南水北调某标段水工混凝土配合比设计与研究

□ 崔振华 □ 朱安康（河南科源水利建设工程检测有限公司）

1 配合比委托内容及配置强度

1.1 委托内容

设计指标为C30W6F150，坍落度18～22cm，使用部位为倒虹吸管身，浇注方式为泵送，所用原材料为P.O42.5级水泥、F类I级粉煤灰、人工砂、2级配碎石、FAC减水剂（掺量1.20%）、FAC-4引气剂（掺量0.80/万）。

1.2 混凝土的配置强度

C30W6F150混凝土配合比按照《水工混凝土试验规程》SL352-2006和《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T5330-2005）进行设计，设计龄期为28d，强度保证率P为95%，概率度系数t为1.645。混凝土配置强度 fcu,o=fcu,k+tσ=30+1.645×4.50=37.40MPa。

2 混凝土配合比计算

2.1 水胶比

根据《水工混凝土配合比设计规程》，采用碎石和普通硅酸盐水泥，90d龄期强度增长率为118%，90d龄期回归系数A和B分别为0.478和0.512（选择粉煤灰掺量为0的强度增长率和回归系数）。强度保证率选用95%，概率度系数t为1.645，标准差σ为4.50MPa，则:

σcu,k,90d=118%×σcu,k=118%×30=35.40MPa

σcu,0,90d=σcu,k,90d+tσ=35.40+1.645×4.50=42.80MPa

P.O42.5水泥 σce=48.0MPa

w/（c+p）=Afce/（fcu,0,90d-ABfce）=0.478×48.0/（42.8-0.478×0.512×48.0）=0.42

根据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）混凝土的水胶比最大允许值、抗渗等级与水胶比关系以及《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-98）抗冻混凝土水胶比的要求，本地区属温和地区，C30W6F150倒虹吸管身属水流冲刷部位，水胶比应≤0.50，泵送混凝土胶凝材料用量≥300kg/m3，则初选水胶比为0.42。

2.2 用水量

查《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T5330-2005）和《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）初选用水量确定为198 kg/m3，考虑外加剂28%的减水率，则用水量为143kg/m3。

2.3 胶凝材料用量

水胶比w/（c+p）=0.42，每m3混凝土用水量mw=143kg；根据《水工混凝土掺用粉煤灰规程》（DL/T5055-2007）对粉煤灰取代水泥的最大限量要求，确定粉煤灰掺量Pm为20%，经计算每m3混凝土胶凝材料用量为340kg；水泥用量为272kg；粉煤灰用量为68kg。

2.4 砂率

查《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T5330-2005）和《水工混凝土试验规程》（SL352-2006），初选砂率Sm确定为43%。

2.5 砂、石骨料用量

配合比骨料为饱和面干状态，砂、石骨料用量采用质量法计算。

依据《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T5330-2005），碎石骨料最大粒径40mm，F150混凝土拌和物含气量为（4.5±1）%，混凝土拌和物质量假定值mc,e为2320kg/cm3。

每m3混凝土砂石总质量ms,g=mc,e-（mw+mc+mp）=2320-（143+340）=1837kg

每m3混凝土砂用量ms=ms,gSm=1837×43%=790kg

每m3混凝土碎石用量mg=ms,g-ms=1837-790=1047kg

每m3混凝土D20碎石用量mg，20=1047×40%=419kg

每m3混凝土D40碎石用量mg，40=1047×60%=628kg

2.6 外加剂用量

外加剂用量分别为:

FAC减水剂（水剂，掺量 1.2%）用量 =（mc+mp）×1.2%=340×1.2%=4.08kg

FAC-4引气剂（掺量 0.008%）用量 =（mc+mp）×0.008%=340×0.008%=2.72×10-2kg

2.7 计算配合比

混凝土各项材料用量和比例见表1。

表1 计算配合比表

3 混凝土配合比试配

3.1 确定最优砂率

用选定的水胶比和用水量，变动3～5个砂率，每次增减砂率1%～2%进行试拌，坍落度最大时的砂率即为最优砂率。以41%、43%、45%的砂率进行试配，测定混凝土坍落度，检测结果混凝土拌和物的最优砂率为43%。

3.2 确定用水量

用最优砂率试拌，调整用水量至混凝土拌和物满足工作性要求，分别以140,143,146kg的用水量进行试配，测定混凝土坍落度和含气量，委托要求坍落度和含气量分别为180～200mm和（4.5±1）%，结果可选定用水量为140kg。

3.3 混凝土强度试验

采用3个不同水胶比的配合比，其中一个为4.2确定用水量的配合比，其他配合比的用水量不变，水胶比依次增减，变化幅度为0.05，砂率相应增减1%。混凝土强度试验检测结果:水胶比为0.37时R7抗压强度31.70MPa，R28抗压强度44.70 MPa；水胶比为0.42时R7抗压强度27.40MPa，R28抗压强度38.50MPa；水胶比为0.47时R7抗压强度24.10MPa，R28抗压强度33.20MPa。

3.4 确定配合比

根据3.3混凝土强度试验得出混凝土抗压强度与水胶比关系曲线，用作图法或计算法求出与混凝土配制强度（σcu,0）相对应的水胶比。

按3.3混凝土强度试验中的水胶比和对应的28d抗压强度值绘制水胶比与强度关系曲线，见图1。

图1 强度-水胶比关系曲线图

由图1知，3.3混凝土强度试验试验数据拟合的强度-水胶比关系方程为:

y=-115x+87.1

式中:y—28d抗压强度，MPa；x—水胶比。

C30混凝土28d配置强度σcu,0=37.40MPa，代入上述方程，确定水胶比x=（37.4-87.1）/-115=0.43，则确定的配合比为表2所示结果。

表2 确定的配合比表

4 配合比调整

依据《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T5330-2005），根据试配结果，计算混凝土配比各材料的用量和比例，按下式计算每m3混凝土拌和物的质量:

mc,c=mw+mc+mp+ms+mg

按下式计算混凝土配合比的校正系数δ:

δ=mc,t/mc,c

式中:mc,c—每立方米混凝土拌合物质量计算值，kg；mc,t—每立方米混凝土拌和物质量实测值，kg；

按校正系数对配合比中各项材料进行调整，即为调整设计配合比。

mc,c=2307kg，mc,t=2316kg，δ=2316/2307=1.00

调整后的混凝土配合比每m3混凝土水用量为141kg，水泥用量为262kg，粉煤灰用量为65kg，中砂用量为793kg，D20碎石用量为421kg，D40碎石用量为630kg，减水剂用量为3.93kg,引气剂用量为0.26×10-1kg，总质量为2316kg。

5 碱含量计算

根据《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例（南水北调）》中的规定，混凝土总碱含量不得超过2.5kg的控制值。由水泥、粉煤灰、减水剂和引气剂的检测报告知，水泥、粉煤灰、减水剂和引气剂的碱含量分别为0.42%、1.95%、0.84%和1.45%。

根据《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）附录B混凝土碱含量的计算方法:

C30W6F150总碱量=0.42%×261+0.2×1.95%×65+0.84%×3.927+1.45%×0.02618=1.39kg<2.50kg，推荐配合比的总碱含量满足要求。

6 混凝土抗渗性能检测

C30W6F150混凝土的抗渗等级为W6，根据（4.配合比调整）调整后用量成型抗渗试件一组（6块），实测抗渗等级大于设计抗渗等级W6，所以此配合比成型的混凝土抗渗性能满足设计要求。

7 混凝土抗冻性能检测

C30W6F150混凝土的抗冻等级为F150，根据（4.配合比调整）调整后用量成型抗冻试件一组（3块），检测结果，混凝土冻融达到预定的循环次数（150次），相对动弹性模量未下降至初始值的60%，且重量损失率未超过5%，所以此配合比成型的混凝土抗冻性能满足设计要求。

8 结论及建议

8.1 结论

依据规范进行理论计算，对计算出的配合比进行试配，调整各材料的用量以满足混凝土拌和物的各项性能要求，再对调整后的配合比成型进行强度试验，根据水胶比与强度的关系曲线确定满足配制强度和规范规定的水胶比要求的水胶比，从而得到推荐混凝土配合比，用推荐配合比成型，进行抗渗抗冻试验，并根据试验结果调整水胶比，得到最终的混凝土配合比。从上述配合比设计和试验过程可以看出，本C3W6F150混凝土配合比（4.配合比调整）满足设计及施工技术要求。

8.2 建议

提出的混凝土建议配合比是基于室内试验得出的，采用推荐配合比的混凝土工程，其所用原材料基本性能应与本次试配试验的原材料基本相同。工地实际施工采用的配合比应根据工地原材料确定，当原材料基本性能有较大变化时，应有相应的试验进行验证，以确保混凝土的性能。

严格控制用于配制混凝土的各种原材料的质量，其中P.O42.5水泥28d抗压强度不宜低于48.00MPa，砂子细度模数不宜超过2.80±0.20。

严格控制水泥、粉煤灰、外加剂的碱含量，使其满足南水北调中线干线工程标准《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》对混凝土总碱含量的要求。

混凝土拌和时，原材料称量偏差应严格控制在规范允许范围之内。水泥、粉煤灰±1%，粗、细骨料±2%，水、外加剂±1%。以饱和面干料为基准的水工混凝土配合比，需根据粗细骨料的吸水率和含水率来调整用水量。

粉煤灰混凝土浇筑时，不得漏振或过振。振捣后的粉煤灰混凝土表面，不得出现明显的粉煤灰浮浆层。粉煤灰混凝土振捣完毕后，应加强养护，混凝土表面宜加遮盖，并保持湿润。暴露面的潮湿养护时间,不得少于14d；干燥或炎热气候条件下的潮湿养护时间，不得少于21d。

混凝土拌和物的机口坍落度，应根据当时的气温、风速、运输方式、输送距离、施工方法等条件，通过现场测定浇筑点与拌和楼之间的坍落度损失后及时调整，一般通过调整外加剂掺量来控制坍落度。