樣強(qiáng)度所需的水泥“漿糊”就越少。

圖 1 表示粗骨料和細(xì)骨料，粗骨料越多，在達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)水泥需要量就越少。

圖 1 混凝土內(nèi)部粗細(xì)骨料示意圖

圖 2 混凝土中由細(xì)骨料代替
粗骨料引起的表面積變化示意圖

如果我們把圖 2 中的粗骨料放大，取掉一個(gè)粗骨料而用細(xì)骨料代替，表面積就會(huì)成倍增加。在達(dá)到同等強(qiáng)度的前提下，水泥的需要量就會(huì)加大。

比表面積法認(rèn)為，在一定的條件下，為盡可能地降低水泥用量，以達(dá)到降低工程成本的目的，辦法是盡可能多地使用粗骨料，減少細(xì)骨料用量。

總之，比表面積法是使用時(shí)間最長的一種方法。在理論上有簡單易懂的特點(diǎn)，但到目前為止，有些問題還沒有搞清楚，還需要經(jīng)驗(yàn)來補(bǔ)充。比如說，我們?cè)谂浜媳戎�，根�?jù)工程需要，減少了 1kg 粗骨料，那么需要增加多少細(xì)骨料，由此而引起增加多少水泥呢？這個(gè)問題上百年來一直靠經(jīng)驗(yàn)解決。

2005 年，北京市建筑工程研究院退休的工程師傅沛興，提出了骨料的表面積和直徑的關(guān)系：認(rèn)為當(dāng)骨料的直徑減少一半時(shí)，其表面積就會(huì)增加一倍。即當(dāng)我們用直徑為 2cm 的骨料代替直徑為 4cm 的骨料時(shí)，水泥用量就會(huì)增加一倍。以下是傅沛興工程師對(duì)正方體的計(jì)算：

以邊長為 2m 的正方體為例：

體積 V1= 2×2×2 = 8 (m3)

表面積 S1= 6×2×2 = 24 (m2)

將其切為8個(gè)小正方體時(shí)：

總體積 V2= 8×1×1×1 = 8 (m3)

總表面積 S2= 8×6×1×1 = 48 (m2)

計(jì)算結(jié)果： V2= V1

S2= 2S1

所以，正方體邊長小一半，而體積相同，總表面積增加一倍。

同時(shí)他對(duì)其他多邊形和球形也進(jìn)行了同樣的計(jì)算，結(jié)果是一樣的。這是對(duì)比表面積理論很好的補(bǔ)充，如果用于工程實(shí)際，還需要有人做進(jìn)一步的研究。

1.2 最大密度法

此法的核心是，組成混凝土的石、砂以及水泥首先應(yīng)有合理的級(jí)配，以求得混凝土有最大的密度和最低的空隙率。如果組成粗細(xì)骨料和水泥顆粒的級(jí)配不合理，就會(huì)在混凝土內(nèi)部造成很多空隙，這時(shí)候套用比表面積理論必然誤差很大。所以，組成混凝土的各種顆粒，必須求得最佳級(jí)配和最大密度，才能保證混凝土內(nèi)部有最小的空隙率。如何保證有最大的密度和最小的空隙率呢？主要根據(jù)富勒的連續(xù)級(jí)配理論，其方程式如公式 (1)。

P = 100 (1)

式中：P——通過某篩孔的百分?jǐn)?shù)，％；

D——粗骨料最大直徑，mm；

d——篩孔的孔徑，mm。

富勒級(jí)配曲線可用公式 (1) 表示，雖然瑞士學(xué)者鮑羅米和法國學(xué)者費(fèi)瑞特根據(jù)混凝土實(shí)際配制情況有所調(diào)整，但級(jí)配曲線沒有根本性變化。

為滿足混凝土的需要，意大利學(xué)者泰勃勒將富勒連續(xù)級(jí)配公式修改為如公式 (2) 形式。

P = 100 (2)

公式 (2) 較適用于高性能混凝土與自密實(shí)混凝土的砂石最優(yōu)級(jí)配。

只有符合富勒曲線，由大小顆粒組成的材料才會(huì)有最大的單位容重和最小的空隙率。我國許多行業(yè)的施工規(guī)范中，對(duì)混凝土砂石料級(jí)配的要求都是以富勒曲線為基礎(chǔ)，并根據(jù)我國的具體情況做適當(dāng)修改后形成的。目前我國《公路路面混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中，就以最大密度法為理論依據(jù)。

1.3 魏矛斯斷檔級(jí)配法

魏矛斯認(rèn)為，在連續(xù)級(jí)配中，直徑相鄰的小顆粒會(huì)對(duì)大顆粒形成的骨架帶來不利影響。同樣，我國清華大學(xué)廉惠珍教授等人的研究也認(rèn)為：只有當(dāng)小顆粒的直徑約為大顆粒的六分之一時(shí)，小顆粒才能完全只起到填充大顆粒骨架形成的空隙作用，而不會(huì)對(duì)骨料的空隙率起到負(fù)面的增加作用。為了不會(huì)對(duì)孔隙率和混凝土的強(qiáng)度帶來不利影響，所以必須人為地對(duì)混凝土中的大小顆粒進(jìn)行斷檔級(jí)配。

在這個(gè)思路的支配下，混凝土中的粗骨料一般都是單級(jí)配而不是二級(jí)配。也就是說，粗骨料只用 2～4cm 石子，人為去掉 0.5～2cm 的小石子，提高砂率，在不增加水泥用量的前提下也能達(dá)到理想的空隙率最低而強(qiáng)度較高的質(zhì)量效果。

以上三種有關(guān)配合比的理論是到目前為止我們做任何配合比的依據(jù)。

比表面積法以如何減少骨料的總表面積為核心，最大密度法和斷檔級(jí)配法以如何增大骨料的單位容重和最小空隙率為核心。二者表面上看起來似乎有矛盾之處，但仔細(xì)分析后就不難發(fā)現(xiàn)，最大密度法和斷檔級(jí)配法都是對(duì)比表面積法的補(bǔ)充。

比表面積法是使用時(shí)間最長、影響最大的一種方法。我國《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》到目前為止都是以它為理論依據(jù)的。國外的情況也基本一樣。最大密度法近二十多年來在我國公路、民航使用較普遍一些。在同一個(gè)單位，老一代工程師用比表面積法多一些，而中青年一代使用最大密度法多一些。在同一個(gè)工地，使用同樣的原材料做同一強(qiáng)度的配比，兩種方法在粗細(xì)骨料的用量上大不相同。表 1 是 2003 年在廣州白云新機(jī)場、2005 年在內(nèi)蒙呼和浩特機(jī)場、2008 年在天津機(jī)場對(duì)機(jī)場跑道設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度為 5MPa 的干硬性混凝土，老一代工程師和中年工程師所做的配比。

表 1 廣州、天津、呼和浩特機(jī)場干硬性混凝土不同配合比對(duì)比表

注：強(qiáng)度值為 28 天 3 組平均抗折強(qiáng)度。

從上面幾個(gè)不同的配比可以看出，每個(gè)機(jī)場的第一個(gè)配比是按最大密度法做出來的，大小石比例是 5∶5 或 6∶4，砂率是 32%；第二個(gè)是按比表面積法原理做出來的，大小石的比例是 7∶3，砂率是 28% 甚至 26%。二者的 28 天強(qiáng)度基本一致，沒有高低之分，要讓作者對(duì)這兩種方法進(jìn)行對(duì)比點(diǎn)評(píng)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，比表面積法在低強(qiáng)度等級(jí)（C30 以下）和大水灰比混凝土中適應(yīng)性較好，而最大密度法在高強(qiáng)度等級(jí)（C40 以上）和較低水灰比（水灰比為 0.45 以下）適應(yīng)性較好。