全计算法混凝土配合比设计模板.docx

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全计算法混凝土配合比设计模板

全计算法混凝土配合比设计模板

2015-07-07 质砼道合砼舟共剂 混凝土外加剂销售

混凝土第一视频网

［摘要］本文介绍利用电脑进行全计算法的砼配合比设计的具体操作方法。

在电脑上利用Excel软件创建起全计算法的设计模板，通过复制模板并在复制的模板上进行创新或修改设计的操作，建立新的文件版本，得以快捷容易地完成系列化的配合比设计。

利用电脑建立模板进行设计是全计算法实用化的必然发展，全计算法的优越性也通过完成系列化设计得以充分体现。

1　模板制作

目前，各商品混凝土拌楼都用微机控制生产，试验室用微机编制报表文件，经营部用微机管理材料和混凝土购销账目。

有的还实现了厂内联网，查询和传送数据、资料十分方便，指挥和调控生产快捷有效，还保证了准确无误和高透明度。

配合比的设计和调整设计若能用微机进行当然将大有利于生产管理，混凝土配合比设计的全计算法则使之成为现实。

企业的微机一般都配置有Excel2000软件，创建和使用包含数学公式和函数的模板是其重要功用之一。

微机操作人员多半都会直接利Excel的默认模板，输入全计算法的具体内容，很容易地就创建出相应的具体模板（工作表），得以实施混凝土配合比的设计计算。

变动输入的具体参数，则相应变更配合比的设计结果。

把各个具体设计结果编号置入一个工作簿中，随时可以调出来查阅、修改和使用。

可以给个名称，本文就取名《全计算法混凝土配合比设计模板》（下文简称《模板》）。

有了《模板》进行全计算法的配合比设计就无比快捷、迅即成就了。

几分钟就能完成一组系列设计，随意作业，变幻万千。

当然，要使模板作业符合实用，不是单纯“纸上谈兵”，必须依据混凝土科学原理和实际原材料情况，合理、准确地选用设计参数，对所得设计结果要分析评断，结合试拌试验结果仔细论证，调整修订参数，刷新模板内容，最后得出符合实际的优化方案。

下面用实例来讲解《模板》的制作。

计算结果的取位、化整等细节处理就不一一交待了。

表1　全计算法混凝土配合比设计模板（Ⅰ）

列

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

行

强度等级

设计标准差

配制强度

配制强度是标号强度百分数

掺合料掺量率

胶凝材料强度

水胶比

浆体体积

干砂浆体积

含气量

用水量

胶凝材料用量

水泥用量

掺合料用量

砂率

砂用量

石子用量

外加剂

容重

掺率

用量

4

15

3.4

20.6

137%

35.0%

45.0

0.78

315

385

10

204

262

170

92

40.1%

722

1080

1.0%

2.6

2271

5

20

4.0

26.6

133%

30.0%

48.0

0.67

320

390

10

199

295

207

89

39.5%

707

1081

1.2%

3.7

2286

6

25

4.5

32.5

130%

27.5%

49.5

0.59

322.5

392.5

10

191

325

235

89

38.6%

688

1094

1.6%

5.2

2303

7

30

5.0

38.1

127%

25.0%

51.0

0.53

325

395

10

1865

351

263

88

37.9%

672

1103

1.9%

6.5

2318

8

35

5.5

44.0

126%

22.5%

52.5

0.48

327.5

397.5

10

181

375

290

84

37.3%

659

1110

2.1%

7.9

2332

9

40

6.1

50.0

125%

20.0%

54.0

0.44

330

400

10

176

398

318

80

36.7%

657

1115

2.3%

9.2

2345

10

45

6.5

55.7

124%

20.0%

54.0

0.40

332.5

402.5

10

170

421

377

84

36.0%

631

1124

2.6%

10.9

2358

11

50

6.9

61.4

123%

20.0%

54.0

0.37

335

405

10

164

444

355

89

35.3%

617

1132

2.9%

12.6

2370

12

55

7.2

66.8

122%

20.0%

54.0

0.34

337.5

407.5

10

160

464

371

93

34.6%

604

1139

3.1%

14.3

2380

13

60

7.5

72.3

121%

20.0%

54.0

0.32

340

410

10

155

484

387

97

34.1%

592

1144

3.3%

15.9

2390

　　这里给出某商品混凝土厂泵送混凝土配合比系列设计模板的打印结果，如表1所示。

模板用Excel的默认模板创建而成，除赋予模板名称和版次之外，图表首行各标题栏目占用了默认模板的三行位置，从第四行起才是图表的数据显示内容，也就从这行起引入了算式计算。

例如“强度等级”是A列的标题，其下的“15”是A列第4行即A4位置的数据。

“配制强度”列中“50.0”MPa是C9位置的数据。

如此等等。

通常各行中同一列的数据用相同的公式计算得出，特殊情况下也可各自计算得出。

为了解说方便，在图表上标志出了行列序数，屏幕显示和打印图表上这些序数是隐而未显的，但在创建模板、引进公式时不可或缺、错乱不得。

A列“强度等级”，指拟配制混凝土的等级标号，作为自变量输入成系列的确定值，C15就是15，C30就是30，无须解说。

B列“设计标准差”，即σ值，也作为自变量输入选定数值。

示例表1中未按《普通混凝土配合比设计规程》和《混凝土结构工程施工及验收规范》的推荐值取用，因为推荐值造成低标号混凝土的强度富裕系数偏大，高标号混凝土又偏小，故另行择定较适当的强度富裕系数反推出σ值如表1中所示。

C列“配制强度”，这是因变量，由混凝土强度公式fcu，0＝fcu，k＋1.645σ决定，模板上建立公式Ci＝Ai＋1.645Bi（i为行序数i＝4，5，6，7，…下文同此），自动算出。

查看C列数据，认为是适当的。

D列“配制强度是标号强度百分数”，即配制强度的富裕系数，也是因变量，模板上建立公式Di＝Ci/Ai×100%算出。

其实D4＝137%、D5＝133%这种数值仍偏高，受《规程》、《规范》一些条款的制约难以再降低，只好认可。

E列“掺合料掺量率”，是可自由择定的自变量。

该厂掺合料用名为Ⅱ级的当地电厂粉煤灰，其实质量常在Ⅲ级灰边缘，但不得不用、不得少用，实在无奈。

这里的掺量是粉煤灰在胶凝材料（水泥加粉煤灰）总量中的重量%数，符合惯例。

F列“胶凝材料强度”，须据实设定的自变量。

该厂用红狮牌P.O42.5水泥，水泥强度稳定在54MPa多些许，相当不错，但配制低标号混凝土显然嫌高了。

与粉煤灰掺合，粉煤灰掺量≤20%，胶凝材料强度取54MPa，再增掺量，每增5%相应降低强度3MPa，试验证实大致符合实际情况。

C15混凝土粉煤灰掺量提至35%，使胶凝材料强度降至45MPa，有利于配合比设计。

C20混凝土掺粉煤灰30%亦然。

由于该厂用的粉煤灰含强吸附性的焦炭，不利于超塑化剂的使用，否则各等级标号的混凝土都能更多掺用些粉煤灰。

G列“水胶比”，按《规程》的公式W/（C＋F）＝决定，是因变量，模板上用算式Gi＝来算出。

该厂用卵石，粗颗粒虽经破碎，仍宜用卵石混凝土的系数：

αa＝0.48，αb＝0.33，代入算式。

若用碎石混凝土的系数：

αa＝0.46，αb＝0.07，代入算式，算出的结果也相差不大。

需要指出，C20混凝土算出的水胶比为0.67，略超出《规程》钢筋混凝土最大水胶比0.65的规定。

如果把E5变为35%，F5相应变为45MPa，则得G5＝0.65，刚好符合规定。

由试拌试验得知，改过来的效果不如不改的好，何必拘泥？

！

放在模板上更无须改动，予以注意到就是了。

H列“浆体体积”，这是全计算法的基本设计参数，配合比的核心和关键数据，值得下功夫去研究和体会它的作用和影响。

这是个自变量。

根据国内外近期混凝土学科研究成果，认为对高强高性能混凝土，浆体量最佳值宜取为350L/m3；对综合性能要求不那么严格和完善的其他混凝土，出于经济性考虑，可适当降低点数值，像普通标号的商品混凝土，就可以取315～330、340L/m3范围的数值。

本示例模板所列有规律选取的浆体体积的设定值可以作为一种选择模式仿用。

I列“干砂浆体积”，这是全计算法的另一个基本设计参数，也是配合比的核心和关键数据，也值得下功夫去研究和体会它的作用和影响。

这又是自变量。

根据研究成果，对配制高强高性能混凝土，它宜按石子的空隙率取值，即450L/m3，普通标号商品混凝土石子粒径较大、级配做得较好，空隙率明显减小，卵石减小更多，故而干砂浆体积应减小取值，也就是降低砂率。

该厂所用河砂含5～15mm粒级的豆石较多，扣除豆石后砂的细度模数偏小，属细砂范围。

5～31.5mm的卵石颗粒级配连续性尚好，但5～15mm粒级含量偏少，与砂中豆石再适量添加5～16mm豆石相配合，则能构成良好的石子级配，空隙率可降至35%。

经过反复试验模索，干砂浆体积取表中所列数值相对最为适当。

与全计算法用碎石的通常干砂浆体积取值相差甚大，但原理上并不相悖。

拌出混凝土的密实性、稳定性都颇良好。

J列“含气量”，即拌制混凝土裹入的空气体积，未用含加气剂的外加剂，依《规程》建议取值为10L/m3混凝土，根据积累的经验，用较低档次的缓凝减水剂时，空气体积取值15L/m3也较合适。

这里有意保持实际灰浆量稍许多点，取值10（浆体体积中包括空气体积之故）。

这是自变量。

K列“用水量”，这是因变量，全计算法用下列公式算出：

式中，W为用水量（kg/m3），VW为其体积（L/m3），Ve为浆体体积，Va为空气体积，W/（C＋F）为水胶比，φ为粉煤灰（或矿粉等其他掺合料）在胶凝材料中的体积掺量%数，ρf为其比重，ρc为水泥比重，C和F为水泥和粉煤灰用量（kg/m3）。

拌楼通用重量计量，公式中φ为体积%数殊为不便，宜换算成重量%数，，经推算，用水量公式可改写为，乃胶凝材料的比容（比重的倒数），有其物理意义。

为便于模板制作，上列公式再改写如下式：

，模板上引入公式Ki＝（Hi－Ji）×Gi÷［（Gi＋Ei÷ρf＋（1－Ei）÷ρc）］。

实验测出该厂用水泥比重ρc＝3.10，粉煤灰比重ρf＝2.08，直接用于式中。

L列“胶凝材料用量”，这是因变量。

按公式，模板上引入公式Li＝Ki÷Gi算出。

[page]M列“水泥用量”，按公式C＝（1－X）（C＋F），模板上用公式Mi＝（1－Ei）×Li算出。

N列“掺合料用量”，按公式F＝（C＋F）－C，模板上用公式Ni＝Li－Mi算出。

O列“砂率”，按全计算法砂率计算公式为Sp＝（Ves－Ve＋W）ρs/（Ves－Ve＋W）ρs＋（1000－Ves－W）ρg。

式中ρs、ρg为砂和石子的表观密度。

（Ves－Ve＋W）×ρs即砂子用量，（1000－Ves－W）ρg即石子用量。

模板上用公式Oi＝Pi÷（Pi＋Qi）×100%来计算。

P列“砂用量”，按公式S＝（Ves－Ve＋W）×ρs计算。

模板上引入算式Pi＝（Ii－Hi＋Ki）×ρs计算。

砂的表观密度该厂实测值为2630kg/m3，直接代入式中。

配合比设计中的砂当然是不含水的干砂。

本实例中砂的豆石含量较大且变动很大，所以以扣除豆石的砂为设计基准，试配用的砂是筛除＞4.90mm豆石的干砂。

Q列“石子用量”，按公式G＝（1000－Ves－W）×ρg计算。

模板上引入算式Qi＝（1000－Ii－Ki）×ρg，石子的表观密度该厂实测值为2630kg/m3，直接代入式中。

配合比设计中的石子当然也是不含水的。

本实例中所用石子是由5～31.5mm卵石、砂中筛出的粒径＞4.90mm豆石，以及5～16mm豆石三者按适当级配组合而成的，由试验得出该级配组成石子堆积体具有35%的最低空隙率。

三种石子配量为G1∶G2∶G3，表观密度各为ρ1、ρ2、ρ3，复配

石子的表观密度（比重）为：

R列“外加剂掺量%数”，按全计算法，外加剂（超塑化剂）掺量由公式来确定。

式中μ为相对于胶凝材料总量的超塑化剂掺量%数，W0为不掺超塑化剂时坍落度7～9cm的基准混凝土的用水量，W为配合比设计用水量，相当于减水率的需求，Δη则对应于增加坍落度的需求，是把混凝土坍落度由7～9cm增加到适合泵送的设计值所需要的超塑化剂增量系数，当设计坍落度为18cm左右，亦即需增加约10cm坍落度时，Δη取值0.05上下。

ξ为反映超塑化剂减水增坍效能的系数，浓度40%的液态CSP超塑化剂ξ取值9.17，这是由试验检测得出的数据。

正是从这个掺量公式，可知0.1%胶凝材料量的液态超塑化剂大约能增加2cm坍落度。

不同品牌减水剂的ξ值或有差异，可由对比试验测定之。

本实例由于粉煤灰、砂、石等质量不佳，基准混凝土用水量W0为215kg/m3，达到约18cm坍落度的超塑化剂掺量公式修订为。

模板上建立公式Ri＝（（215－Ki）÷215＋0.05）×10%来计算。

S例“外加剂用量”，由公式A＝（C＋F）×μ得出，模板上建立公式Si＝Ri×Li算出。

T列“混凝土容重”，Σ＝W＋（C＋F）＋S＋G＋0.4A，模板上建立公式Ti＝Ki＋Li＋Pi＋Qi＋0.4Si算出。

至此，如图表所示的全计算法混凝土配合比设计模板创制完成。

模板的计算结果在显示屏上显示出来，打印下来即所示图表1。

模板所用计算公式或自变量值的任何改动，都会使模板变成新版本。

现汇总上述列如下表，虽嫌重复，但便利于上机操作。

全计算法混凝土配合比设计模板创建程式概要利用Excel2000软件的默认模板，输入数据和计算公式，得以创建此模板。

第一行加宽输入文件名和序号如“全计算法混凝土配合比设计模板（Ⅰ）”，亦作为工作簿、工作表名称。

第二、三行建立文件的标题栏，每列一个栏目，按栏目内容属性，有的是设置项（自变量），有的是计算项（因变量）。

第四行起，设置项栏目输入所需数据，计算项栏目创建公式，计算出所需数据，各栏（各列）分述如下。

A列“强度等级”，直接输入拟配制混凝土标号等级数据（fcu，k）15、20、25、30……

B列“设计标准差”，直接输入适当择定的强度标准差σ的数值。

C列“配制强度”，建立公式C＝A＋1.645×B算出fcu，0。

D列“配制强度是标号强度%数”，即“强度富裕率”，建立公式D＝C÷A×100%算出。

E列“掺合材掺量率”，通常是“粉煤灰掺量率”，指粉煤灰占胶凝材料总量的重量%数，直接输入适当择定的数值。

F列“胶凝材料强度”，指掺加粉煤灰后胶凝材料的实际强度，直接输入有根据地择定的数值。

G列“水胶比”，建立公式算出，卵石混凝土公式G＝0.48×F÷（C＋0.1584×F），碎石混凝土公式G＝0.46×F÷（C＋0.0322×F）。

H列“浆体体积”（Ve）。

直接输入适当择定的数值。

I列“干砂浆体积”（Ves），直接输入适当择定的数值。

J列“含气量”。

即混凝土中空气占有的体积，直接输入有依据的数值。

K列“用水量”。

建立公式K＝（H－J）×G÷（G＋E÷2.08＋（1－E）÷3.10算出，式中2.08和3.10是所用粉煤灰和水泥比重的实测值，不同厂家所用粉煤灰和水泥的比重会不一样，须按各自的实测值代入公式，算出结果。

L列“胶凝材料用量”即水泥和掺合料（粉煤灰）总量，建立公式L＝K÷G算出。

M列“水泥用量”。

建立公式M＝（1－E）×L算出。

N列“掺合料用量”。

建立公式N＝L－M算出。

O列“砂率”（Sp）。

建立公式O＝P÷（P＋Q）×100%算出。

P列“砂用量”。

建立公式P＝（I－H＋K）×2.63算出，式中2.63是所用砂子比重（表观密度）的实测值，不同厂家所用砂子的比重会不一样，须按自己的实测值代入公式。

Q列“石子用量”。

建立公式Q＝（1000－I－K）×2.63算出，式中2.63是所用石子比重（表观密度）的实测值，不同厂家所用石子的比重会不一样，须按自己的实测值代入公式。

R列“外加剂掺率”，指外加剂（超塑化剂）用量对胶凝材料总量的重量%数。

通常，用5～31.5mm的碎石时，建立公式R＝（（205－K）÷205＋0.05）×9.2×%算出。

式中205是不掺外加剂的、坍落度7～9cm的基准混凝土的用水量，宜由试验得出，各厂家不同，须按自己的实测值代入。

增加坍落度的增量系数0.05和外加剂的减水增坍效率系数（9.2）须按增加坍落度的幅度和外加剂的品质具体厘定，这里的数值是CSP超塑化剂和增加10cm坍落度的取值。

别的情况下取值应有变更，须经试验对比确定之。

S列“外加剂用量”。

建立公式S＝R×L算出。

T列“混凝土容重”。

建立公式T＝K＋L＋P＋Q＋0.4S算出。

　　以上所制成的模板基本囊括了配合比设计的全貌，需要的话，可以再增添栏目，作更细致的设计计算。

例如石子总用量可按其级配分配给三种组成级配的石子各相应用量；砂子可按其实测豆石含量%数折算出含豆石原砂用量及其提供用作石子级配的豆石量；砂、石按其实际含水率由干基用量折算成湿基（实物）用量；设计算出的用水量可扣除砂、石以及外加剂带入的水量，得出净加水量。

这些用微机都容易实现，迅速得出全盘计算数据，拌楼用作实物配料控制切实可行。

又如有的厂家掺合料同时用矿粉和粉煤灰，或者掺膨胀剂UEA制作抗渗混凝土，胶凝材料成了三组分C、F和B，各占胶状材料总量xc、xf、xb的重量%数，这时增设相应栏目，全面综合考虑胶凝材料的强度设定值，用水量计算公式改为，此处为水胶比，ρb为第三组分的比重值，模板设定公式作相应变动，则全都妥贴了。

2　模板应用

混凝土配合比设计的全计算法具备高度科学性、理论性和理性化，它不是孤立地对待各原材料组分用量，而是有机联系起来，按照混凝土组成与性能的深层关系和内在规律去处理，把握住了配合比设计的实质。

但它计算起来稍嫌繁杂，混凝土内在规律的反映在系列化的设计中也更彰显，于是用微机创建模板进行设计并显示结果是最恰当不过的事。

结合试拌，分析因果，调整设置，即改即显，模板作业最是方便快捷，渗透着理性光采。

一幅版面，尽收设计的巨细情节，适合于作分析判断。

所以，利用模板，不但可做真实的设计，也可做虚拟的设计，以纯熟操作，体会混凝土配比的内在规律，检验某个配合比的深层内涵以判断其利弊得失，乃至对原材料的选用、拌楼调控的影响等得出有根据的意见。

有闲摆弄模板，当作电子游戏去变换调整，也有“寓学于乐”的效果。

总之，全计算法用上模板，正是“如虎添翼”，效用倍增。

制作和调整模板用于实际混凝土配合比设计时，不可忘却的一个要点是，拌楼调控须舍弃用增减水量来增减坍落度的传统做法，改用严格准确地执行配合比、只用增减外加剂（超塑化剂）来增减坍落度的新方法。

务须谨遵！

按照这个先决条件，回过头来查看实例图表，对超塑化剂的选用就有相应要求，掺量范围限制在2.0%以内的超塑化剂就只能用于C30以下的混凝土，掺量范围至2.5%的可打到C40，掺量范围到3.0%的才可打到C50。

CSP系列超塑化剂CSP－2掺量范围0.8%～2.5%，可用于生产C15～C40混凝土，CSP－7掺量范围0.8%～3.0%，适合生产C45、C50混凝土。

通常市售超塑化剂掺量上限不超过3.0%，所以实例图表中的C55、C60混凝土设计是不可实施的。

真要配制C60泵送混凝土，该厂就得变更原材料，例如采用真正的Ⅱ级粉煤灰，乃至用少量硅灰（胶凝材料量的3%～5%），使混凝土流动性明显改善，超塑化剂需用量降至3.0%以下，则可成功。

统观实例表1，用水量和超塑化剂用量都嫌偏大，此乃所用粉煤灰、砂、石的品质欠佳使然，若这些材料品质改善些，混凝土的配合比及其技术经济性能将获改善。

由模板算出的混凝土配合比可以直接拿去进行试拌验证，但通常在得出实用配合比方案时宜将用量数据酌情整合得更好用一些，例如把砂、石用量的个位数略予增减成0或5，水、水泥、粉煤灰用量的个位数能增减成0或5也是希望能做的。

考虑到拌楼称量精度乃为1%或2%，增减1～2kg来整合数据应该允许。

必要时在模板上作细微调整，使结果数值都已接近和等于整合值，也颇容易。

表2示出的模板（B）就做了预整合调整，这是另一个采用碎石的商品混凝土厂的设计模板，结果仍是相当不错的系列设计。

你能看出它的整合意图和调整操作吗？

表2　全计算法混凝土配合比设计模板（B）

强度等级

设计标准差

配制强度

配制强度是标号强度百分数

掺合料掺量

胶凝材料强度

水胶比

浆体体积

干砂浆体积

含气量

用水量

胶凝材料用量

水泥用量

掺合料用量

砂率

砂用量

石子用量

外加剂

容重

掺率

用量

15

3.1

20.0

133%

40.0%

42.0

0.76

305

395

10

195

257

154

103

40.9%

748

1080

1.0%

2.60

2282

20

3.7

26.0

130%

35.0%

45.0

0.65

311

400

10

190

291

189

102

40.4%

733

1079

1.3%

3.64

2296

25

4.5

32.5

130%

30.0%

48.0

0.57

316

404

10

185

322

225

97

39.9%

718

1081

1.5%

4.75

2310

30

5.5

39.0

130%

25.0%

51.0

0.52

320

408

10

181

349

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