／４；ｇｈｗａｙ Ｅｎｇ。ｎｅｅ ｎｇ道路工程 美国ＡＣＩ混凝土配合比设计方法试验分析 费建文 （中交一公局海外公司埃塞俄比亚亚的斯公司，北京１０００００） 摘要：以埃塞俄比亚亚的斯市政工程用Ｃ３０泵送混凝土配合比的设计为例，阐述了美国混凝土协会ＡＣＩ的普通强 度水泥混凝土配合比的设计方法、设计步骤，对中方技术人员理解与运用ＡＣＩ混凝土配合比设计规范有一定的指 导意义。 关键词：混凝土；配合比；设计 中图分类号：Ｕ４１４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—８０９８（２０１５）０３—０１４０—０３ ０引言 表１水泥的主要技术指标 美国水泥混凝土配合比设计分为普通强度混 ＭＵＧＨＥＲ ０ＰＣ ４２．５ 凝土（圆柱体抗压强度小于４１．４ＭＰａ，立方体抗压 水泥类型 标准（ＢＳＥＮ一１９７） 试验结果 强度小于５１．７５ＭＰａ）与高强度混凝土（圆柱体抗 初凝时间／ｍｉｎ ＭＩＮ ６０ １９５ 压强度大于４１．４ＭＰａ，立方体抗压强度大于 终凝时间／ｍｉｎ ２２５ ５１．７５ＭＰａ）的配合比设计，设计方法使用美国混 ３ｄ抗压强度／ＭＰａ ＭＩＮ ２Ｏ ２２ 凝土协会（ＡｃＩ）的设计方法。国际上最普遍使用 ２８ｄ抗压强度／ＭＰａ ＭＩＮ ４２．５ ４４ 的水泥混凝土配合比的设计方法是美国混凝土协 ３ｄ抗折强度／ＭＰａ ４．６ 会（ＡＣＩ）的Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｐｒｏｐｏｒ— ２８ｄ抗折强度／ＭＰａ ８．０ ｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎｏｒｍａｌ，Ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ （ＡＣＩ ２１ １．１—９１）。美国ＡＣＩ混凝土配合比设计规范 硫酸盐（％） ＭＡＭ ４ ３．６８ 具有独特的特点，广泛用于世界各地。 难熔化的残留物（％） ＭＡＭ ５ ０．９３ 在该设计方法中，为了获得符合规范要求的 烧失量（％） ＭＡＭ ５ ４．８６ 混凝土配合比，主要是按照以下流程进行：第一 氯化物（％） ＭＡＭ ０．１ ０．００７１ 步是组成材料的选择；第二步是混凝土配合比各 １．２天然砂 种组成材料试配设计；第三步是对混凝土配合比 本次试验所用天然砂来源于亚的斯亚贝巴 进行验证；第四步是在施工过程质量控制中配合 ２００ｋｍ以外的ＭＥＫＩ天然砂，其主要技术指标（埃 比校正与完善，使设计成功的配合比符合规范要 塞亚的斯公路局规范ＡＡＣＲＡ））如表２所示，级 求，具有实用性、适用性与经济性。本文对ＡＣＩ混 配要求（来源于美国材料与试验协会ＡｓＴＭ Ｃ３３） 凝土配合比设计方法进行介绍及试验分析。 如表３所示。 表２天然砂的技术性能指标 １水泥混凝土组成材料选择 项目 规范要求 检测结果 １．１水泥 本次试验所用的水泥产自埃塞俄比亚国家水 含泥量 Ｍａｘ ５％ ４％ 泥厂ＭＵＧＨＥＲ，ＭＵＧＨＥＲ水泥厂是埃塞最大的水 如果含泥量超标，抗压强度比ＡＡＳＨＴＯ Ｔ一７１ Ｍｉｎ ９５％ 合格 泥厂。施工合同规范指定使用４２．５ＭＰａ普通硅酸盐 坚固性ＡＡＳＨＴ０ Ｔ一１０４ Ｍａｘｌ０％ ９．５％ 水泥。水泥的主要技术指标如表１所示。 泥块含量ＡＡＳＨＴＯ Ｔ一１ １２ Ｍａｘ ２％ ２％ 收稿日期：２０１５．０１．１３ １４０：交通建设与管理 道舡程 ｇ№ ｎｇ 表２（续） 项目 有机质含量 砂当量 表５混凝土拌和用水性能 规范要求 检测结果 ＭａｘＮｏ．３ Ｎｏ．２ Ｍｉｎ ７５ ８０ 试验项目 规范要求 检测值 氯化物 硫化物与硫酸盐 ｐＨ Ｍａｘ ４００ＰＰＭ Ｍａｘ ５００ＰＰＭ ７～９ ｌｏｏ １２０ ７．０ 吸水率（％） 饱和面干密度ｌ（ｔ／ｍ ） ２．８７ ２．３６ 不容颗￣ｔＪ（ｍｓ／Ｌ） 碱金属碳酸盐与碳酸氢盐 ２０ｏＯ Ｍａｘ ７５０ＰＰＭ １ ３００ ２４０ 表３天然砂的级配要求 筛：Ｊ：：Ｌｌｍｍ ９．５ ４．７５ ２３６ １．１８ 规范要求通过量（％） ｌｏｏ ９５￣１ｏ０ ８Ｏ一１０ｏ ５０～８５ 检测结果（％） １００ ９８．３ ９３．２ ８２．４ １．５外加剂 埃塞的水泥样品送到北京慕湖外加剂厂，要 求厂家生产的外加剂比埃塞的水泥适用性强。混 凝土ＭＮＣ—Ｐ２泵送剂是由ＵＮＦ一５奈系高效减水 剂、ＡＥ２引气剂与ＢＳ保塑剂复合组成的。泵送剂 ０．６ ０＿３ ０．１５ ０．０７５ ２５－６０ １０～３０ ２～１Ｏ ５７．３ ２５．５ ７．２ ４．７ 的主要作用就是保持坍落度损失小，减少单方用 水量，降低水灰比，少量的引气成分提高混凝土 的和易性，使混凝土易于泵送。外加剂技术性能 如表６所示。 表６外加剂技术性能 项目 厂家推荐占水泥掺量（％） 减水率（％） 掺量占水泥的１％减水率 通过计算天然砂的细度模数２．３。泵送混凝土 使用砂的０．３ｍｍ的通过量必须大于１５、０．１５ｍｍ通 过量大于５，同时满足ＡＳＴＭ Ｃ３３的级配上限要求。 １．３粗集料 标准要求 ０．８－Ｉ．２ ≥１５ 检测值 本次所用的粗集料是按照美国材料与试验协 ２０ 会ＡＳＴＭ Ｃ３３的技术性能要求在亚的斯的ＢＯＬＥ料 场自己生产的－１３ｍｍ石子与１３ ２５ｍｍ的石子按照 ３５％与６５％合成，符合规范要求。 表４粗集料的级配要求 １３－２５ｍｍ ５ １３ｍｍ石 合成级配通 规范要求 筛孔／ａｒｍ 石料检测通 料检测通过 过量（％） ＡＳＴＭＣ３３ 过量（％） ２５ １９ １２．５ ９．５ ４．７５ ２．３６ １．１８ 掺量占水泥的１％，２８ｄ抗压强度比（％） 掺量占水泥的１％，坍落度增加值／ｃｍ 掺量占水泥的１％，缓凝时间，ｌｌ １１５ １３ ６ ２混凝土配合比设计 量（％） １０ｏ ｌ００ １ｏ０ ８４．３ ２２．８ ３．３ １．１ ２．１配合比设计 根据ＡＣＩ３１８Ｒ中的“混凝土配合比选择以及查 用资料的流程图”确定混凝土试配强度，根据Ｓｔａｎ． ｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎｏｒｍａｌ， Ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＡＣＩ ２１ １．１— １）计 １ｏｏ ８４．８ ２２．９ ３＿３ １．５ Ｏ Ｏ １ｏｏ ９Ｏ．１ ４９．９ ３１．７ ９．Ｏ １．２ ０．４ １ｏ０ ９０－１ｏ０ ２５－６０ Ｏ一１Ｏ ０－５ 算配合比，最终根据流程图确定配合比。 埃塞俄比亚公路局施工技术规范以及合同条款中 规定，混凝土用石子的最大粒径为２５ｍｍ（公称最大 粒径为２０ｍｍ）；不大于Ｃ１５的素混凝土中石子的最大 ０．６ Ｏ．３ Ｏ ０ １．０ ０ Ｏ．４ ０ 粒径可以使用３７．５ｍｍ（公称最大粒径为２５ｍｍ）一般 结构混凝土工程；集料的最大粒径不大于结构最小边 尺寸的１／４，不大于混凝土板厚的ｌ／３，不大于钢筋净 １．４混凝土拌和用水 混凝土拌和用水使用井水，按照埃塞亚的斯 距的３／４；泵送混凝土的碎石最大粒径不大于泵送管 公路局规范ＡＡＣＲＡ技术规范，所用水的指标如表 ５所示。 径的１／３，现场施工使用直径１２０ｍｍ的泵送管。 根据ＡＣＩ３１８Ｒ中的“混凝土配合比选择以及 交通建设与管理：１４１ ／厶 ｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ道路工程 查用资料的流程图”的要求，绘制２８ｄ立方体抗压 强度与水灰比的关系曲线，根据Ｃ３０混凝土的立方 计算２８ｄ立方体抗压强度为２９￣１．２９＝３７．４（ＭＰａ），满足 规范要求，说明配合比可以使用。实测２８ｄ立方体抗 体试件的试配强度４０．４ＭＰａ，确定水灰比、水泥用 量、水的用量，从而确定配合比。 压强度平均值３９．５ＭＰａ满足配合比设计要求。 ３施工过程质量控制中配合比校正与完善 统计各组混凝土配合比的２８ｄ强度（Ｒ２８）与 ７ｄ强度（Ｒ７）的比值分别为１．５２８、１．４１５、１．４７４、 ３．１施工现场对混凝土配合比的验证 １．４０、１．３２５、１．４２３。数理统计计算的平均值ＡＶ＝ １．４２８；标准差Ｓ＝０．０６８８；２８ｄ强度与７ｄ强度的系 数需要系数平均值减去２倍的标准差，２是概率 ９９％的保证系数。 所以２８ｄ强度，Ｒ２８＝（１．４２８—２×０．０６８８１×Ｒ７＝ 施工现场的混凝土坍落度控制在１２０～１６０ｍｍ 范围内。从拌和站的１７０ｍｍ的实测坍落度运输到 施工现场的实测坍落度为１４０ｒａｍ，能够满足施工 的稠度与和易性要求，满足施工工艺要求，施工 能够顺利进行。 １．２９￣Ｒ７，这个关系式只是暂时的，需要相同配合 比的３０组以上的２８ｄ强度与７ｄ强度的数理统计系 根据混凝土坍落度满足施工工艺的情况与２８ｄ 立方体抗压强度的质量评定情况，及时反馈到实 数关系，用来根据７ｄ强度估算２８ｄ强度 根据２８ｄ立方体抗压强度与水灰比的关系图与 ２８ｄ立方体抗压强度与水泥的关系图，通过解析， Ｃ３０混凝土的立方体试件的试配强度为４０．４ＭＰａ， 对用的水灰比０．４６、水泥用量４００ｋｇ，计算配合比 的粗集料捣实体积０．６０３、粗集料捣实密度为 验室，进行微调配合比控制好混凝土的质量。 根据规范要求，每次现场施工时制作几组立方 体试块，分别用于７ｄ与２８ｄ立方体抗压强度试验。 ７ｄ立方体抗压强度用于推算２８ｄ立方体抗压强度， ２８ｄ立方体抗压强度试验用于混凝土的质量评定。 ３．２混凝土立方体抗压强度的动态控制 １５８０ｋｇ／ｍ 。根据试验结果最终的配合比确定为 （ｋｇ）：水泥：砂子：５～１３ｍｍ碎石：１３—２５ｒａｍ碎石：水 ：Ｐ２泵送￣１＝４００：７０４：３４１：６３１：１８４：４．０，确定得到 混凝土拌和站稳定生产的混凝土，按照规范 要求取样，在施工现场进行混凝土的７ｄ与２８ｄ的 立方体抗压强度试验。相同条件的混凝土配合比 的多组２８ｄ的强度满足合格评定的同时，进行动态 数理统计分析。２８ｄ实测平均抗压强度 ＝ ３８．５ＭＰａ，标准差 ＝２．１，２倍的标准差是４．２，最 初的每个强度值应该在３４．３（２８．５—４．２）～４２．７ （２８．５＋４．２）之间。 的水灰比为０．４６。 ２．２混凝土配合比验证 混凝土配合比在实验室进行试验调整确认以后， 必须具有实用性，在混凝土拌和站能够按照混凝土配 合比拌和，混凝土运到现场能够与现场施工相适用， 满足施工工艺要求，现场施工能够顺利进行。 首先，混凝土拌和站的计量系统必须经过计量 混凝土立方体抗压强度的平均值减去２倍的标 准差的值必须大于混凝土的设计强度，如果混凝 标定并且取得合格的标定证书，在拌和站检测砂子 石子的天然含水量，把配合比换算成施工配合比。 混凝土拌和站的试验控制人员检测新拌和的 土的单组抗压强度连续降低，混凝土单组抗压强 度值接近或小于抗压强度的平均值减去２倍的标准 差的值时，需要采取措施提高质量控制水平，检 查拌和站的计量系统，是否是水泥的计量系统不 准确或者现场浇筑混凝土时严重涨方，查找原因 提高 昆凝土的抗压强度。 如果混凝土的单组抗压强度连续升高，单组 抗压强度值接近或大于抗压强度的平均值加２倍的 标准差的值时，需要采取措施提高质量控制水 混凝土，进行坍落度试验与立方体抗压强度试 验，根据坍落度情况微调砂率与用水量，拌和站 运转正常，就可以连续施工。根据运距情况控制 拌和站混凝土坍落度在１５０～１８０ｍｍ范围内。 实测拌和站现场砂子的平均含水量为６％；实 测现场碎石含水量为０，得出最终集料干燥状态的混 凝土单方混凝土配合比，计算施工配合比进行混凝 土拌和，实测坍落度为１７０ｍｍ，和易性满足规范要 求，７ｄ立方体抗压强度平均值为２９ＭＰａ，统计出７ｄ 立方体抗压强度与２８ｄ立方体抗压强度的系数关系， １４２；交通建设与管理 平，检查拌和站的计量系统，是否是水泥的计量 系统不准确或者现场浇筑混凝土时严重亏方，查 找原因降低混凝土的强度，提高经济效益。 （下转第１４６页） ｎｄｇｅ＆ＴｕｎｎｅＩ Ｅｎｇｉｎｅｅｍｇ桥梁与隧道工程 析中，若不考虑桩一土效应，墩底截面的弯矩需求 的计算误差将达到３２．７５％；若考虑桩一土效应，但 忽略桩基自身的材料非线性，那么墩底截面的弯 矩需求的计算误差也会达到２０．１ ８％。 ４结论 参考文献： ［１］孔德森，栾茂田，杨庆．桩土相互作用分析中的动力 Ｗｉｎｋｌｅｒ模型研究评述【ＪＩ．世界地震工程，２００５，２１ （１）：１２—１７． 『２］李培振，陈跃庆，吕西林，等．较硬分层土一桩基一结 构相互作用体系振动台试验［Ｊ］．同济大学学报：自然科 学版，２００６，３４（３）：３０６—３ｌ２． 本文以某高速公路上的典型连续梁桥为工程 背景，采用非线性动力时程分析法，对比分析了 桩一土效应对桥梁动力特性和墩柱内力响应的影 响，结论如下。 （１）考虑桩一土效应并同时考虑桩基的材料非 ［３］凌贤长，王臣，王成．液化场地桩一土一桥梁结构动力 相互作用振动台试验模型相似设计方法［Ｊ］．岩石力学与 工程学报，２００４，２３（３）：４５０—４５６． 【４】徐礼华，刘祖德，茜平一．上部结构一桩基础一地基相 线性以后，由于桩基的整体刚度略有下降，结构 自振周期增长较大。因此在桥梁动力特性分析 中，桩一土效应和桩基的材料非线性必须加以考 虑，否则将导致不可接受的计算误差。 （２）考虑桩一土效应和桩基的材料非线性以 互作用体系地震反应分析［Ｊ】．岩石力学与工程学报， ２００２，２１（１１）：１７２０—１７２３． 【５］ Ｎｏｇａｍｉ Ｔ，Ｏｔａｎｉ Ｊ，Ｋｏｎａｇａｉ Ｋ，Ｃｈｅｎ Ｈ Ｌ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｏｉｌ— Ｐｉｌｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，１９９２，１ １８（１）：８９— １０６． 后，由于结构的刚度下降，基阶周期增大，使得 各墩墩底截面的剪力需求出现较明显的下降。以 本文桥例而言，若不考虑桩一土效应，墩底截面的 剪力需求的计算误差将达到２６．６０％；若考虑桩一土 效应，但忽略桩基自身的材料非线性，那么墩底 ［６】Ｂｏｕｌａｎｇｅｒ Ｒ Ｗ，Ｃｕ￣ａｓ Ｃ Ｊ，Ｋｕｔｔｅｒ Ｂ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｏｉｌ— Ｐｉｌｅ—Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏ——ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－－ ｉｎｇ，１９９９，１２５（９）：７５０—７５９． 【７］Ｇｕｉｎ Ｊ，Ｂａｎｅｒｊｅｅ Ｐ Ｋ．Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｏｉｌ—Ｐｉｌｅ—Ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ Ｉｎｔｅｒａｃ— ｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｎｄｅｒ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔｒｕｃ— ｒｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１２４（４）：４３４—４４４． 截面的剪力需求的计算误差也会达到１４．０８％。 （３）考虑桩一土效应和桩基的材料非线性会使 得各墩墩底截面的弯矩需求较大幅度的下降，降 幅比剪力需求略大。以本文桥例而言，若不考虑 桩一土效应，墩底截面的弯矩需求的计算误差将达 到３２．７５％；若考虑桩一土效应，但忽略桩基自身的 材料非线性，那么墩底截面的弯矩需求的计算误 差也会达到２０．１８％。 ［８］ Ｍａｚｚｏｎｉ Ｓ，ＭｃＫｅｎｎａ Ｆ，Ｓｃｏｔｔ Ｍ Ｈ，Ｆｅｎｖｅｓ Ｇ Ｌ．Ｏｐｅｎ Ｓｙｓ— ｔｅｍ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＯｐｅｎＳｅｅｓ）： ＯｐｅｎＳｅｅｓ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ：Ｐａｃｉｆ— ｉｃ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒ— ｎｉａ，２００７． 、，ｅ一 弛 ， 、，＾＿， ～弛、 ， （上接第１４２页） ４结论 应用到混凝土的配合比的设计方法、设计步骤中 去，不断完善对ＡＣＩ设计方法的理解与运用。 参考文献： ［１］ＡＣＩ ２１１．１—９１，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｒｆ Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎｏｒｍａｌ，Ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｓ］． ［２】ＡＣＩ ３ １ ８Ｒ一１ １，Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｄｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ＡＣＩ混凝土配合比砂率的确定方法比较全面、 具体地反映了各种因素对砂率的影响，充分利用 了捣实容重和砂的细度模数这两个关键指标，大 大减少了由于砂率影响的混凝土配合比的试配次 数，提高了工作效率。ＡＣＩ混凝土的配合比的设计 方法、设计步骤很容易理解，ＡＣＩ配合比设计的关 键是多实践，在实践中总结经验，把实践经验再 （ＡＣＩ ３ １ ８—１ １）Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｎｔａｒｙ［Ｓ］ ．［３］ＡＣＩ ３０４ ２Ｒ，Ｐｌａｃｉｎｇ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｙ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｓ］． １４６：交通建设与管理
