浅谈南水北调混凝土配合比设计和试验

□贺国伟（中国水利水电第十一工程局有限公司）

自2003年公司承建的南水北调滹沱河倒虹吸工程以来，中国水利水电第十一工程局在南水北调已承建了20多个土建标段的施工。公司试验室在陆续为施工单位所做的混凝土配合比设计和试验过程中，坚持科学的试验手段，坚持新材料的应用，及时为施工单位提供了合理、经济、适用的混凝土施工配合比并应用于工程施工。

1.不单纯以抗压强度为设计试验的指标，更注重了混凝土的耐久性

混凝土工程中的抗冻、抗渗和碱骨料反应等均属于混凝土的耐久性指标，对水利工程尤其显得重要。在各标段的混凝土配合比的设计和试验中，对有抗冻、抗渗要求的混凝土的配合比做了设计和试验。

1.1 对抗压强度较低等级的混凝土不单纯以抗压强度为设计试验的指标。在选择和提供施工配合比时选择以满足抗冻、抗渗要求的水胶（灰）比作为混凝土配合比的主要参数，而且在试验过程中一般还要选择比提供的水胶（灰）比稍大的水胶（灰）比进行试验，这样更加保证了混凝土抗冻、抗渗指标的要求。

南水北调某标段有一组混凝土C20W6F150，采用42.5普通硅酸盐水泥，在进行混凝土配合比试验时，其配制强度为25.1 MPa。如果掺25%粉煤灰，按抗压强度指标选择配合比其水胶比为0.56；按有关规范要求抗渗指标水胶比是0.55～0.60、抗冻指标水胶比是≤0.50；在做混凝土配合比试验时0.55的水胶比、掺20%的粉煤后灰或0.50的水胶比、掺30%的粉煤灰均能满足其F150的抗冻要求。最后在提供施工配合比时，还是选择了水胶比0.50、粉煤灰掺量25%的配合比，从而保证了混凝土耐久性的要求。

1.2 混凝土有抗冻、抗渗等级要求，必须掺引气剂，并严格控制含气量。所选用的引气剂一定要和施工所选用的水泥进行适应性试验后方可使用。由于砂子的含泥量是施工中可能影响混凝土含气量的主要因素，因此要求施工单位采取措施严格控制砂子的含泥量和混凝土的含气量，以满足混凝土的抗冻、抗渗要求。

1.3 严把混凝土的原材料关。决不使用具有活性和潜在活性的骨料进入配合比试验；在混凝土配合比中严格控制混凝土的碱含量≤2.5 kg/m3。

2.掺加适量粉煤灰

南水北调各标段均采用42.5级水泥，而多数建筑物的混凝土强度等级均为C20～C30。水泥的强度等级高和建筑物的强度等级不是很匹配，因此，在混凝土中掺加适量的粉煤灰以调节它们之间的关系是非常必要的。

粉煤灰具有火山灰活性效应、微集料效应和颗粒形态效应，替代部分水泥，降低了混凝土的成本；减少了水泥水化热所引起的负面效应；由于降低了混凝土的早期弹模，相对增大了混凝土的早期变形能力，有利于混凝土的早期防裂；由于粉煤灰的密度较水泥小，同等质量的粉煤灰颗粒数量比水泥多，因此对C20～C30级的混凝土，由于胶凝材料的数量增多，混凝土拌和物的和易性好。

但掺加粉煤灰的混凝土早期强度会有不同程度的降低。因此，在南水北调土建标段的施工初期，有的设计和建设单位担心在混凝土里掺粉煤灰会影响混凝土的抗压强度，要求在一些部位不掺粉煤灰。经实践证明：不掺粉煤灰的混凝土不仅28 d抗压强度有较大幅度的超强，而且还增加了混凝土的温控措施。

粉煤灰已成为南水北调混凝土的主要外加原材料。在各标段的混凝土配合比设计和试验中，根据具体情况均掺用10%～30%的不低于Ⅱ级的粉煤灰。

3.选择适宜的外加剂掺入混凝土，以提高和改善混凝土的各种性能

选择掺入缓凝型高效减水剂，降低了混凝土中水泥用量，不但降低了混凝土成本，减少了水泥水化热所引起的负面效应，而且推迟和削减了水化热的峰值，有利于混凝土的早期防裂。

在南水北调施工的初期，选择的缓凝型高效减水剂主要是萘磺酸盐甲醛缩合物，其减水率约在15%～18%。2009年前后，聚羧酸盐高性能减水剂已在我国一些工程建设中开始应用，及时地引进到南水北调的混凝土配合比中。聚羧酸盐高性能减水剂最大的特点是减水率高达25%以上，且混凝土坍落度经时损失小，非常适宜配制南水北调C50桥梁等建筑物的混凝土。

有抗冻、抗渗要求的混凝土，选择松香类的引气剂进入混凝土配合比。这类引气剂比较适应各类硅酸盐水泥，产品质量比较稳定，掺入混凝土后不仅引气效果较好，而且改善了混凝土拌和物的和易性。

4.配制纤维混凝土，提高混凝土的防裂能力

南水北调各标段的渠道混凝土衬砌量大，厚度只有8～10 cm，属于薄壁结构。随着衬砌机的投入运用，原来的二级配混凝土改为一级配混凝土施工；水泥用量的增加使原本的防裂问题更加突出。在混凝土中掺入0.9 kg/m3聚丙烯纤维类配制纤维混凝土，提高了混凝土的防裂能力，较好地解决了这一问题。

5.聚羧酸盐高性能减水剂的应用，为混凝土配合比的设计和试验开辟了一种新的方法

在使用聚羧酸盐高性能减水剂之前，萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂配制混凝土有一个“最佳掺量”。所谓“最佳掺量”就是掺量小于最佳掺量时尽管减水率随掺量的增加而变化较大，但总的减水率小，减水效果未达到理想状态；掺量大于最佳掺量时，其减水率随掺量的增加而变化较小；减水率增加小，不经济且混凝土拌和物的坍落度损失快。一般固体状的萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂的最佳掺量为胶材用量的0.7%左右；其减水率约在15%～20%，萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂配制混凝土的配合比参数和各材料的具体情况示例见表1。

表1 萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂配制混凝土配合比表

从表1可以看出：二级配和一级配的用水量分别为140 kg/m3和160 kg/m3左右，两者相差20 kg/m3左右。

聚羧酸盐高性能减水剂由于其减水率高，对于C20～C30的水工普通混凝土，不需要减水过多，否则混凝土拌和物中的胶材量过少，混凝土拌和物的和易性不好。因此在混凝土配合比设计时以考虑混凝土拌和物的和易性好的减水剂最低掺量为目标。聚羧酸盐高性能减水剂配制混凝土的配合比参数和各材料的具体情况示例见表2。

表2 聚羧酸盐高性能减水剂配制混凝土配合比表

从表2可以看出，技术要求、水胶比、煤灰掺量基本相同，尽管级配不同，但可以用减水剂的不同掺量来调节减水率，结果一级配和二级配的单位用水量、胶材用量相差不多。

6.结语

在公司承建的南水北调各标段混凝土配合比设计和试验中，坚持掺适量粉煤灰、缓凝型高效减水剂、在选择和提供混凝土配合比时更注重混凝土的耐久性指标；实践证明混凝土配合比设计和试验的主导思想是正确的，提供的混凝土配合比是经济适用的。

聚羧酸盐高性能减水剂的普及应用，为混凝土的设计和试验开辟了一种新的方法。