水电工程综合性混凝土配合比设计方法优化研究

摘要 水电工程由于混凝土种类、强度等级、粗骨料级配及原材料品种的多样性，所需混凝土施工配合比数量往往较大。如果对以上四种因素每一组合进行不同水胶比的混凝土性能试验，试验工作量会很大且耗时长，不仅不经济，而且可能会因配合比不能及时提供而影响施工进度。该文以苗尾水电站工程的综合性配合比设计试验为例，对目前常用的水电工程综合性配合比设计方法的优点和不足进行分析，并提出改进方法和建议，以期缩短配合比设计试验周期及保证工作质量，通过严谨的试验成果分析、论证，推荐既满足设计指标、施工性能要求又经济合理的施工配合比，对保证工程质量和施工进度、降低工程成本发挥积极作用。

关键词 综合性配合比；设计方法；优化；技术措施

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0126-08

0 引言

云南省苗尾水电站位于大理州云龙县境内的澜沧江上游河段，是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一级电站，上接大华桥水电站，下邻澜沧江中下游河段最上游一级电站功果桥水电站。电站枢纽工程主要由砾质土心墙堆石坝、溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统、发电厂房和灌溉取水口等建筑物组成，电站装机容量1400 MW。

近年来，在我国水电建设项目工程施工阶段，混凝土的施工质量对工程的顺利完成起着重要的作用。而配合比设计阶段是混凝土质量把控的重要环节，水泥混凝土的配合比设计优化主要是从使用材料品种、规格、数量、价格等方面进行考虑。具体来说，必须在满足混凝土强度和工作性的前提下，从水泥、外加剂、混合材料等着手，同时结合砂石材料的种类、供应情况等进行优化，其对于设计要求的强度等级、施工要求的工作性及经济成本控制等的影响巨大。鉴于此，该文结合工程实际及工作经验，对水泥混凝土不同配合比材料组成及工程造价成本进行了详细的探讨，以期实现水泥混凝土配合比设计的经济性优化，从而降低工程成本，提高项目乃至企业的市场竞争力与经济效益[1]。

1 水电站工程混凝土配合比设计要求

该文配合比设计涉及水电站的引水发电系统、冲沙兼放空洞土建及金属结构安装工程的混凝土。其种类有常态混凝土和泵送混凝土两种，强度等级从C10到C30共5个强度等级，粗骨料级配有一级配、二级配和三级配3种，水泥有P.O42.5主供和辅供以及P.MH42.5主供和辅供共4种[2，3]。粉煤灰有主供Ⅱ级粉煤灰和辅供Ⅱ级粉煤灰两种[4，5]。减水剂有萘系减水剂主供和辅供以及聚羧酸减水剂主供和辅供共4种，其中萘系减水剂用于常态混凝土，聚羧酸减水剂用于泵送混凝土[6，7]。水电站工程混凝土配合比设计要求汇总表见表1。

2 目前水电工程综合性配合比的设计方法及优点

2.1 编制详尽的配合比设计试验计划

在配合比设计试验工作开始之前，根据招投标文件以及设计、监理和项目部下发的关于配合比设计的相关技术文件，确定混凝土的种类、强度等级、耐久性指标、变形指标、热学指标、级配、拌和物和易性以及强度保证率，据此编制配合比设计试验计划。配合比设计试验计划包括的主要内容有工程简介、设计配合比汇总表、试验检测依据、原材料检测项目、外加剂相容性试验及最佳掺量试验、粗骨料组合密度试验、混凝土最优砂率试验、混凝土用水量与不同坍落度关系试验、混凝土用水量与不同级配试验、不同水胶比与混凝土性能关系试验、原材料备料计划以及配合比试验时间计划[8，9]。

现阶段的综合性配合比设计试验计划已形成固定模板，试验计划明确了配合比设计的步骤、试验要达到的指标要求、试验的具体检测项目、试验总工作量、试验编号、试验需要材料用量以及试验进度安排。试验计划内容详尽、可操作性强，既可保证试验内容不漏项，同时对试验进度进行合理的安排，有效保证了试验计划执行的质量和进度的可控。

2.2 现阶段综合性配合比设计的主要技术措施

为了设计出满足工程技术要求、施工性能好且经济的混凝土配合比，同时降低配合比设计试验工作量，配合比设计的主要技术措施有以下几点。

2.2.1 外加剂相容性试验及最佳掺量试验

通过外加剂相容性试验，选择与工程用水泥和掺合料相容性好的外加剂品种，保证混凝土的施工性能指标和硬化性能指标。通过外加剂最佳掺量试验，确定外加剂的最佳掺量，降低混凝土的生产成本。

2.2.2 粗骨料组合密度试验

通过粗骨料组合密度试验，选择密度最大的比例为配合比的粗骨料比例。由此可以降低混凝土中的砂浆比例，减少混凝土中孔隙产生的概率，从而降低混凝土的生产成本，提高混凝土的密实性、耐久性指标和抗裂性能。

2.2.3 混凝土最优砂率试验

通过最优砂率试验，选择合理的砂率，既能保证混凝土在采用现有浇筑振捣设备的情况下可以充分密实，又能有效降低胶材用量，从而降低混凝土的成本。

2.2.4 配合比试验工作量优化措施

水电工程由于混凝土种类、强度等级、粗骨料级配及原材料品种的多样性，所需混凝土施工配合比数量往往较大，如何通过有效的技术措施，最大限度地优化配合比试验工作量，是配合比设计的最主要工作。

目前主要通过三项措施优化试验工作量：（1）“借线法”，即对某一级配的混凝土进行不同水胶比与强度的关系试验，其他级配混凝土的配置强度水胶比推荐采用该级配混凝土的水胶比与强度的回归关系式；（2）不同坍落度混凝土“性能相同法”，即认为原材料品种及掺量、级配、水胶比均相同而坍落度不同的混凝土，混凝土力学性能和变形性能指标相同；（3）耐久性指标验证法，根据经验，通过合理选择较大水胶比的配合比进行混凝土抗冻、抗渗指标验证试验，当较大水胶比配合比的抗冻、抗渗指标均满足设计要求时，则较小水胶比的抗冻、抗渗指标也能满足设计要求，即可省去较小水胶比配合比的耐久性指标性能试验工作。

3 现阶段综合性配合比设计方法存在的不足

3.1 “借线法”设计方法的不足

以往经验综合性配合比设计方法中，优化工作量的主要技术手段就是“借线法”，如在水电站的综合性配合比设计中，二级配和三级配常态混凝土的水胶比推荐是借四级配常态混凝土的不同水胶比与强度回归关系式 ；在水电站的综合性配合比设计试验计划中，开展二级配常态混凝土的不同水胶比与强度的关系试验，一级配和三级配常态混凝土拟借用二级配常态混凝土的不同水胶比与强度回归关系式。

“借线法”存在两点不足，其一是相同水胶比的不同级配混凝土（混凝土的原材料品种、外加剂及矿物掺合料掺量、混凝土种类均相同），其相同龄期的强度并不是基本相同，从试验成果分析可知，同龄期的二级配混凝土常态混凝土抗压强度比三级配平均低2～3 MPa，四级配常态混凝土与三级配常态混凝土基本接近或略低 ；在综合性配合比设计中，虽然进行了二级配和三级配常态混凝土一个水胶比的强度对比试验，但是对对比强度试验成果没有进行任何分析，在推荐二级配和三级配混凝土的水胶比时，只是简单的完全借用四级配的不同水胶比与强度回归关系式，如果二级配混凝土的推荐水胶比直接采用通过四级配混凝土的回归关系式计算得到的水胶比，这样二级配混凝土配合比就存在质量控制风险。

其二是各级配混凝土的试验不是相互独立的，配合比试验工作不能根据现场施工需要灵活进行试验顺序调整和安排。以水电站综合性配合比设计试验计划为例，项目审批的试验计划，是进行二级配混凝土不同水胶比与强度的关系试验，一级配和三级配混凝土只进行一个水胶比的强度对比试验，而现场最先要使用的是三级配混凝土，由于甲供骨料提供较晚，在三级配混凝土计划浇筑之前，只有约2周的试验时间，如果按照项目审批的“借线法”试验计划，则不可能在计划浇筑日期之前提供一个较完整的三级配混凝土配合比中间报告供现场使用。如果不采用“借线法”的设计方法，各级配混凝土独立进行不同水胶比与强度的关系试验，则配合比设计时，可以根据现场配合比施工需要，灵活调整配合比试验的先后顺序，当然由此增加的试验工作量，需要通过配合比试验计划调整予以抵销，否则各级配混凝土独立试验的设计方法就缺乏存在的价值。

3.2 推荐配合比参数缺乏严谨的分析和论证

目前在项目上常用的“借线法”设计方法中，只对所有水泥与其他主供材料和一种级配组合方案进行不同水胶比与强度的关系试验，而其他级配、辅供矿物掺合料、辅供外加剂的配合比参数推荐，只是简单地借用主供材料、试验级配的回归关系式，缺乏严谨的分析和论证，推荐参数的合理性存在疑问。在综合性配合比试验报告中，有大量的其他级配、辅供矿物掺合料、辅供外加剂组合配合比的对比试验成果，由于没有有效的试验数据分析方法，在报告中对这些对比试验成果没有进行任何分析和说明，这些对比试验工作就失去了意义和价值。

3.3 混凝土不同坍落度与用水量关系试验不全

在该项目电站混凝土配合比设计试验计划中，只有二级配常态混凝土不同坍落度与用水量关系的试验计划，没有一级配和三级配常态混凝土不同坍落度与用水量的关系试验计划，而且在该计划中，一级配和三级配混凝土只是做一个水胶比的强度对比试验，这样一级配和三级配混凝土的试验支撑数据就显得很单薄；同时，在项目水电站配合比试验计划中，没有考虑泵送混凝土不同坍落度与用水量的关系试验，在泵送混凝土施工过程中，经常会遇到因为混凝土坍损快、环境温度变化、运输线路变化、施工交叉干扰、泵送管道长度和布置形式变化、浇筑建筑物结构复杂难以振捣等因素的影响，需要不同坍落度的泵送混凝土，尤其是大坍落度泵送混凝土。

3.4 最优砂率试验中选择的砂率应为建议值

最优砂率试验一般选择3～4个砂率进行试验，在综合性配合比设计试验计划中，一般会根据经验给定这几个砂率，但是没有说明这只是建议值，试验中应根据工程材料实际情况予以调整。不同的工程，由于骨料的岩性、粒形、骨料级配以及胶材的差异，最优砂率会相差较大，配合比试验计划中给定的砂率范围可能不包括最优砂率。

4 综合性混凝土配合比设计方法的改进及建议

针对目前项目综合性混凝土配合比设计方法存在的不足，提出如下改进及建议。

4.1 硬化混凝土性能试验配合比方案的调整

在综合性配合比设计中，项目水电站目前的常用做法是，所有水泥均与“一种级配＋主供矿物掺合料＋主供减水剂”的组合进行不同水胶比与强度的关系试验，选择一部分其他组合配合比进行强度对比试验。以苗尾水电站工程的综合性混凝土配合比设计为例，项目审批的硬化混凝土性能试验配合比方案中，水泥和减水剂考虑了主供和辅供两种，矿物掺合料只考虑主供一种，项目拟定的硬化混凝土性能试验配合比方案见表2和表3。

调整后的硬化混凝土性能试验配合比方案是：所有级配均与“主供水泥＋主供矿物掺合料＋主供减水剂”的组合进行不同水胶比与强度的关系试验，其他组合配合比进行强度对比试验。以项目水电站工程的综合性混凝土配合比设计为例，调整后的硬化混凝土性能试验配合比方案中，水泥、矿物掺合料和减水剂均考虑主供和辅供两种，调整后的硬化混凝土性能试验配合比方案见表4和表5。

4.2 调整后硬化混凝土性能试验配合比方案的说明

调整后硬化混凝土性能试验配合比方案表中，所有可能的强度对比组合配合比方案按一定的组合规律分级配列入表中，强度对比组合配合比方案排列有序、齐全；考虑水泥、粉煤灰、减水剂三种材料同时使用辅供材料的可能性较小，所以调整后方案中没有考虑三种材料同时使用辅供材料的组合方案；由表4和表5可知，除去辅供Ⅱ级粉煤灰的配合比方案，调整后的配合比组合方案有51组，而该项目审批的配合比组合方案有54组，由此可见，调整后的配合比方案工作量略有减少。

4.3 强度对比试验成果的分析及应用

4.3.1 辅供材料强度修正系数的概念及计算方法

对辅供材料组合配合比的对比强度试验成果进行分析，并利用分析成果对辅供材料配合比的推荐水胶比进行修正计算，具有重要的意义。以调整后的硬化混凝土性能试验配合比方案为例，该文提出辅供水泥强度修正系数（KC）、辅供粉煤灰强度修正系数（Kf）、辅供减水剂强度修正系数（KW）三个概念。辅供水泥强度修正系数（KC）的计算方法为：设有A和B两个配合比，A配合比使用主供水泥，B配合比使用辅供水泥，除此之外，A、B两个配合比其他材料品种及配合比参数均相同，假设A配合比m天龄期的抗压强度为RA，B配合比m天龄期的抗压强度为RB，则辅供水泥强度修正系数KC的计算式为KC＝RB/RA，其他辅供材料强度修正系数的计算方法依次类推。以表4中的配合比方案为例，常态混凝土辅供材料强度修正系数计算成果表见表6。

4.3.2 辅供材料强度修正系数的确定方法

由表6可知，当有三种级配混凝土时，辅供材料强度修正系数最多有12个（表6的修正系数只有9个，是因为没有三种辅供材料同时使用组合的对比强度资料），如果只有一种级配，则辅供材料强度修正系数也有4个。由于任何试验都存在试验误差，所以用辅供材料强度修正系数的平均值作为辅供材料强度修正系数的最终值，当有修正系数单值偏离平均值较大时，应剔除该单值取余下单值的平均值作为最终值。

4.3.3 辅供材料强度修正系数的应用方法

推荐辅供材料组合配合比水胶比时，将对应的辅供材料强度修正系数与同级配同混凝土种类的主供材料回归方程式的右边式子相乘，有几种辅供材料，就乘对应的几个强度修正系数，所得到的新回归方程式，即为对应的辅供材料组合的不同水胶比与强度回归方程式，根据此方程式，即可求得辅供材料组合配合比对应配置强度的水胶比。

4.4 综合性混凝土配合比设计试验的建议

4.4.1 回归方程式中采用的水泥强度值检测日期宜与混凝土强度试件成型日期一致

水电工程综合性混凝土配合比设计，原材料备料和处理、原材料品质检测及室内试拌工作往往历时较长，这样水泥品质检测日期可能与混凝土强度试件成型日期间隔时间较长。根据参考资料显示，水泥的强度在正常的储存条件下，每天的强度损失率约为0.2%～0.3%。假设水泥最初品质检测时的28 d强度为46 MPa，混凝土强度试件成型日期比水泥最初品质检测日期滞后15 d，则混凝土成型时水泥28 d实际强度相对最初品质检测强度损失约1.4～2.1 MPa。如果推荐水胶比时带入回归方程式中的水泥强度为最初品质检测时的强度，则推荐出的水胶比偏小。

4.4.2 配合比中粗骨料的组合级配应根据骨料变化及时进行检测和调整

在苗尾水电工程中，配合比设计时采用的骨料往往与正常施工时使用的骨料存在差异，引起差异的主要原因有以下两种：骨料生产系统及工艺发生改变和料源发生改变。如其他项目水电站导流明渠工程配合比设计时，骨料是采用工程前期的临时小砂石系统生产的，而施工时使用的骨料采用布置在江沟的正规砂石系统生产；该文中的水电站工程，设计用骨料料源为丹乌堑料场2080高程以下，2080高程以上为覆盖层，不能作为骨料料源，而在进行综合性混凝土配合比设计时，因为2080高程以上覆盖层还没有开挖完，只能采用2080高程以上岩石加工的骨料。

当骨料因生产系统、生产工艺和料源发生改变时，生产出来的骨料粒形、级配均可能会发生变化，这样最佳骨料组合级配也可能会随之发生变化，所以当有以上情况发生时，应及时进行粗骨料最佳组合级配复核试验，并根据检测成果，对配合比中的粗骨料组合级配进行调整。在混凝土拌制生产过程中，如发生混凝土拌和物性能变差，砂率显得不足，骨料最佳组合级配是否发生变化是原因分析的一个重要方面。

5 结语

水电工程混凝土方量大，配合比设计及工程经济性优化一直是工程、材料领域的一个重要课题。需要的混凝土施工配合比种类多，配合比试验工作量大，合理优化试验工作量，可以缩短配合比设计试验周期及保证工作质量，通过严谨的试验成果分析、论证，推荐既满足设计指标、施工性能要求又经济合理的施工配合比，对保证工程质量和施工进度，降低工程成本，尤其是水泥混凝土配合比的工程经济性进行优化，均需不断加以探索和研究。

参考文献

[1]林训常，黄莉，熊明祥.水泥混凝土配合比设计探讨[J].城市建设， 2010（12）：258-259.

[2]中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥：GB/T200—2017[S].北京：中国标准出版社， 2017.

[3]通用硅酸盐水泥：GB175-2023[S].北京：中国标准出版社， 2023.

[4]用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T1596—2017[S].北京：中国标准出版社， 2017.

[5]水工混凝土掺用粉煤灰技术规程：DL/T5055—2007[S].北京：中国电力出版社， 2007.

[6]冉千平，游有鲲，丁蓓.低引气聚羟酸类高效减水剂的制备及其性能研究[J].新型建筑材料， 2003（6）：33-35.

[7]水工混凝土外加剂技术规程：DL/T5100—2014[S].北京：中国电力出版社， 2014.

[8]班晓东.水利工程建筑中混凝土的配合比设计与性能研究[J].粘接， 2021（3）：121-123+141.

[9]水工混凝土配合比设计规程：DL/T5330—2015[S]北京：中国电力出版社， 2015.