3.1 混凝土配合比设计原则

混凝土配合比设计要在满足设计要求的强度、容重、耐久性与施工和易性的条件下，尽量使水泥用量少。设计混凝土配合比时，应遵循以下原则^［3-1］。

（1）根据工程要求、结构型式、施工条件和原材料情况，配制既满足工作性、强度与耐久性等要求又经济合理的混凝土，确定各种材料用量。

（2）合理选择水泥品种及强度等级。

（3）在满足工作性要求的前提下，应选用较小的单位用水量。

（4）在满足强度、耐久性及其他要求的前提下，选用合适的水胶比。

（5）应选取最优砂率，即在保证混凝土拌合物具有良好的黏聚性并达到要求的工作性时用水量最小、拌合物密度较大所对应的砂率。

（6）为降低水泥用量及改善和易性，应掺用优质掺合料（粉煤灰等）和外加剂。

（7）选用可能的骨料最大粒径和粗骨料用量。根据建筑物结构的断面和钢筋布置的稠密程度及施工设备等情况，应尽可能选用较大的骨料最大粒径和较大的骨料用量。

（8）选择较好骨料级配。骨料级配（包括粗细骨料各自的级配和砂率），对混凝土的密实性及和易性有较大的影响。根据就地取材的原则，在选择骨料级配时应考虑料场的实际级配，尽量减少弃料，降低骨料生产费用。

（9）经济性，尽量降低混凝土单价。

混凝土配合比设计必须满足工程结构设计要求的强度。水工混凝土的强度服从“水灰比定则”，即“水灰比”是混凝土强度的决定性因素。当混凝土的原材料、质量和其他条件不变时，水灰比大小决定混凝土的强度大小。满足强度要求的水胶比，可根据工程所建立的混凝土强度与水胶比的关系曲线或关系式确定。对于尚未建立强度与水灰比关系的工程，可从混凝土强度与水胶比及水泥强度等级的关系式初步选定。

混凝土除满足结构要求的强度外，还应满足其耐久性的要求。一般而言，强度足够的大体积内部混凝土，在通常的情况下都是耐久的。在这种情况下，强度是选择水胶比的主要根据。但当并不需要很高的强度、却因环境条件比较恶劣而需求混凝土具有较高的耐久性时，对耐久性的要求则是选择水胶比的主要根据。这时，为了满足耐久性的要求，往往规定水胶比的最大允许值。可以根据建筑物的类型和使用条件，参照有关的规范选择水灰比。

混凝土的耐久性与其内部毛细孔隙大小及分布状态有关。而毛细孔隙大小及分布状态与用水量和胶凝材料的水化程度有关。混凝土用水量多，其内部毛细孔隙就多，外部侵蚀性介质（如含有害物的水或气体）渗透至其内部的可能性就会增加，对混凝土的耐久性不利。

在保证混凝土强度、耐久性的要求下，施工和易性也是配合比设计考虑的原则之一。

和易性是混凝土拌合物满足施工要求的重要技术性能，它对施工质量有直接的影响。工作性好的混凝土在施工过程中骨料抗分离性好，泌水小，可获得较高的混凝土强度和耐久性。一个设计适当的配合比必须易于浇筑并用现有设备能振捣密实，易于施工，离析和泌水应降至最小。如果工程需要，应当以增加砂浆用量重新设计配合比来改善工作性，而不是用单纯增加用水量的方法来改善工作性。因为用水量增加不仅会降低混凝土强度和耐久性，而且混凝土拌合物也容易离析，因此在满足和易性的要求下，尽量降低混凝土的用水量，保持水灰比不变，用水量越小，水泥用量也越少。

在施工许可的条件下，用尽可能小的坍落度，坍落度愈小，用水量愈少；骨料最大粒径愈大，用水量也愈少。同时，骨料的级配好，空隙率小，粗细骨料的比例即砂率合适，混凝土的用水量也少。所以在施工许可的条件下，应选用较小的坍落度，选用最大粒径较大的粗骨料和最佳的骨料级配以减少混凝土的用水量。

当砂、石骨料和胶凝材料种类不变时，影响和易性的主要因素是用水量、浆骨比、砂率、外加剂品种与剂量。若施工要求调整和易性时，应遵循以下原则：

1）增加用水量应保持水灰比不变。

2）浆骨比是水泥浆（或胶材浆液）与骨料之比。增大浆骨比即增加浆液浓度，可以增加拌合物的黏聚性，增加坍落度。

3）用增减砂率来调整拌合物的稠度。坍落度在一定范围内用增减砂率调整是有效的。

4）为了获得理想的和易性，而用水量又不增加时，采用品质优良的外加剂，特别是减水剂，就能达到目的。

在单位体积混凝土中，粗骨料的体积含量最大，因此，粗骨料的体积密实性直接关系到混凝土的空隙率。混凝土粗骨料的空隙率越小，充填空隙的水泥砂浆用量越少。为了达到最佳的粗骨料体积密实度，应选择粗骨料的最佳级配，使其空隙率减小。

粗骨料的最大粒径越大，在给定体积的粗骨料或在骨料级配相近或较好的粗骨料中，较大粒径粗骨料的表面积和空隙率要比较小粒径粗骨料的小，那么，包裹和充填的水泥砂浆量少，在同样的用水量时，能够获得较好的和易性。但是，粗骨料的最大粒径应根据结构物断面尺寸、钢筋间距以及施工工艺条件和要求来选定。根据水工建筑物设计的规范要求，混凝土粗骨料最大粒径应不大于结构物断面最小尺寸的1/4，不大于钢筋最小净距的3／4，不大于板厚的1/2^［3-2］。

另外，在选择粗骨料最佳级配时，要尽量兼顾骨料开采加工与使用量的关系，使利用率最高，弃料最少。

在满足强度和耐久性以及施工和易性，保证获得优良工程质量后，降低混凝土成本就是要考虑的问题，所以经济性也是混凝土配合比设计应遵循的基本原则。

混凝土的组成材料中，水泥的用量相对较少，但成本最高。在满足混凝土技术要求的条件下，应尽量减少水泥的用量，减少水泥的用量不仅可以降低混凝土成本，而且还可降低混凝土的水化热温升，从而避免或减少温度变化引起的混凝土开裂。为了减少水泥用量，可用合适的掺合料（如粉煤灰等），取代部分水泥，使用适当的外加剂，采用较小的坍落度，以及采用最大粒径较大的骨料和最佳砂率。对于水利水电工程大体积混凝土来说，使用量最多的还是骨料，要降低工程费用，应尽量就地取材。在有天然骨料且能满足要求时，应优先使用天然骨料；如果得不到合适的天然骨料，应就地开采加工人工骨料。无论是天然骨料，还是人工骨料，都要尽量提高其利用率，减少弃料。配合比设计的经济性还应与施工所要求的质量控制指标有关^［3-2］。

很明显，改变混凝土一种组分用量时必定会影响其他组分用量的变化。例如，在1m³混凝土中，减少水泥用量就必定增加骨料用量。在一定的材料和一定的工程（即结构类型和施工方法已定）的条件下，配合比设计受用水量、水灰比和砂率诸因素控制。改变混凝土配合比的一个参数，会对混凝土两种互相影响的性能产生相反的影响。例如，增加混凝土的用水量，虽会增加混凝土的流动性但却会降低混凝土的强度。事实上，混凝土的和易性由两个重要部分组成，即稠度（易于流动）和黏性（抵抗离析）。当增加用水量时两者恰恰受到相反的影响，流动性增加同时黏性减小。