摘 要］配合比是混凝土的灵魂。混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配合比有直接或间接的关系。作者根据个人经验，作此文来讲解现代混凝土的配合比理论问题和在做配合比时应注意的原则及事项。

［关键词］混凝土；配合比；理论

配合比是混凝土的灵魂。混凝土的性能、质量和耐久性的好坏都与配合比有直接或间接的关系。工程的设计强度明确以后，现场工程师首先要考虑的是如何做好配合比。怎样才能做好配合比？做配合比时我们的理论依据是什么？应坚持什么样的原则？对现代混凝土来说，无论是理论基础，还是在理论基础之上建立起来的规范，都出现了许多新问题。 这些问题是怎么产生的？如何解决？这些是当前困扰混凝土科技界最严重的技术难题。

二十年前，配合比的理论基础就是比表面积法，以及在此基础上制定的规范，可以说混凝土科学技术理论就是在此基础上发展起来的。那时，依据理论和规范做具体的配合比工作，基本上满足工程需要，也基本符合工程实际。但现在，用二十年前的比表面积理论和规范来指导现代混凝土，特别是高性能混凝土的配合比工作，已经是错误很大，相差千里了。比如说，二十年前，以比表面积法为理论基础制定的配合比规范认为，提高砂率，强度就必然会相应降低，可是对现代高性能混凝土来说，却不是这样；加大水灰比，强度也必然会相应降低。对现代低水胶比混凝土来说，这个说法也不一定对。以上种种原因，使现代混凝土的配合比工作，从理论到规范，都出现了混乱和问题，以致现在工地上的配合比工作，主要靠工程师们的经验进行，靠老一代传帮带。所以我们必须重新建立配合比问题的理论基础，使它能和现代混凝土的技术进步相匹配、相适应，并在此基础上建立新的符合工程实际的规范来。但现代混凝土的配合比工作，受太多因素影响。建立新理论，制定新规范，绝不是一件容易之事，也绝非个人之力所能为。本文是作者根据个人经验，来讲解现代混凝土的配合比理论问题和在做配合比时应注意的原则及事项。以抛砖引玉，向各位专家学者请教。

1过去配合比所依据的理论基础

从世界上第一次发现天然水泥以后，1824 年，英国利兹的一个施工人员约瑟夫•阿斯普丁（Joseph Aspdin）提出“波特兰”水泥的一个专利，大家认为这是混凝土技术的开始。有了水泥，还要将石头、砂子和水与其混合在一起才能形成混凝土，才能进行工作。这四个组分如何搭配，它们各自合理的比例是多少？这就是混凝土配合比问题的实质。

近二百年来，关于配合比在理论上有三种方法，分述如下：

1.1 比表面积法

此法是最早、也是使用时间最长的一种方法。这种方法的实质是，粗细骨料都是一种零散体，只有用水泥，如同粘接剂一样把它们粘接起来，才能形成人造石头——混凝土。那么粘接剂（水泥）的需要量，就与粗细骨料提供表面积总量有关。粗细骨料提供的总的表面积越多，在达到一定的强度要求的前提下，水泥的需要量就越大。相反，就会越少。在这种思路指导下，粗骨料相对细骨料，在同等体积下，粗骨料提供的比表面积比细骨料要少得多，所以，在做一个具体的配合比时，在满足施工要求的前提下，尽可能地提高粗骨料用量，降低砂率，是比表面积法最重要的原则。最通俗的理解是，比表面积法把水泥看成是能粘结砂石的一种“浆糊”。那么砂石提供的表面积越小，达到同样强度所需的水泥“浆糊”就越少。

图 1 表示粗骨料和细骨料，粗骨料越多，在达到一定强度时水泥需要量就越少。

图 1 混凝土内部粗细骨料示意图

图 2 混凝土中由细骨料代替
粗骨料引起的表面积变化示意图

如果我们把图 2 中的粗骨料放大，取掉一个粗骨料而用细骨料代替，表面积就会成倍增加。在达到同等强度的前提下，水泥的需要量就会加大。

比表面积法认为，在一定的条件下，为尽可能地降低水泥用量，以达到降低工程成本的目的，办法是尽可能多地使用粗骨料，减少细骨料用量。

总之，比表面积法是使用时间最长的一种方法。在理论上有简单易懂的特点，但到目前为止，有些问题还没有搞清楚，还需要经验来补充。比如说，我们在配合比中，根据工程需要，减少了 1kg 粗骨料，那么需要增加多少细骨料，由此而引起增加多少水泥呢？这个问题上百年来一直靠经验解决。

2005 年，北京市建筑工程研究院退休的工程师傅沛兴，提出了骨料的表面积和直径的关系：认为当骨料的直径减少一半时，其表面积就会增加一倍。即当我们用直径为 2cm 的骨料代替直径为 4cm 的骨料时，水泥用量就会增加一倍。以下是傅沛兴工程师对正方体的计算：

以边长为 2m 的正方体为例：

体积 V1= 2×2×2 = 8 (m3)

表面积 S1= 6×2×2 = 24 (m2)

将其切为8个小正方体时：

总体积 V2= 8×1×1×1 = 8 (m3)

总表面积 S2= 8×6×1×1 = 48 (m2)

计算结果： V2= V1

S2= 2S1

所以，正方体边长小一半，而体积相同，总表面积增加一倍。

同时他对其他多边形和球形也进行了同样的计算，结果是一样的。这是对比表面积理论很好的补充，如果用于工程实际，还需要有人做进一步的研究。

1.2 最大密度法

此法的核心是，组成混凝土的石、砂以及水泥首先应有合理的级配，以求得混凝土有最大的密度和最低的空隙率。如果组成粗细骨料和水泥颗粒的级配不合理，就会在混凝土内部造成很多空隙，这时候套用比表面积理论必然误差很大。所以，组成混凝土的各种颗粒，必须求得最佳级配和最大密度，才能保证混凝土内部有最小的空隙率。如何保证有最大的密度和最小的空隙率呢？主要根据富勒的连续级配理论，其方程式如公式 (1)。

P = 100 (1)

式中：P——通过某筛孔的百分数，％；

D——粗骨料最大直径，mm；

d——筛孔的孔径，mm。

富勒级配曲线可用公式 (1) 表示，虽然瑞士学者鲍罗米和法国学者费瑞特根据混凝土实际配制情况有所调整，但级配曲线没有根本性变化。

为满足混凝土的需要，意大利学者泰勃勒将富勒连续级配公式修改为如公式 (2) 形式。

P = 100 (2)

公式 (2) 较适用于高性能混凝土与自密实混凝土的砂石最优级配。

只有符合富勒曲线，由大小颗粒组成的材料才会有最大的单位容重和最小的空隙率。我国许多行业的施工规范中，对混凝土砂石料级配的要求都是以富勒曲线为基础，并根据我国的具体情况做适当修改后形成的。目前我国《公路路面混凝土配合比设计规程》中，就以最大密度法为理论依据。

1.3 魏矛斯断档级配法

魏矛斯认为，在连续级配中，直径相邻的小颗粒会对大颗粒形成的骨架带来不利影响。同样，我国清华大学廉惠珍教授等人的研究也认为：只有当小颗粒的直径约为大颗粒的六分之一时，小颗粒才能完全只起到填充大颗粒骨架形成的空隙作用，而不会对骨料的空隙率起到负面的增加作用。为了不会对孔隙率和混凝土的强度带来不利影响，所以必须人为地对混凝土中的大小颗粒进行断档级配。

在这个思路的支配下，混凝土中的粗骨料一般都是单级配而不是二级配。也就是说，粗骨料只用 2～4cm 石子，人为去掉 0.5～2cm 的小石子，提高砂率，在不增加水泥用量的前提下也能达到理想的空隙率最低而强度较高的质量效果。

以上三种有关配合比的理论是到目前为止我们做任何配合比的依据。

比表面积法以如何减少骨料的总表面积为核心，最大密度法和断档级配法以如何增大骨料的单位容重和最小空隙率为核心。二者表面上看起来似乎有矛盾之处，但仔细分析后就不难发现，最大密度法和断档级配法都是对比表面积法的补充。

比表面积法是使用时间最长、影响最大的一种方法。我国《普通混凝土配合比设计规程》到目前为止都是以它为理论依据的。国外的情况也基本一样。最大密度法近二十多年来在我国公路、民航使用较普遍一些。在同一个单位，老一代工程师用比表面积法多一些，而中青年一代使用最大密度法多一些。在同一个工地，使用同样的原材料做同一强度的配比，两种方法在粗细骨料的用量上大不相同。表 1 是 2003 年在广州白云新机场、2005 年在内蒙呼和浩特机场、2008 年在天津机场对机场跑道设计抗折强度为 5MPa 的干硬性混凝土，老一代工程师和中年工程师所做的配比。

表 1 广州、天津、呼和浩特机场干硬性混凝土不同配合比对比表

注：强度值为 28 天 3 组平均抗折强度。

从上面几个不同的配比可以看出，每个机场的第一个配比是按最大密度法做出来的，大小石比例是 5∶5 或 6∶4，砂率是 32%；第二个是按比表面积法原理做出来的，大小石的比例是 7∶3，砂率是 28% 甚至 26%。二者的 28 天强度基本一致，没有高低之分，要让作者对这两种方法进行对比点评，根据自己的经验，比表面积法在低强度等级（C30 以下）和大水灰比混凝土中适应性较好，而最大密度法在高强度等级（C40 以上）和较低水灰比（水灰比为 0.45 以下）适应性较好。