淺談南水北調混凝土配合比設計和試驗

□賀國偉（中國水利水電第十一工程局有限公司）

自2003年公司承建的南水北調滹沱河倒虹吸工程以來，中國水利水電第十一工程局在南水北調已承建了20多個土建標段的施工。公司試驗室在陸續為施工單位所做的混凝土配合比設計和試驗過程中，堅持科學的試驗手段，堅持新材料的應用，及時為施工單位提供了合理、經濟、適用的混凝土施工配合比并應用于工程施工。

1.不單純以抗壓強度為設計試驗的指標，更注重了混凝土的耐久性

混凝土工程中的抗凍、抗滲和堿骨料反應等均屬于混凝土的耐久性指標，對水利工程尤其顯得重要。在各標段的混凝土配合比的設計和試驗中，對有抗凍、抗滲要求的混凝土的配合比做了設計和試驗。

1.1 對抗壓強度較低等級的混凝土不單純以抗壓強度為設計試驗的指標。在選擇和提供施工配合比時選擇以滿足抗凍、抗滲要求的水膠（灰）比作為混凝土配合比的主要參數，而且在試驗過程中一般還要選擇比提供的水膠（灰）比稍大的水膠（灰）比進行試驗，這樣更加保證了混凝土抗凍、抗滲指標的要求。

南水北調某標段有一組混凝土C20W6F150，采用42.5普通硅酸鹽水泥，在進行混凝土配合比試驗時，其配制強度為25.1 MPa。如果摻25%粉煤灰，按抗壓強度指標選擇配合比其水膠比為0.56；按有關規范要求抗滲指標水膠比是0.55～0.60、抗凍指標水膠比是≤0.50；在做混凝土配合比試驗時0.55的水膠比、摻20%的粉煤后灰或0.50的水膠比、摻30%的粉煤灰均能滿足其F150的抗凍要求。最后在提供施工配合比時，還是選擇了水膠比0.50、粉煤灰摻量25%的配合比，從而保證了混凝土耐久性的要求。

1.2 混凝土有抗凍、抗滲等級要求，必須摻引氣劑，并嚴格控制含氣量。所選用的引氣劑一定要和施工所選用的水泥進行適應性試驗后方可使用。由于砂子的含泥量是施工中可能影響混凝土含氣量的主要因素，因此要求施工單位采取措施嚴格控制砂子的含泥量和混凝土的含氣量，以滿足混凝土的抗凍、抗滲要求。

1.3 嚴把混凝土的原材料關。決不使用具有活性和潛在活性的骨料進入配合比試驗；在混凝土配合比中嚴格控制混凝土的堿含量≤2.5 kg/m3。

2.摻加適量粉煤灰

南水北調各標段均采用42.5級水泥，而多數建筑物的混凝土強度等級均為C20～C30。水泥的強度等級高和建筑物的強度等級不是很匹配，因此，在混凝土中摻加適量的粉煤灰以調節它們之間的關系是非常必要的。

粉煤灰具有火山灰活性效應、微集料效應和顆粒形態效應，替代部分水泥，降低了混凝土的成本；減少了水泥水化熱所引起的負面效應；由于降低了混凝土的早期彈模，相對增大了混凝土的早期變形能力，有利于混凝土的早期防裂；由于粉煤灰的密度較水泥小，同等質量的粉煤灰顆粒數量比水泥多，因此對C20～C30級的混凝土，由于膠凝材料的數量增多，混凝土拌和物的和易性好。

但摻加粉煤灰的混凝土早期強度會有不同程度的降低。因此，在南水北調土建標段的施工初期，有的設計和建設單位擔心在混凝土里摻粉煤灰會影響混凝土的抗壓強度，要求在一些部位不摻粉煤灰。經實踐證明：不摻粉煤灰的混凝土不僅28 d抗壓強度有較大幅度的超強，而且還增加了混凝土的溫控措施。

粉煤灰已成為南水北調混凝土的主要外加原材料。在各標段的混凝土配合比設計和試驗中，根據具體情況均摻用10%～30%的不低于Ⅱ級的粉煤灰。

3.選擇適宜的外加劑摻入混凝土，以提高和改善混凝土的各種性能

選擇摻入緩凝型高效減水劑，降低了混凝土中水泥用量，不但降低了混凝土成本，減少了水泥水化熱所引起的負面效應，而且推遲和削減了水化熱的峰值，有利于混凝土的早期防裂。

在南水北調施工的初期，選擇的緩凝型高效減水劑主要是萘磺酸鹽甲醛縮合物，其減水率約在15%～18%。2009年前后，聚羧酸鹽高性能減水劑已在我國一些工程建設中開始應用，及時地引進到南水北調的混凝土配合比中。聚羧酸鹽高性能減水劑最大的特點是減水率高達25%以上，且混凝土坍落度經時損失小，非常適宜配制南水北調C50橋梁等建筑物的混凝土。

有抗凍、抗滲要求的混凝土，選擇松香類的引氣劑進入混凝土配合比。這類引氣劑比較適應各類硅酸鹽水泥，產品質量比較穩定，摻入混凝土后不僅引氣效果較好，而且改善了混凝土拌和物的和易性。

4.配制纖維混凝土，提高混凝土的防裂能力

南水北調各標段的渠道混凝土襯砌量大，厚度只有8～10 cm，屬于薄壁結構。隨著襯砌機的投入運用，原來的二級配混凝土改為一級配混凝土施工；水泥用量的增加使原本的防裂問題更加突出。在混凝土中摻入0.9 kg/m3聚丙烯纖維類配制纖維混凝土，提高了混凝土的防裂能力，較好地解決了這一問題。

5.聚羧酸鹽高性能減水劑的應用，為混凝土配合比的設計和試驗開辟了一種新的方法

在使用聚羧酸鹽高性能減水劑之前，萘磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑配制混凝土有一個“最佳摻量”。所謂“最佳摻量”就是摻量小于最佳摻量時盡管減水率隨摻量的增加而變化較大，但總的減水率小，減水效果未達到理想狀態；摻量大于最佳摻量時，其減水率隨摻量的增加而變化較小；減水率增加小，不經濟且混凝土拌和物的坍落度損失快。一般固體狀的萘磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑的最佳摻量為膠材用量的0.7%左右；其減水率約在15%～20%，萘磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑配制混凝土的配合比參數和各材料的具體情況示例見表1。

表1 萘磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑配制混凝土配合比表

從表1可以看出：二級配和一級配的用水量分別為140 kg/m3和160 kg/m3左右，兩者相差20 kg/m3左右。

聚羧酸鹽高性能減水劑由于其減水率高，對于C20～C30的水工普通混凝土，不需要減水過多，否則混凝土拌和物中的膠材量過少，混凝土拌和物的和易性不好。因此在混凝土配合比設計時以考慮混凝土拌和物的和易性好的減水劑最低摻量為目標。聚羧酸鹽高性能減水劑配制混凝土的配合比參數和各材料的具體情況示例見表2。

表2 聚羧酸鹽高性能減水劑配制混凝土配合比表

從表2可以看出，技術要求、水膠比、煤灰摻量基本相同，盡管級配不同，但可以用減水劑的不同摻量來調節減水率，結果一級配和二級配的單位用水量、膠材用量相差不多。

6.結語

在公司承建的南水北調各標段混凝土配合比設計和試驗中，堅持摻適量粉煤灰、緩凝型高效減水劑、在選擇和提供混凝土配合比時更注重混凝土的耐久性指標；實踐證明混凝土配合比設計和試驗的主導思想是正確的，提供的混凝土配合比是經濟適用的。

聚羧酸鹽高性能減水劑的普及應用，為混凝土的設計和試驗開辟了一種新的方法。