普通混凝土配合比設(shè)計的計算機輔助設(shè)計

關(guān)鍵詞：普通混凝土，輔助設(shè)計，配合比設(shè)計

    混凝土配合比設(shè)計，實質(zhì)上就是確定水泥，水，砂與石子這四項基本組成材料用量之間的三個比例關(guān)系，即：水灰比，砂率，單位用水量^[1]。在配合比設(shè)計中，混凝土的四個基本變量即水泥，水，細骨料和粗骨料，可分別用C，W，S，G表示每1m³混凝土中的用量（kg/m³）,配合比設(shè)計就是確定這四個基本變量。

在我國的建筑施工企業(yè)中，混凝土配合比設(shè)計仍采用“實驗室配合比”方法，還停留在手工計算階段^[2]。隨著科技的發(fā)展，計算機的廣泛應(yīng)用，計算方法也產(chǎn)生了突破。本文采用VC++編程語言^[3]，通過對混凝土配合比計算中各計算公式及經(jīng)驗系數(shù)的分析，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的算法，設(shè)計成一個簡單而實用的小軟件。系統(tǒng)界面美觀，操作簡單，交互性好，準確度高，只需按設(shè)計要求進行簡單的數(shù)據(jù)輸入，便可在極短時間內(nèi)完成所需計算，免去了手工計算的繁瑣，提高了設(shè)計效率。
    本文分別就配制強度（Rh），水灰比（ ），單位用水量（W₀）及水泥用量（C₀），砂率（Sp），粗細骨料的用量（G₀）及（S₀）等進行計算，部分計算可采用相應(yīng)的國家標準進行輸入，同時也可按經(jīng)驗公式進行計算；最后根據(jù)混凝土實際用量，計算了實際配料單。上述程序在VC++6.0上編程通過。

1、           混凝土配合比設(shè)計的步驟
根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程JGJ/T55-96》，普通混凝土配合比的設(shè)計步驟為：

1.1         計算出要求的施工配制強度

      為使實際施工中混凝土的強度保證率能滿足規(guī)定的要求，在設(shè)計混凝土配合比時，必須使混凝土的配制強度（Rh）高于設(shè)計強度等級（Rd）。Rh可按下式估算：

                          Rh= Rd－t

                式中：Rh ——混凝土的配制強度，MPa；

                      Rd ——設(shè)計要求的混凝土強度等級，MPa；

                       ——施工單位混凝土強度標準差的歷史統(tǒng)計水平，MPa；

                       t  ——概率度。

       根據(jù)GBJ107——87《混凝土強度檢驗評定標準》的規(guī)定：Rh= Rd+1.645

即t=-1.645，混凝土強度的保證率達到95%。

       如果施工單位無 資料時， 可按表一取值：

                   表一：摘自GB50204——92《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》

1.2        計算水灰比

根據(jù)已測定的水泥實際強度Rc（或選用的水泥標號R_cb），粗骨料種類及所要求的混凝土配制強度（Rh），按混凝土強度公式計算出所要求的水灰比值。

               R28=A Rc（ －B）

式中：R28——混凝土150mm×150mm×150mm立方體試件在標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度，MPa；

      Rc——水泥的實際強度，MPa；

      A，B——經(jīng)驗系數(shù)，與骨料及水泥品種等因素有關(guān)，其數(shù)值通過試驗求得；采用碎石：A=0.46，B=0.52；采用卵石：A=0.48，B=0.61。

1.3       確定用水量

根據(jù)施工和易性的要求，確定坍落度，再根據(jù)坍落度和骨料品種，規(guī)格，參照“混凝土用水量選用表”選定用水量。

 混凝土用水量選用表（kg/m³） 表二：摘自JGJ/T55——96《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》

單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——系數(shù)，決定于粗骨料種類與最大粒徑，可按表三取用：

         混凝土單位用水量計算公式中的K值              
  表三

1.4       計算水泥用量（C₀）

      根據(jù)已選定的用水量（W₀）和得出灰水比（ ），可求出水泥用量（C₀）

                     C₀ = （ ）W₀

1.5       確定砂率

一般應(yīng)通過試驗找出合理砂率。如無使用經(jīng)驗，則可按骨料種類，規(guī)格及混凝土的水灰比，參考表四選用合理砂率。

 混凝土砂率選用表（%）       表四：摘自JGJ/T55——96《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》

另外，砂率也可根據(jù)以砂填充石子空隙，并稍有富余，以拔開石子的原則來確定。根據(jù)此原則列出砂率計算公式如下：

                  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         ——分別為每1m³混凝土砂及石子用量，kg；

       V_{os  ,}V_og          ——分別為每1m³混凝土砂及石子松散體積， m³  ；

        ƒ^‘_{os  ,}   ƒ^‘_og     ——分別為砂及石子堆積密度，kg/m³；

                     ——砂剩余系數(shù)，又稱撥開系數(shù)，一般取1.1～1.4；

       P’            ——石子空隙率，%；  

 P’=（1－ƒ^‘_og  /ƒ_og）×100%

       ƒ_og                 ——石子的表觀密度，kg/m³  。                     

1.6       計算粗，細骨料的用量（G₀）及（S₀）

粗，細骨料的用量可用絕對體積法或假定表觀密度法求得。本文為了演示方便選用假定表觀密度法。根據(jù)經(jīng)驗，如果原材料情況比較穩(wěn)定，所配制的混凝土拌合物的表觀密度將接近一個固定值，這就可先假設(shè)一個混凝土拌合物表觀密度M（kg/m³）,因此可列出下式：

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

同樣根據(jù)上述的砂率可列出： ×100%= Sp %    （2）

由上面兩個關(guān)系式可求出粗，細骨料的用量。M可根據(jù)累積的試驗資料確定，在無資料時可根據(jù)骨料的表觀密度，粒徑以及混凝土強度等級，在2400～2500 kg/m³的范圍內(nèi)選取。

1.7       計算施工配合比

在實際使用時，應(yīng)根據(jù)工地砂，石含水率情況，把最后采用的配合比換算成施工配合比。設(shè)工地上砂，石含水率分別為3%，1%。在施工時，則每立方米混凝土的水和砂，石的實際稱量為：

              水的稱量（W’）=用水量－砂，石含水量；

              細骨料的稱量(S’)=細骨料的用量+細骨料含水量；

              粗骨料的稱量(G’)=粗骨料的用量+粗骨料含水量。

因此，施工配合比為：

       C’: S’: G’: W’=水泥的稱量：細骨料的稱量：粗骨料的稱量：水的稱量

2、 程序功能

進入原始資料的輸入界面，根據(jù)相應(yīng)的要求輸入有關(guān)的數(shù)據(jù)，程序能根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)一步一步的進行計算。程序中可采用相應(yīng)的國家標準進行輸入，同時也可按經(jīng)驗公式進行計算，給設(shè)計者較大的選擇空間。

同時，程序還在相應(yīng)的模塊處提供常用的數(shù)表以供查用，方便快捷，主要包括混凝土用水量選用表（kg/m³），混凝土單位用水量計算公式中的K值，混凝土砂率選用表（%）。

計算框圖如圖一所示：       

                                        圖一：

混凝土配合比設(shè)計的界面如圖二所示：

                         圖二： 

3、 計算實例及結(jié)果分析

某工程的預(yù)制鋼筋混凝土梁，混凝土設(shè)計強度等級為C20，要求強度保證率為95%。施工要求坍落度為30～50mm，該施工單位無歷史統(tǒng)計資料。

采用的材料：普通水泥，425號（實測28d抗壓強度為48.0MPa），密度ƒc=3.1g/cm³；中砂，表觀密度ƒ_os=2.65g/cm³,堆積密度ƒ^‘_os=1.50g/cm³；碎石，表觀密度ƒ_og=2.70g/cm³,堆積密度ƒ^‘_og=1.55g/cm³，最大粒徑為20mm;自來水。

試設(shè)計該混凝土的配合比（按干燥材料計算）^[1]

解：按要求輸入數(shù)據(jù)后計算的結(jié)果如圖三所示：

                        圖三：

從上圖可看出，該程序選擇方法多樣，計算較為靈活，每一個模塊均提供兩種不同的方法進行計算，設(shè)計者可以從實際角度出發(fā)來選擇合理的搭配，從而優(yōu)化配合比參數(shù)。該程序還可以按照所得的配合比和要求的配料總質(zhì)量來計算實際所需的水泥，粗細骨料，水的質(zhì)量。

計算結(jié)果表明，應(yīng)用計算機進行混凝土配合比的輔助設(shè)計，可使配合比的計算變得十分簡便，準確而快速。從上述實例中可以看出，只需要進行簡單的數(shù)據(jù)輸入，便可以在極短的時間內(nèi)得出計算結(jié)果，這樣在大規(guī)模生產(chǎn)以及現(xiàn)場施工中，可隨時計算調(diào)節(jié)各個參數(shù)，從而大大節(jié)省時間，在經(jīng)濟上產(chǎn)生較好的效益。

4、 結(jié)束語

1 用VC++6.0程序設(shè)計語言編制了普通混凝土配合比設(shè)計的計算程序，并在Microsoft Visual C++ 6.0上運行通過。

2 用所編制的程序成功地計算了普通混凝土配合比設(shè)計的一個實例。

3 從實例的計算結(jié)果表明，使用該程序進行普通混凝土配合比設(shè)計簡便，準確而快速。

 [參考文獻]

[1] 林宗壽等，《無機非金屬材料工學(xué)》，武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999。

[2] 高云莉 著，普通混凝土配合比設(shè)計及強度質(zhì)量控制軟件的開發(fā)，[碩士論文]，哈爾濱建筑大學(xué)，2000。

 [3] 鄭阿奇等，《Visual C++ 實用教程（第2版）》，北京：電子工業(yè)出版社，2003