普通混凝土配合比设计的计算机辅助设计

关键词：普通混凝土，辅助设计，配合比设计

    混凝土配合比设计，实质上就是确定水泥，水，砂与石子这四项基本组成材料用量之间的三个比例关系，即：水灰比，砂率，单位用水量^[1]。在配合比设计中，混凝土的四个基本变量即水泥，水，细骨料和粗骨料，可分别用C，W，S，G表示每1m³混凝土中的用量（kg/m³）,配合比设计就是确定这四个基本变量。

在我国的建筑施工企业中，混凝土配合比设计仍采用“实验室配合比”方法，还停留在手工计算阶段^[2]。随着科技的发展，计算机的广泛应用，计算方法也产生了突破。本文采用VC++编程语言^[3]，通过对混凝土配合比计算中各计算公式及经验系数的分析，将其转换成相应的算法，设计成一个简单而实用的小软件。系统界面美观，操作简单，交互性好，准确度高，只需按设计要求进行简单的数据输入，便可在极短时间内完成所需计算，免去了手工计算的繁琐，提高了设计效率。
    本文分别就配制强度（Rh），水灰比（ ），单位用水量（W₀）及水泥用量（C₀），砂率（Sp），粗细骨料的用量（G₀）及（S₀）等进行计算，部分计算可采用相应的国家标准进行输入，同时也可按经验公式进行计算；最后根据混凝土实际用量，计算了实际配料单。上述程序在VC++6.0上编程通过。

1、           混凝土配合比设计的步骤
根据《普通混凝土配合比设计规程JGJ/T55-96》，普通混凝土配合比的设计步骤为：

1.1         计算出要求的施工配制强度

      为使实际施工中混凝土的强度保证率能满足规定的要求，在设计混凝土配合比时，必须使混凝土的配制强度（Rh）高于设计强度等级（Rd）。Rh可按下式估算：

                          Rh= Rd－t

                式中：Rh ——混凝土的配制强度，MPa；

                      Rd ——设计要求的混凝土强度等级，MPa；

                       ——施工单位混凝土强度标准差的历史统计水平，MPa；

                       t  ——概率度。

       根据GBJ107——87《混凝土强度检验评定标准》的规定：Rh= Rd+1.645

即t=-1.645，混凝土强度的保证率达到95%。

       如果施工单位无 资料时， 可按表一取值：

                   表一：摘自GB50204——92《混凝土结构工程施工及验收规范》

1.2        计算水灰比

根据已测定的水泥实际强度Rc（或选用的水泥标号R_cb），粗骨料种类及所要求的混凝土配制强度（Rh），按混凝土强度公式计算出所要求的水灰比值。

               R28=A Rc（ －B）

式中：R28——混凝土150mm×150mm×150mm立方体试件在标准养护条件下28d抗压强度，MPa；

      Rc——水泥的实际强度，MPa；

      A，B——经验系数，与骨料及水泥品种等因素有关，其数值通过试验求得；采用碎石：A=0.46，B=0.52；采用卵石：A=0.48，B=0.61。

1.3       确定用水量

根据施工和易性的要求，确定坍落度，再根据坍落度和骨料品种，规格，参照“混凝土用水量选用表”选定用水量。

 混凝土用水量选用表（kg/m³） 表二：摘自JGJ/T55——96《普通混凝土配合比设计规范》

单位混凝土用水量也可按下式大致估算：

                W₀=  (T+K)

式中：W₀——每1m³混凝土用水量，kg;

      T——混凝土拌合物的坍落度，cm;

      K——系数，决定于粗骨料种类与最大粒径，可按表三取用：

         混凝土单位用水量计算公式中的K值              
  表三

1.4       计算水泥用量（C₀）

      根据已选定的用水量（W₀）和得出灰水比（ ），可求出水泥用量（C₀）

                     C₀ = （ ）W₀

1.5       确定砂率

一般应通过试验找出合理砂率。如无使用经验，则可按骨料种类，规格及混凝土的水灰比，参考表四选用合理砂率。

 混凝土砂率选用表（%）       表四：摘自JGJ/T55——96《普通混凝土配合比设计规范》

另外，砂率也可根据以砂填充石子空隙，并稍有富余，以拔开石子的原则来确定。根据此原则列出砂率计算公式如下：

                  Sp=  ；         V_os=V_ogP’

Sp= = (ƒ^‘_os V_os )/( ƒ^‘_os V_os  +ƒ^‘_og V_og )= ( ƒ^‘_os P’)/( ƒ^‘_os P’+ƒ^‘_og )

式中：Sp           ——砂率，%；

       S，G         ——分别为每1m³混凝土砂及石子用量，kg；

       V_{os  ,}V_og          ——分别为每1m³混凝土砂及石子松散体积， m³  ；

        ƒ^‘_{os  ,}   ƒ^‘_og     ——分别为砂及石子堆积密度，kg/m³；

                     ——砂剩余系数，又称拨开系数，一般取1.1～1.4；

       P’            ——石子空隙率，%；  

 P’=（1－ƒ^‘_og  /ƒ_og）×100%

       ƒ_og                 ——石子的表观密度，kg/m³  。                     

1.6       计算粗，细骨料的用量（G₀）及（S₀）

粗，细骨料的用量可用绝对体积法或假定表观密度法求得。本文为了演示方便选用假定表观密度法。根据经验，如果原材料情况比较稳定，所配制的混凝土拌合物的表观密度将接近一个固定值，这就可先假设一个混凝土拌合物表观密度M（kg/m³）,因此可列出下式：

                      C₀ + G₀ + S₀ + W₀=M        （1）

同样根据上述的砂率可列出： ×100%= Sp %    （2）

由上面两个关系式可求出粗，细骨料的用量。M可根据累积的试验资料确定，在无资料时可根据骨料的表观密度，粒径以及混凝土强度等级，在2400～2500 kg/m³的范围内选取。

1.7       计算施工配合比

在实际使用时，应根据工地砂，石含水率情况，把最后采用的配合比换算成施工配合比。设工地上砂，石含水率分别为3%，1%。在施工时，则每立方米混凝土的水和砂，石的实际称量为：

              水的称量（W’）=用水量－砂，石含水量；

              细骨料的称量(S’)=细骨料的用量+细骨料含水量；

              粗骨料的称量(G’)=粗骨料的用量+粗骨料含水量。

因此，施工配合比为：

       C’: S’: G’: W’=水泥的称量：细骨料的称量：粗骨料的称量：水的称量

2、 程序功能

进入原始资料的输入界面，根据相应的要求输入有关的数据，程序能根据输入的数据一步一步的进行计算。程序中可采用相应的国家标准进行输入，同时也可按经验公式进行计算，给设计者较大的选择空间。

同时，程序还在相应的模块处提供常用的数表以供查用，方便快捷，主要包括混凝土用水量选用表（kg/m³），混凝土单位用水量计算公式中的K值，混凝土砂率选用表（%）。

计算框图如图一所示：       

                                        图一：

混凝土配合比设计的界面如图二所示：

                         图二： 

3、 计算实例及结果分析

某工程的预制钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C20，要求强度保证率为95%。施工要求坍落度为30～50mm，该施工单位无历史统计资料。

采用的材料：普通水泥，425号（实测28d抗压强度为48.0MPa），密度ƒc=3.1g/cm³；中砂，表观密度ƒ_os=2.65g/cm³,堆积密度ƒ^‘_os=1.50g/cm³；碎石，表观密度ƒ_og=2.70g/cm³,堆积密度ƒ^‘_og=1.55g/cm³，最大粒径为20mm;自来水。

试设计该混凝土的配合比（按干燥材料计算）^[1]

解：按要求输入数据后计算的结果如图三所示：

                        图三：

从上图可看出，该程序选择方法多样，计算较为灵活，每一个模块均提供两种不同的方法进行计算，设计者可以从实际角度出发来选择合理的搭配，从而优化配合比参数。该程序还可以按照所得的配合比和要求的配料总质量来计算实际所需的水泥，粗细骨料，水的质量。

计算结果表明，应用计算机进行混凝土配合比的辅助设计，可使配合比的计算变得十分简便，准确而快速。从上述实例中可以看出，只需要进行简单的数据输入，便可以在极短的时间内得出计算结果，这样在大规模生产以及现场施工中，可随时计算调节各个参数，从而大大节省时间，在经济上产生较好的效益。

4、 结束语

1 用VC++6.0程序设计语言编制了普通混凝土配合比设计的计算程序，并在Microsoft Visual C++ 6.0上运行通过。

2 用所编制的程序成功地计算了普通混凝土配合比设计的一个实例。

3 从实例的计算结果表明，使用该程序进行普通混凝土配合比设计简便，准确而快速。

 [参考文献]

[1] 林宗寿等，《无机非金属材料工学》，武汉：武汉工业大学出版社，1999。

[2] 高云莉 著，普通混凝土配合比设计及强度质量控制软件的开发，[硕士论文]，哈尔滨建筑大学，2000。

 [3] 郑阿奇等，《Visual C++ 实用教程（第2版）》，北京：电子工业出版社，2003