普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：普通混凝土，輔助設(shè)計(jì)，配合比設(shè)計(jì)

    混凝土配合比設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是確定水泥，水，砂與石子這四項(xiàng)基本組成材料用量之間的三個(gè)比例關(guān)系，即：水灰比，砂率，單位用水量^[1]。在配合比設(shè)計(jì)中，混凝土的四個(gè)基本變量即水泥，水，細(xì)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(jì)就是確定這四個(gè)基本變量。

在我國(guó)的建筑施工企業(yè)中，混凝土配合比設(shè)計(jì)仍采用“實(shí)驗(yàn)室配合比”方法，還停留在手工計(jì)算階段^[2]。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算方法也產(chǎn)生了突破。本文采用VC++編程語(yǔ)言^[3]，通過(guò)對(duì)混凝土配合比計(jì)算中各計(jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的分析，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的算法，設(shè)計(jì)成一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的小軟件。系統(tǒng)界面美觀，操作簡(jiǎn)單，交互性好，準(zhǔn)確度高，只需按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)輸入，便可在極短時(shí)間內(nèi)完成所需計(jì)算，免去了手工計(jì)算的繁瑣，提高了設(shè)計(jì)效率。
    本文分別就配制強(qiáng)度（Rh），水灰比（ ），單位用水量（W₀）及水泥用量（C₀），砂率（Sp），粗細(xì)骨料的用量（G₀）及（S₀）等進(jìn)行計(jì)算，部分計(jì)算可采用相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸入，同時(shí)也可按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算；最后根據(jù)混凝土實(shí)際用量，計(jì)算了實(shí)際配料單。上述程序在VC++6.0上編程通過(guò)。

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

1.1         計(jì)算出要求的施工配制強(qiáng)度

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

                          Rh= Rd－t

                式中：Rh ——混凝土的配制強(qiáng)度，MPa；

                      Rd ——設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，MPa；

                       ——施工單位混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的歷史統(tǒng)計(jì)水平，MPa；

                       t  ——概率度。

       根據(jù)GBJ107——87《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定：Rh= Rd+1.645

即t=-1.645，混凝土強(qiáng)度的保證率達(dá)到95%。

       如果施工單位無(wú) 資料時(shí)， 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(yàn)收規(guī)范》

1.2        計(jì)算水灰比

根據(jù)已測(cè)定的水泥實(shí)際強(qiáng)度Rc（或選用的水泥標(biāo)號(hào)R_cb），粗骨料種類及所要求的混凝土配制強(qiáng)度（Rh），按混凝土強(qiáng)度公式計(jì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d抗壓強(qiáng)度，MPa；

      Rc——水泥的實(shí)際強(qiáng)度，MPa；

      A，B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與骨料及水泥品種等因素有關(guān)，其數(shù)值通過(guò)試驗(yàn)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(jì)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(jì)算公式中的K值              
  表三

1.4       計(jì)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(guò)試驗(yàn)找出合理砂率。如無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(lái)確定。根據(jù)此原則列出砂率計(jì)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(jì)算粗，細(xì)骨料的用量（G₀）及（S₀）

粗，細(xì)骨料的用量可用絕對(duì)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(yàn)，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(gè)固定值，這就可先假設(shè)一個(gè)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(gè)關(guān)系式可求出粗，細(xì)骨料的用量。M可根據(jù)累積的試驗(yàn)資料確定，在無(wú)資料時(shí)可根據(jù)骨料的表觀密度，粒徑以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在2400～2500 kg/m³的范圍內(nèi)選取。

1.7       計(jì)算施工配合比

在實(shí)際使用時(shí)，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(shí)，則每立方米混凝土的水和砂，石的實(shí)際稱量為：

              水的稱量（W’）=用水量－砂，石含水量；

              細(xì)骨料的稱量(S’)=細(xì)骨料的用量+細(xì)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(xì)骨料的稱量：粗骨料的稱量：水的稱量

2、 程序功能

進(jìn)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(jìn)行計(jì)算。程序中可采用相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸入，同時(shí)也可按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，給設(shè)計(jì)者較大的選擇空間。

同時(shí)，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(jì)算公式中的K值，混凝土砂率選用表（%）。

計(jì)算框圖如圖一所示：       

                                        圖一：

混凝土配合比設(shè)計(jì)的界面如圖二所示：

                         圖二： 

3、 計(jì)算實(shí)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(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，要求強(qiáng)度保證率為95%。施工要求坍落度為30～50mm，該施工單位無(wú)歷史統(tǒng)計(jì)資料。

采用的材料：普通水泥，425號(hào)（實(shí)測(cè)28d抗壓強(qiáng)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(lái)水。

試設(shè)計(jì)該混凝土的配合比（按干燥材料計(jì)算）^[1]

解：按要求輸入數(shù)據(jù)后計(jì)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(jì)算較為靈活，每一個(gè)模塊均提供兩種不同的方法進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)者可以從實(shí)際角度出發(fā)來(lái)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(lái)計(jì)算實(shí)際所需的水泥，粗細(xì)骨料，水的質(zhì)量。

計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行混凝土配合比的輔助設(shè)計(jì)，可使配合比的計(jì)算變得十分簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確而快速。從上述實(shí)例中可以看出，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)輸入，便可以在極短的時(shí)間內(nèi)得出計(jì)算結(jié)果，這樣在大規(guī)模生產(chǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)施工中，可隨時(shí)計(jì)算調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，從而大大節(jié)省時(shí)間，在經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生較好的效益。

4、 結(jié)束語(yǔ)

1 用VC++6.0程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制了普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算程序，并在Microsoft Visual C++ 6.0上運(yùn)行通過(guò)。

2 用所編制的程序成功地計(jì)算了普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。

3 從實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明，使用該程序進(jìn)行普通混凝土配合比設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確而快速。

 [參考文獻(xiàn)]

[1] 林宗壽等，《無(wú)機(jī)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(jì)及強(qiáng)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(shí)用教程（第2版）》，北京：電子工業(yè)出版社，2003