1混凝土配合比设计原则
混凝土是以水泥为主，掺用若干种粉状矿物掺合料加水和外加剂配制成的胶结材浆体，将散落的砂、石拌和均匀，浇筑在梁、柱、板等各种模型中，牢固地粘结成一个整体的工程材料。混凝土在配制生产过程中，除要求水泥基胶结材浆体本身均匀外，还要求通过搅拌将每个砂、石颗粒用浆体包裹分割开来，再通过振捣等施工工艺，使砂、石获得最紧密的堆积，被胶结材牢固地粘结在一起。
泵送大流动性混凝土和自密实混凝土还要求胶结材浆体有足够的粘性和流动性，施工时能将砂石均匀悬浮在胶结材浆体中。混凝土在生产搅拌过程中会由砂、石带进一部分空气，由于耐久性的要求，还会通过掺入引气剂引进一部分气体。因而混凝土是一种含多种原材料，含固、液、气三相的多元多相水泥基复合材料。
为此，设计配制优质混凝土必须遵守以下原则：
(1)混凝土由胶结材浆体(胶结材+水+减水剂)体积、空气体积、砂体积、石体积四部分组成，应按这四部分体积比进行混凝土配合比设计；和混凝土强度、耐久性的关键组分，因此应首先按施工工艺及强度、耐久性要求，尽可能科学合理地选定水泥品种、水灰比(水胶比)，单方水量与高效减水剂品种、用量，以及掺合料品种、用量，配制出适用的胶结材浆体；
(3)所有砂、石和粉状固体颗粒应有最密实的堆积；
(5)混凝土浇筑后经振捣、养护等工艺应能满足结构设计要求的各种性能，如抗压强度、弹性模量、抗渗、抗冻融等性能。
本文主要就混凝土配合比的合理设计方法加以论述。
2设计符合要求的胶结材浆体
普通混凝土从施工工作性可区分为干硬性混凝土(坍落度小于10mm)、低塑性混凝土(坍落度10～40mm)、塑性混凝土(坍落度(50～90mm))、流动性混凝土、(坍落度100～150mm)和大流动性混凝土(坍落度大于160mm)五种类型。干硬性混凝土浆体只要将胶结材与水混合均匀即可，低塑性和塑性混凝土浆体则应适当添加塑化剂或普通减水剂，流动性混凝土和大流动性混凝土浆体则需要添加高效减水剂并在胶结材中掺含大量玻璃微珠的粉煤灰组分，以利于施工和易性。各种类型混凝土依据施工工艺及强度、耐久性等要求，可适当添加矿物掺合料。
鉴于混凝土为工程结构材料，混凝土配合比除考虑施工工作性外，更重要的是要根据结构强度、耐久性要求进行设计。为此首先应按强度等级选定适宜的水泥品种与水灰比；同时按施工工艺要求设计单方水量以及与之相适应的减水剂品种、用量；再按施工工艺和硬化混凝土耐久性要求选择掺合料品种、取代水泥量等，以配制出符合要求的水泥基胶结材浆体。
在高效减水剂广泛应用的今天，混凝土单方拌和水量，在水胶比大于0.5时，不宜多于190kg；在水胶比小于0.4时，则宜以配出的胶结材浆体量不大于0.36m3(自密实混凝土不大于0.4m3)以及施工工艺要求设计单方拌和水量；同时选用与之相适应的高效减水剂品种、用量。
在设计混凝土配合比时应采取大量掺用工业废渣，减少水泥用量的原则，矿物掺合料取代水泥量不宜低于50%。配制出的胶结材浆体要有一定的流动性和粘性。
浆体流动性大小主要与高效减水剂的性能、掺量以及单方水量大小相关，浆体的粘性则与胶结材粉体数量、水胶比和外加剂性能相关。宜按施工工艺要求对浆体的流动性和粘性适当调整。
3按堆积密实原则设计单方砂、石量
在设计出符合混凝土强度、耐久性和施工工作性要求浆体的基础上，在每m3混凝土中除去浆体体积和空气体积外，剩余部分便是砂、石体积。如前所述，在设计混凝土配合比时所有砂、石及粉状固相颗粒应有最密实的堆积。怎样才能获得最密实的堆积呢，方法有二。一是种著名的富勒氏连续级配理论，其方程式如式(1)：
另一种获得密实堆积的方法为间断级配，以间隔三个以上筛号的小颗粒填充大颗粒空隙。
鉴于目前国内建筑工程施工混凝土的石子最大粒径多为25mm和20mm。笔者经反复多次试验，最大粒径为25mm和20mm的石子，如按表内两级配复配，空隙率均可降至38%以下，如按三级配、四级配复配，则空隙率可降至36%以下。
鉴于砂、石来源与材质不同，在配制混凝土时，不宜用与石子统一的连续级配要求砂子，一般均用砂率表述砂、石配合关系。
石子最大粒径为25mm的普通混凝土的连续级配砂率约为40%，石子最大粒径为20mm的普通混凝土的连续级配砂率约为45%。但由于最大粒径为25mm的石子用(1)式计算的密实堆积状态的砂子偏粗，比粒度为4，若换用比粒度为5的偏粗中砂，则砂量变为39.9×4/5=31.9%，加上石子的60.1%，砂石合计为31.9+60.1=92%，则砂率变为31.9/92.0=34.7%，较原计算砂率降低5.2%(5%左右)。同样，同(2)式计算的堆积密实状态的砂子比粒度为4.63，已属于偏粗的中砂，如改用比粒度为5的中砂，砂率约降低2%。
对于砂率，日本建设省提出的“新RC计划”认为，最大堆积密实度理论对于骨料比表面积与多余的起润滑作用的浆体数量的影响考虑得不够，提出有利于新拌混凝土流动性的砂率降低值。
笔者经试验证明，在胶结材量较多时适当减少砂率，确有利于混凝土的流动性。表1为笔者探索自密实混凝土配合比过程中的部分试验数据。
表1的数据说明，对于胶结材多的混凝土，按堆积密实曲线适当减少砂率，不仅有利于流动性，而且有利于浆体与骨料的总体密实性，在表3中体现为强度也有一定程度的提高。
另外从堆积密实原则看水泥及掺合料粉体与砂石的堆积关系，由于水泥、S95磨细矿渣粉的粒径多在1～80μm之间，一级粉煤灰稍细一些，二级粉煤灰稍粗一些。如按d2=d1/2的筛孔缩减规律看，胶结材粉体或浆体与砂、石混拌均匀，也符合间断级配堆积密实规律。
综上所述，设计混凝土配合比必须按强度、耐久性与施工工作性要求，设计出合乎要求的胶结材浆体。有了胶结材浆体体积，则在每m3混凝土拌合物中，除去浆体体积和空气体积就是砂、石体积。然后根据石子最大粒径按堆积密实及有利于流变性原则选择合适的砂率，即应得出符合要求的混凝土配合比。
4对堆积密实型连续级配的进一步研究
按前述规律通过反复多次试验与探索，发现堆积密实型连续级配曲线，仅(1)式不能涵盖各种类型混凝土的实际情况。经反复试验认为，宜按干硬性混凝土(坍落度小于10mm)、低塑性混凝土(坍落度10～40mm)、塑性混凝土(坍落度50～90mm)、流动性混凝土(坍落度100～150mm)和大流动性混凝土(坍落度大于160mm)五种类型分别建立适用的连续级配计算式。
前述(1)式适用于塑性混凝土的骨料连续级配。流动性混凝土的骨料连续级配则宜采用(2)式。
通过用(2)、(3)、(4)、(5)式计算，石子最大粒径为25mm时，流动性混凝土的连续级配砂率约为45%，低塑性混凝土的连续级配砂率约为31%，干硬性混凝土的连续级配砂率约为20%；石子最大粒径为20mm时，流动性混凝土的连续级配砂率约为50%，低塑性混凝土的连续级配砂率约为37%，干硬性混凝土的连续级配砂率约为24%。
鉴于中、低塑性混凝土石子最大粒径有时用至31.5mm，用同样方法计算得出，石子最大粒径为31.5mm时，塑性混凝土的连续级配砂率约为34%，低塑性混凝土的连续级配砂率约为27%，干硬性混凝土的连续级配砂率约为15%。
此前，曾用(1)式，用最大粒径为25mm的石子，采取经验上常用的胶结材量和用水量配制胶结材浆体，并参照日本新RC计划降低砂率规律探求胶结材浆体与砂、石单方用量关系时，计算如表2。
从表2的数据发现，当砂率随胶结材用量的增加而降低时，粗骨料用量大体稳定在某一量值上。其规律是混凝土拌合物的稠度愈干，石子最大粒径愈大，则堆积密实型连续级配所用的石子量愈多；反之则石子用量愈少。
参照此现象，将五种类型混凝土按堆积密实连续级配公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)进行计算。将5～25mm与5～20mm石料分别按5～15mm与15～25mm以及5～15mm与15～20mm两个粒级复配，计算出砂率与石子量关系，如表3所示。
表3的数据给人们以启示，从中得出了混凝土科学配合方面的一些重要信息和规律。
(1)不同类型混凝土、不同石子最大粒径的单方石子用量大体稳定在一定数量上。如要求配制的混凝土拌合物稠度硬一些(坍落度小一些)，可将单方石子用量较表3的数量稍增一些；如要求配制的混凝土拌合物稠度软一些(坍落度大一些)，则可将单方石子用量较表5的数量减少一些。
(2)从表1的连续级配计算可以看出，石子最大粒径为25mm时，粒径小于0.16mm的粉状颗粒占8%～9%；石子最大粒径为20mm时，粒径小于0.16mm的粉状颗粒占18%～20%。故表3所列连续级配砂率均为低胶结材(单方胶结材量为250～300kg)砂率，随着单方胶结材量的增加，砂率相应降低。不论是大流动性混凝土或其他任何类型的混凝土，砂率都是随胶结材数量变化而改变的，即使是干硬性混凝土也符合这一规律，砂率都不是一成不变的。
(3)要取得堆积密实效应，粗骨料必须采取两个以上粒级混拌的方法，才能使混拌后的粗骨料空隙率小于38%。表3将石子最大粒径为25mm和20mm分别按25～15mm与15～5mm以及20～15mm与15～5mm两个粒级复合的比例列出。从表上数据看，混凝土拌合物的稠度愈软(流动性大)，5～15mm较小颗粒石子用量愈多，但只要在搅拌机进料口处按两个以上粒级复配，即可配出级配优良的混凝土拌合物。
对此，美国ACI211.1标准关于单方石子用量的规定可资借鉴。表4为ACI211.1标准关于单方粗骨料体积的数据。
以表4中两个数据为例，用细度模数为2.8的偏粗中砂，表4中石子最大粒径为25mm时，单方石子量为干捣实体积0.67m3；石子最大粒径为20mm时，单方石子量为干捣实体积0.62m3。美国的骨料均为规模化大生产，粒形与级配均较好，石子空隙率一般均小于36%。按空隙率为36%计，干捣实体积0.67m3相当于石子实体积0.67×(1-0.36)=0.429m3，干捣实体积0.62m3相当于石子实体积0.397m3，基本与表3中塑性混凝土的石子用量相当。若以此单方石子量配制流动性或大流动性混凝土则石子用量太多，若以此石子量配制路面用低塑性混凝土则石子量又太少。说明ACI211.1推荐的石子用量主要适用于塑性混凝土，不能适用于不同类型的混凝土。
日本JASS5也有类似推荐石子用量的数据(解说表4.4)，此处不一一赘叙。
参照ACI211.1标准，说明本文将国际上常用的富勒氏连续级配计算式发展为五个计算式，以及设计混凝土配合比时按不同类型混凝土与石子最大粒径先选定单方石子量而不采取固定砂率的方法是有利于正确设计优质混凝土配合比的。
另外，通过多次拌和试验发现同样的砂浆量，胶结材浆体多，砂子少的砂浆较胶结材浆体少，砂子多的砂浆有利于包裹，分割较多一些石子。因此，在设计混凝土配合比时，当胶结材用量大于400kg/m3时，单方石子量可较表3的数据增加3～5L；当胶结材用量大于500kg/m3时，石子用量则可增加5～10L。
至于自密实混凝土，我国《自密实混凝土应用技术规程》(CECS203：2006)和《自密实混凝土欧洲指南》明确规定石子最大粒径为20mm，单方石子用量为280～350L；日本建筑学会《自密实混凝土施工指南》也明确规定单方石子用量为280～350L，但石子最大粒径可用到25mm。这些标准均规定胶结材(含惰性掺合料)的粉体体积不少于160L，以确保胶结材浆体的粘聚性。均未规定砂率指标。因而自密实混凝土配合比设计也同样是，先根据结构物强度、耐久性和自密实施工工艺要求，选择适宜的水泥品种、水灰比，选择高效减水剂品种、用量和单方水量，再选择掺合料(含惰性掺合料)品种、数量，配制出符合要求的浆体；再根据钢筋间距和模板形状、尺寸，选定石子最大粒径及单方用量，进行试拌，通过工艺性试验、调整后提出生产配合比。
目前我国建筑工程每年开复工面积以亿m2计，混凝土施工量也达数亿m3。而混凝土配合比却处于严重落后状况，不仅落后于欧、美、日本等发达国家，也落后于国内的水利、交通等行业。我国水利工程混凝土的粗骨料多为三级配、四级配，道桥工程混凝土多为二级配、三级配，惟独建筑工程混凝土至今从南方到北方仍以连续级配的名义进行多粒级混合料的生产、销售。
事实上，任何混凝土均不可能在骨料生产地拌制。粗骨料经过运输、倒运，必定打乱了原来的级配。经倒运后的粗骨料不论大颗粒集中的部分或小颗粒集中的部分，其空隙率均大于原级配，从而导致所配制的混凝土不但谈不上密实堆积，而且浆体忽多忽少，极易离析泌水，不仅影响施工性，而且影响混凝土强度不均匀，抗渗性、耐久性降低，浆体搭配不稳定，导致增加裂缝的几率。
鉴于国内建筑业的砂、石生产，远没有达到发达国家的规模化大生产，多处于一家一户的小生产状况，而且多采用颚式破碎机，石子粒形很差，更谈不上科学的级配，只能供应最大粒径为25mm或最大粒径为20mm名义上称为连续级配的混合石料。对于这种混合石料，如果采取二级配，例如5～25mm的混合石子在搅拌机进料口处改用5～15mm与15～25mm二级配，将5～20mm混合石料在搅拌机进料口处改用5～15mm与15～20mm二级配，就不但可以配成级配良好的骨料，而且基本达到最密实堆积的级配。仅此一项措施，就可以大大改善当前建筑工程混凝土质量不稳定的一个重大病害，也是针对我国建筑业砂、石生产落后方式的一剂良方。
笔者曾访问过一些混凝土公司，对目前这种5～20mm和5～25mm混合料对混凝土质量的不利影响均感头疼，若将供货石子改为5～15mm、15～20mm和15～25mm三种规格，搅拌站料场布置并不困难，而对混凝土质量则有较大的改善。至于砂、石生产商则完全可以按规定规格生产、供货，不存在任何困难。
为此，建议通过修订混凝土配合比设计规程，明确规定石子最大粒径大于20mm时，必须用两个以上粒级复配，以改变建筑工程混凝土质量落后于水利、交通、市政工程的现状。
6结语
在上世纪50年代以前，混凝土配合比主要是水泥、砂、石和水的比例，而且当时施工的基本上都是低塑性混凝土，水灰比为0.6～1.1，因而配合比问题比较简单，由料斗计量改为重量比已是一大进步。
随着高效减水剂的诞生，降低水灰比提高混凝土强度成为必然发展趋势。在水灰比逐渐降低的过程中，以大量掺合料提高混凝土密实性的高性能混凝土随之出现。进一步发展出现自密实混凝土，影响混凝土配合比规律的因素较前复杂多了。今天来思考混凝土这种多元多相非匀质水泥基复合工程材料的配合比问题，主要注意力应放在胶结材浆体与砂、石的关系上，重点则在于配制出符合施工工艺要求同时符合硬化混凝土强度、耐久性的胶结材浆体。同时必须重视高性能外加剂对于水泥、各种掺合料的适应性和减水性能，在此基础上才能确定单方用水量。随着单方用水量的确定，水泥、其他掺合料用量随之确定，即可配制出符合混凝土诸多性能要求的胶结材浆体。这是混凝土配合比设计最重要的一步。
对于堆积密实性原则，笔者经过反复探索研究，将国内外常用的富勒氏连续级配计算式按不同类型混凝土建立为五个计算式，是本文的创新，应有利于合理设计优质混凝土配合比。
总之，合理设计优质混凝土配合比，首先要根据结构物强度、耐久性与施工性的要求设计胶结材浆体，其次按环境与耐久性设定空气量。在胶结材浆体体积与空气体积确定后，剩余的空间便是砂、石体积，再根据堆积密实原则针对不同类型混凝土与石子最大粒径，提出建立的五个连续级配计算式求得最适宜的单方石子量。基于混凝土拌合物的堆积密实性与流变性的规律，砂率必然随胶结材浆体量的增减而变化，通过本文论证，设计混凝土配合比时，不宜以砂率为主导参数，而宜根据不同类型混凝土和石子最大粒径按堆积密实原则选用适宜的单方石子量。这样，除去胶结材浆体体积、空气和石子体积，便是砂子体积。
依据堆积密实原则，砂子宜用比粒度为5(相当于细度模数2.6～3.0)的偏粗中砂，如用不同细度的砂，可用比粒度计算出增减砂子数量，相应适当调整石子用量。另外，在混凝土配制技术研究中，许多试验的结论认为，骨料表面吸附水分不参与水泥水化，故欧美等国家标准均规定以自由水与水泥用量之比为水灰比，许多国家规范均要求测砂、石吸水率，这一点也值得我们借鉴。
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