水灰比计算(水灰比0.5水泥用量计算)
鉴于目前混凝土成分和原材料的变化，传统的“混凝土配合比设计方法”已经不再适用，但我的观点是，混凝土配合比没有必要制定规范，掌握混凝土配合比的原则很重要。至于具体步骤，要相信技术人员的专业知识和经验，以及能满足具体项目要求的配合比。不同的人做出不同的结果是正常的。西方国家提出的“基于性能的规范”概念符合混凝土材料的特点。
1.混凝土组成材料、配合比要素与混凝土性能的关系
目前混凝土的特点是普遍掺入矿物掺合料和高效减水剂。混凝土中的再生水、水泥、砂、石四种原材料都添加了矿物掺合料。因此，传统的配合比三要素&水灰比、水泥骨料比和砂骨料比成为水胶比、水泥骨料比、砂骨料比和矿物掺合料用量四要素。混合比中需要解决的未知数从传统的四个变成了五个。最后，根据所有材料在满足施工要求的前提下紧密包装的原则，采用绝对体积法计算所有材料的消耗量。不考虑外加剂所占混凝土的体积，各组成材料的关系和性能及其作用和影响如图1所示。
从图1可以看出，混凝土配合比的四个要素都影响着混合料和硬化混凝土的性能。当决定混凝土强度和密实度的水胶比确定后，所有的因素都会影响混合料的施工性能。施工是保证混凝土质量的最后也是最关键的环节。考虑浆体浓度因素，根据混合料的施工性能选择混合料的骨料配比和骨料配比是混凝土配合比选择的主要因素。灰骨比是保证混凝土硬化前后性能的核心因素。无论是改变水胶比还是矿物掺合料的用量，在调整配合比时都应采用等浆体积法，以保持浆骨比不变。
中国混凝土年产量可占世界总量的一半，但质量相对落后。例如，世界上只有中国采用“假定容重法”计算混凝土配合比，只有中国采用绝对干砂生产混凝土，这使得中国混凝土质量难以控制。
目前我国混凝土配合比计算中存在的问题及建议
2.1存在问题
2.1.1假设体积密度法
“假设密度法”最初是在绝对体积法的基础上产生的。混凝土配合比的原理是1m3混凝土拌合物由原材料组成，即1m3混凝土的体积等于原材料绝对密实体积之和(即不计算原材料内部孔隙)。过去水泥、砂石的表观密度变化不大，配制的混凝土表观密度也变化不大。因此，为简化试拌，假定水灰比约为0.5的混凝土表观密度为2400kg/m3，高强混凝土表观密度为2450kg/m3，试拌后实测值相差不大。但如今大掺量矿物掺合料应用广泛，如粉煤灰的表观密度为1.90 ~ 2.40 g/cm3，磨细矿渣的表观密度约为2.60g/cm3，与水泥的表观密度约为3.0g/cm3相差较大。根据上述假定的表观密度，体积将大于1m3，外加剂越多，体积越大。因此，从根本上说，应该使用绝对体积法。当然，正如任何方法都有一定的假设一样，绝对体积法的假设是忽略水泥水化减少的水的体积。然而，当混凝土是新拌时，这部分水相对于混凝土的总体积是非常小的。为了弥补这种对水体积的忽略，建议用绝对体积法计算时，不要考虑搅拌型夹带的孔隙体积。
2.1.2等水胶比法
掺矿物掺合料后的水胶比与不掺矿物掺合料时相同，即简单等效替代。由于矿物掺合料密度低，泥浆体积变大，即泥浆与骨的比例增加。例如，假设普通水泥的密度为3.0g/cm3，粉煤灰的密度为2.2g/cm3，当30%的水泥被粉煤灰简单替代时，浆体体积将增加37L。水泥经水硬化后的体积收缩是混凝土的特性之一。在混凝土中加入骨料后，骨料的温度变形系数小于硬化水泥浆的一半，起到稳定混凝土体积的作用。砂浆与骨的比例越小，硬化混凝土的收缩值越小；水泥石比的增加必然会影响混凝土的体积稳定性。此外，由于粉煤灰的反应速率低，早期混凝土浆体的水灰比增大。例如，假设有一种混凝土，其生水灰比为0.57。如果单纯用粉煤灰代替30%的水泥，水灰比仍为0.57。如果忽略粉煤灰表面吸附的水分，早期水灰比会增加到0.81，混凝土强度肯定会降低。为了保持混凝土强度不变，如果水胶比降至0.5，早期水灰比仍为0.71。
如此大的水灰比将导致早期的大孔隙率。因此，掺粉煤灰时不能采用恒定的等水胶比，必须降低水胶比才能发挥粉煤灰的作用。
2.1.3粉煤灰过量置换法
由于对矿物掺合料的无知，混凝土的设计和工程质量管理人员对矿物掺合料的掺量进行了限制，因此《配合比规范》提出了粉煤灰的“过量替代法”，即在可接受的掺量范围内替代水泥，并添加一部分砂。这只是一种算计。事实上，由于精细测量水平的差异，粉煤灰在功能上不是砂，因此不可能“取代砂”而仍然是胶凝材料。然而，由于“过量”，浆料含量增加，水胶比变相降低。但在形式上，实际粉煤灰含量和实际水胶比并未公开，客观上起到了掩人耳目的作用。水胶比是混凝土配合比的三要素之一。在相同的原材料下，影响混凝土强度的主要因素是有效搅拌水与包括水泥在内的所有细粉的比例，即水胶比。即使加入了传统的惰性材料如磨细石英砂等石粉，也不能采用超额替代法的原因在于水胶比定义的混乱。例如，一些搅拌站不包括胶凝材料中的过量部分，声称与粉煤灰混合前后的水灰比保持不变。一些实例表明，当项目存在问题时，这种方法无法从报告的匹配率中分析原因。有人认为掺粉煤灰混凝土的抗裂性能没有明显提高，浆骨比的增加是原因之一。建议以后不要使用这种实际上增加了髓骨比的计算方法。
2.1.4等水灰比法
基于一些人对水泥认识的局限性，水泥厂生产的混合水泥称为水泥，而搅拌站生产混凝土时掺入的矿物掺合料不计入水泥。简单保持水灰比不变，减少用水量和水胶比，希望保持混凝土强度不变，但这种做法的结果是水胶比会过大，实际强度会超过预期值。以粉煤灰为例。如果掺入粉煤灰后水灰比不变，则应降低水灰比。粉煤灰用量越大，水胶比需要降低的越多。例如，假设所用水泥的密度为3.1g/cm3，原(FA含量为0)水灰比为0.50。当粉煤灰密度为2.4g/cm3，掺量为30%时，保持水灰比不变的水灰比应为0.40，以此类推，当粉煤灰掺量为40%时，水灰比应为0.30。这是通过忽略粉煤灰表面的吸附水来计算的。实际上，由于水在粉煤灰表面的吸附，游离水并没有计算的那么大，所以所需的水胶比可以更大。同时，该方法中粉煤灰的掺量等量替代水泥，总胶凝材料的质量保持不变。但由于粉煤灰的密度低于水泥，粉煤灰的掺量越大，胶凝材料总量越大，水胶比越低，混合料的和易性就会受到影响。因此需要增加用水量(同时根据水胶比增加胶凝材料用量)，这不仅会增加试拌工作量，还会因浆骨比增加而影响混凝土体积。
2.1.5忽略骨料粒度分布和形状的要求
骨料在混凝土中起骨架作用，主要是稳定体积。即使采石场生产的石头经过严格分级，但在销售时，在装载和运输过程中会被撞击和卸载，混凝土生产过程中的进料会将粒度颗粒分离并重新分布，从而失去分级。因此，在大多数国家，用于制备混凝土的石头以两种或三种等级混合。例如，在德国，当尝试混凝土时，沙子和砾石被连续分级在一起。目前，由于生产技术落后和大多数生产者的无知，中国市场供应的石材忽视了砾石标准。被称为连续级配，其实小于10毫米的颗粒很少，几乎没有。而且，由于我国砂石标准(实际上是迁就落后)对针片状粒径颗粒的要求过宽，石头的颗粒形状很差。
中国已故老专家蔡在20世纪80年代初说过，中国的混凝土质量不如西方国家，因为石头的质量太差了。但当时我国随机取样的石料松堆空空隙率一般为40% ~ 42%，而颗粒形状和级配理想的石料空空隙率约为38%。目前国内销售的石材空缺口率已经达到45%以上，甚至超过50%！这使得我国混凝土的水泥用量和用水量比西方国家混凝土多20%左右。有些搅拌站或项目采用了二级石，混凝土的水泥用量可降低20%左右。
但由于砂石质量的无奈，目前大部分混凝土生产不需要骨料，混凝土配合比规范和砂石标准基本都是迁就落后现状，导致混凝土无法保证应有的质量。根据市场经济规律，产品的质量是根据市场需求生产的，只有满足顾客的要求才能销售。目前没有合格的砂石供应，根本原因是买家对砂石质量的重要性认识不够。通常，过去在制定砂石料的应用标准时，在规定的级配要求表下，实际上是说如果级配不合格，经实验证明不会影响施工，也可以使用。(那么有必要制定标准吗？只要无限增加水泥浆的含量，就可以做到！)
2.2建议
(1)鉴于目前混凝土组分的变化，计算混凝土配合比的假定密度法不再适用，建议采用绝对体积法代替。
(2)二级或三级拌合单级石料，生产时分级投料，可获得满足施工要求的最小总浆量，有利于工程的经济性和耐久性。
(3)当矿物掺合料含量变化时，应采用等浆体体积法调整混凝土配合比，以保持混凝土的稳定性。
3确定混凝土配合比的原则
根据具体项目提供的《混凝土技术要求》选择原材料和配合比:
(1)注意骨料级配和颗粒形状，按最大容重法优化级配骨料，但级配后的空空隙率不宜大于42%；
(2)根据最小浆骨比原则(即最小用水量或胶凝材料总量)，尽可能降低浆骨比，根据混凝土强度等级和胶凝材料总量最小原则确定浆骨(体积)比，根据选定的浆骨比得到1m3混凝土拌合物的浆体体积和骨料体积；用于计算骨料体积的密度应在饱和表面的干燥状态下测量；
(3)根据施工要求选择砂石比，根据《混凝土性能技术要求》中混凝土的目标性能确定矿物掺合料含量和水胶比；
(4)胶凝材料总量和用水量按绝对体积法用浆体体积计算；按骨料体积计算砂石量。调整水胶比时，保持浆液体积不变。根据工程特点和技术要求选择合适的外加剂，用高效减水剂的用量调整混合料的和易性；
(5)由于水泥与水接触时开始水合，混合物的实际密实体积略小于所有材料的密度之和，当不添加引气剂时，混合过程中夹带的空气体可计为1%左右。
4混凝土配合比方案选择步骤之一
4.1确认目标
确认混凝土结构设计中《混凝土技术要求》中提出的设计目标、条件、指标和参数:混凝土结构构件类型、保护层最小厚度、环境、设计使用寿命、耐久性指标(根据环境选择)、最小强度等级、最大水胶比、胶凝材料最小和最大用量、施工季节、混凝土最高内部温度(如有要求)、骨料最大粒径、混合料坍落度等。
4.2根据以上条件选择原材料。
4.3确认原材料条件
(1)水泥:品种、密度、标准稠度用水量、矿物掺合料品种和含量、水化热、氯离子含量、细度和凝结时间；
(2)石料:品种、饱和表面状态的表观密度、容重、石料的最大粒径、级配比和级配后的空空隙率；
(3)砂:细度模数、5毫米以上颗粒含量、饱和表面状态表观密度、天然容重、空筛分后孔隙度及来源；
(4)矿物掺合料:品种、密度、需水量比、烧失量和细度；
(5)外加剂:品种、浓度(针对液体)、其他相关指标(如减水剂减水率、引气剂引气量、碱含量、氯离子含量、钾钠含量等。).
5混凝土配合比四要素的选择
5.1水胶比
对于有耐久性要求的混凝土，根据《混凝土结构耐久性设计规范》，设计给出《混凝土技术要求》中的最低强度等级，搅拌强度按保证率95%确定；取最大水胶比作为初始水胶比，然后依次降低0.05 ~ 0.1个百分点，取3 ~ 5个水胶比进行试配，得到水胶比与强度的线性关系，找出上述强度所需的水胶比，再进行试配。或者根据无外加剂普通混凝土的强度-水灰比关系选择一个基准水灰比，再加入粉煤灰后按等浆骨比调整水灰比。一般对于有耐久性要求的中强混凝土，当掺入30%以上的粉煤灰(包括水泥中已经含有的混合材料)时，水胶比不应超过0.44。
5.2髓骨比(体积)
在一定水胶比条件下，用水量或胶凝材料总量或骨料总体积可以反映浆骨比。泵送混凝土可按表1选用，也可按GB/T 50746-2008《混凝土结构耐久性设计规范》对最小和最大胶凝材料的限定范围选用，由试拌和易性决定，如表1所示，浆骨比应尽量小。水灰比不变时，强度略低，弹性模量略高，体积稳定性好，开裂风险低，反之则相反。
5.3砾石(体积)比
通常，配合比中的砂石比是用一定浆骨料比(或骨料总量)下的砂率来表示的。对于级配良好的石料，砂率的选择是石料的松堆空与砂的松堆空的乘积为0.16 ~ 0.2。泵送混凝土的砂率一般不应小于36%且不大于45%。因此，应充分重视石料的级配，不同粒径的两三级后的松堆空孔隙率不大于42%为宜。松散桩空孔隙比越小，砾石比越小。在一定水胶比和水泥骨料比的条件下，砂石比的变化主要会影响和易性和变形性能，以及硬化后的强度(在一定范围内，如果砂比小，强度略低，弹性模量略大，开裂敏感性较大，混合料的粘聚力略差，反之亦然)。
5.4矿物掺合料含量
矿物掺合料的用量应根据工程性质、环境和施工条件进行选择。对于完全处于地下和水下的工程，特别是基础底板、咬合桩或连续浇筑的地下连续墙、海水中的桥梁桩基、经过表面处理的海底隧道底板或边墙等大体积混凝土，以及常年处于干燥环境(相对湿度在40%以下)的构件，在没有立即冻融作用时，可以使用最大掺量的矿物掺合料(矿物掺合料最大掺量为胶凝材料总量的50%，磨细矿渣最大掺量为75%)。一年中环境相对湿度变化较大(寒冷天气相对湿度50%左右，夏季70%以上)。对于一般环境下无化学腐蚀和冻融循环的结构，对于截面小、保护层厚度小、强度等级低的构件(如厚度仅10 ~ 15cm的楼板)，当水胶比较大(如大于0.5)时，粉煤灰含量不应大于20%。不同环境下矿物掺合料的选择见GB/T50746-2008附录B和条款说明附录B。如果延长湿养护时间或采取其他措施提高钢筋混凝土保护层的密度，则可超过上述限值。
5.5试拌及配合比选择
在所选高效减水剂推荐用量的基础上，根据混凝土的和易性调整到合适的用量。
在《混凝土技术要求》中最大水胶比的基础上，依次降低水胶比，选择3 ~ 5个值，计算每种材料的用量，然后试拌，检测规定的性能指标值，选择符合目标值的水胶比，再试拌。
根据实际试验结果，得出该配合比的混合料密度，并调整计算密度。
无论水胶比或矿物掺合料的变化，都应采用等浆量法进行调整。
