自密实混凝土配合比设计既要满足强度要求，又要体现自密实混凝土的大坍落度、免振捣、填充性好、抗离析的施工特点，因此与传统普通混凝土配合比设计方法不同，需结合理论和实践经验。
当前国内外已有多种自密实混凝土的配合比设计方法，其中应用最早、最广的设计方法是固定砂石体积法，我国现有的3个自密实混凝土配合比设计标准中的计算方法虽有差异，但都应用了固定砂石体积法。
本文首先对这3个标准中的配合比设计方法进行简单介绍，然后结合标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》和JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的设计方法，提出改进的自密实混凝土配合比设计方法，并通过试验手段比较利用该方法与以上两个标准中的设计方法配制的自密实混凝土的工作性能和力学性能，以验证该方法的简易性和经济性，为我国生产施工性能优良、经济性合理的自密实混凝土提供参考。
1不同标准中自密实混凝土配合比设计方法的特点
冈村甫教授在1993年提出了自密实高性能混凝土的配合比设计方法，而后他在报告中提出了简单的配合比，为自密实混凝土配合比的校核提供了依据，在此基础上，日本预拌混凝土协会提出了固定砂石体积含量的方法以设计自填充混凝土的配合比，欧洲规程、中国土木工程学会标准(CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》)和英国标准也采用了该种方法。以CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》为例，其简要计算过程为:
(1)设定1m3混凝土中粗骨料的松散体积(0.5~0.6m3)，计算出粗骨料的质量和砂浆密实体积;
(2)设定砂浆中砂的体积含量(0.42~0.44m3)，计算出砂的用量和浆体体积;
(3)根据混凝土的设计强度等级，确定水胶比;
(4)设定胶凝材料中矿物掺合料的体积，计算胶凝材料的表观密度;
(5)由水胶比和胶凝材料中的掺合料比例得出用水量(小于200kg/m3)和胶凝材料总量(450~550kg/m3)，由胶凝材料总量得出水泥和矿物掺合料各自的用量;
(6)确定外加剂掺量。2006年我国第一本正式自密实混凝土标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》颁布实施，该标准采用绝对体积法，以经验数据为基础确定初始配合比。其简要计算过程为:
(1)设定1m3混凝土中粗骨料的绝对体积含量(0.28~0.35m3)，得到粗骨料质量;
(2)设定单位体积用水量(155~180kg)和水粉比(0.80~1.15)，计算得到单位粉体体积(0.16~0.23m3)和浆体体积(0.32~0.40m3);
(3)设定含气量(1.5%~4.0%)，计算细骨料含量和胶凝材料体积用量;
(4)根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定水灰比，计算理论水泥用量;
(5)计算各掺合料用量和实际水泥用量，得到实际水胶比;
(6)确定减水剂用量。
2012年我国颁布实施了自密实混凝土行业标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》，同样采用绝对体积法，其简要设计步骤为:
(1)设定1m3混凝土中粗骨料的绝对体积含量(0.28~0.35m3)，计算得到粗骨料质量和砂浆体积;
(2)设定砂浆中砂的体积分数(0.42~0.45)，计算砂的绝对体积和质量，以及浆体体积;
(3)根据掺合料的掺量计算胶凝材料的表观密度;
(4)根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》计算自密实混凝土的配制强度;
(5)用给定的公式计算水胶比(小于0.45);
(6)根据浆体体积、含气量、水胶比等参数，计算胶凝材料总量(400~550kg/m3)、用水量和各掺合料用量;
(7)计算外加剂用量。
以上所述的我国现有的3个自密实混凝土配合比设计标准中，自密实混凝土配制强度均根据JGJ55计算。CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》与JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的设计过程除了粗骨料体积设定和水胶比计算方法不同，其余大致相同。
在具体设计步骤上，CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》没有考虑拌合物中的含气量，JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》给出的水胶比计算公式中粉煤灰的取值系数偏低，将导致计算得到的水胶比偏低，随着粉煤灰掺量的增加，水胶比计算结果会显著降低。
标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》提供了很多关键参数的取值范围，有利于对计算结果的复核，但对技术人员的经验要求较高，而且设计方法中水粉比的预先设定会在一定程度上限制水胶比的取值范围。
2改进的自密实混凝土配合比设计方法
2.1设计考虑因素
普通混凝土在机械振捣过程中骨料与砂浆间的屈服剪切应力τ0显著降低，振动影响区的混凝土液化流动并密实成型，而自密实混凝土需要通过优化粗细骨料和胶凝材料的配合比例，并利用高效减水剂的分散和塑化作用，使τ0降低到合理范围并保证拌合物内部具有足够的塑性粘度，使浆体能有效地包裹输运骨料，不出现离析和泌水，混凝土靠自重填充模板空间，达到自密实的效果。在配制高强度等级的自密实混凝土时，如何使混凝土在低水胶比条件下达到流动性和抗离析性的平衡，是配合比设计的关键，需要考虑以下因素。
2.1.1粗骨料用量和尺寸的选择
由于自密实混凝土对流变性能的要求很高，因此自密实混凝土配比中的粗骨料体积含量较小，但过小的粗骨料体积含量会使混凝土的部分力学性能，如弹性模量等显著降低，因此，根据标准给定的粗骨料体积的适宜取值范围(0.28~0.35m3)，宜取能够满足自密实性能要求的较大体积用量，且宜选用密实体积率较大的碎石。
如果施工条件(如钢筋间隙、混凝土层厚度等)允许，宜复合使用不同尺寸的石子，这样既可减小孔隙砂浆占有量，增加骨料间砂浆的厚度，提高混凝土的工作性能，又最大限度的增加了粗骨料的体积含量，减小了混凝土的体积收缩和出现塑性沉降收缩开裂的可能性。
2.1.2砂率和砂浆中砂的体积分数的控制
试验表明自密实混凝土的砂率通常在45%~55%范围内比较合适，当砂率过小时，砂浆不能很好的包裹石子一起运动，导致在流动过程中石子间摩擦阻力增大，砂浆不能带动全部石子;当砂率过大时，混凝土内砂浆过剩，在流动过程中石子不能带走全部砂浆，出现离析。
CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》和JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中给出的砂浆中砂的体积分数取值范围(0.42~0.44/0.45)较窄，试验表明自密实混凝土的砂浆中砂的体积分数可取在0.42~0.48，过小则混凝土收缩较大，体积稳定性不良;过大则混凝土的工作性和强度降低。
2.1.3掺合料与水胶比
自密实混凝土在配合比设计上与普通混凝土的显著差别是以粉体材料取代了相当数量的石子。标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》配合比设计中给出了水粉比参数，但取值范围较窄，且在确定了混凝土单方用水量和水粉比后，粉体量即确定，之后的计算需通过掺加惰性掺合料如石灰石粉等以使实际水泥用量与掺合料用量之和满足预先确定的粉体量。考虑到实用性和有效性，本文中的配合比设计方法沿用传统混凝土配合比设计中的水胶比概念，根据混凝土强度要求并充分考虑矿物掺合料对体系强度的贡献计算水胶比。
2.1.4外加剂与胶凝材料的适应性
自密实混凝土性能实现的一个关键因素就是高效减水剂的掺加。聚羧酸系外加剂作为一种高分子表面活性剂，具有低掺量高塑化效果，坍落度保持性好，减水效率高，与传统使用的萘系外加剂相比适应性更强。
2.2 设计方法特点与步骤
本文在标准CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》和JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》提供的设计方法的基础上，以满足强度需求和自密实性能为目的，以经济性为约束条件，对标准中的设计方法进行调整与改进，保留标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》设计步骤的(1)，(2)步，即混凝土中石子和砂的体积与质量的确定以及浆体体积的确定，其中，对砂浆中砂的质量分数的取值范围调整为0.42~0.48。
水灰比按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》计算。设定单位体积理论水泥用量为x，利用浆体体积约为粉体体积，水体积以及含气量之和的关系，代入水灰比、矿物掺合料超量取代水泥率等，解得x，进而求得单位体积掺合料用量、实际水泥用量和单位体积用水量。为对计算结果进行复核，可以进行水粉比和砂率的计算，并与其他设计方法给出的参数取值范围进行比较或验证。
3配合比设计算例比较
3.1 配合比计算结果及比较
分别根据3种不同的配合比设计方法，即改进的配合比设计方法(A组)、CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》中的配合比设计方法(B组)，以及标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中的配合比设计方法(C组)，设计了C40、C50、C60，3种强度等级的自密实混凝土，计算结果见表1。
配合比计算中选取单位体积混凝土中粗骨料的体积用量为0.30m3，10~20mm粒径(粗石)及5~10mm粒径(细石)的两种石灰石碎石复合使用，粗细石子体积比为4∶6，骨料级配落在连续级配(5~20mm)范围内。砂浆中砂的体积分数取为0.46。设计的C40自密实混凝土中粉煤灰和矿渣分别取代水泥30%和15%，设计的C50和C60自密实混凝土中粉煤灰和矿渣分别取代水泥25%和15%。
根据GB/T50146-2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》，粉煤灰超量取代系数为1.2~1.7，取β1=1.4，矿渣与粉煤灰混掺时超量取代系数取为β2=1.2。
由表1中可知，因采用固定砂石体积法，3种设计方法得到的单位体积混凝土砂石用量相同，砂率均为50.3%;采用改进的配合比设计方法(A组)得到的混凝土各组分用量(石灰石粉除外)与通过CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》的设计方法(B组)得到的各组分用量基本接近，但改进的配合比设计方法步骤更简单，不需通过石灰石粉的补足进行调整，且对C40和C50自密实混凝土，A组的胶凝材料总量略低。
采用JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的配合比设计方法(C组)得到的3种强度等级的混凝土对应的水胶比均小于其他两种设计方法计算得到的水胶比，且与A组组分用量相比，C组胶凝材料用量增加了10%~12%，水泥用量增加了26%~36%。
3.2 混凝土性能测试及比较
新拌混凝土的工作性能根据标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》采用坍落扩展度和扩展时间以及J环扩展度试验测定，相应的指标为坍落扩展度(SF)满足扩展度直径650~750mm，扩展时间(T500)满足3~20s，间隙通过性性能指标(PA)为测得的坍落扩展度与J环扩展度(JF)的差值。
按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土的抗压强度试验。试件采用150mm×150mm×150mm标准试件，标准养护28d后进行测试，每组3个试件，取平均值作为试验结果，计算样本标准差。试验仪器选用TYE–2000E型压力试验机。
混凝土的工作性能和强度测试结果如表2所示。由工作性能测试结果可知，3种配合比设计方法配制的自密实混凝土均能达到坍落扩展度和扩展时间的要求，观察最终扩展后的混凝土可以发现，粗骨料没有在中央堆积，扩展后的混凝土边缘也没有水泥浆析出。因减水剂的用量相对较低，T500的测定结果均大于5s，但满足CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》中给出的指标范围，如需得到更小的扩展时间，需要适当增加减水剂的用量。
比较3种配合比设计方法配制的自密实混凝土的工作性能可知，C组混凝土的扩展时间最长，这可能与C组混凝土水胶比偏低，粉煤灰用量(滚珠润滑作用)较小有关。A组和B组混凝土虽然各组分用量接近，但工作性能却有差异。从坍落扩展度试验来看，A组自密实混凝土的流动性高于B组，在减水剂用量接近的条件下，A组的T500小于B组，这可能是由于掺加的石灰石粉使B组混凝土的粘稠性增加。在J环试验中，A组混凝土没有出现J环附近的堵塞现象，而B-C40混凝土出现了在加筋杆附近的骨料堵塞现象。
根据表2中混凝土的抗压强度试验结果可知，A组和C组自密实混凝土的强度均达到了设计要求，其中C组C40、C50、C60混凝土的平均抗压强度分别达到了设计值的150%、115%、140%。而B-C60混凝土没有达到设计强度的要求，这可能与高效减水剂的引气性有关，其用量较A组多时，含气量对硬化免振捣混凝土的强度产生了影响。
3.3混凝土成本比较
以3种配合比设计方法中混凝土性能均满足要求的C50混凝土为例，进行混凝土原材料成本估算:A组为228元，B组为229元，C组为262元。A组混凝土配合比成本最低的原因在于，A组配合比中矿物掺合料掺量较高，减水剂用量较低。因此，在满足工作性能和强度指标的要求下，采用改进的配合比设计方法设计的自密实混凝土可节约水泥，降低成本，提高混凝土耐久性。
比较表1中其他强度等级的混凝土配合比可知，A组的混凝土配合比成本均为最低。与目前市场上同等级泵送混凝土相比，以C40泵送混凝土为例，单方混凝土原材料成本约为320元，而A组C40混凝土的原材料成本为211元，降低了100元以上，因此，采用改进的配合比设计方法能够大幅降低混凝土的生产成本，更适应现代低能耗的要求。
4结论
结合试验结果及分析可知，JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》设计的配合比中水胶比偏低，结果趋于保守，不满足经济性要求，与改进的设计方法相比，所设计的混凝土强度显著提高但工作性能有所降低。CECS203-2006《自密实混凝土应用技术规程》设计的配合比满足经济性要求，但设计过程中需凭经验选择用水量和水粉比，对计算有一定的限制，与改进的设计方法相比，所设计的混凝土由于石灰石粉的补足加入，粘稠性增加，工作和力学性能可能受到影响。
改进的配合比设计方法计算步骤简单，使用方便，所设计的C40~C60自密实混凝土的工作性能及抗压强度均能满足规范指标或设计要求，与JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》设计的C40~C60混凝土相比，可降低材料成本25~40元/m3，与市场上同等级的泵送混凝土相比，更是大幅降低了生产成本，满足现代低能耗的要求。
来源:建筑技术开发
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