南水北調(diào)某標(biāo)段水工混凝土配合比設(shè)計與研究

□ 崔振華 □ 朱安康（河南科源水利建設(shè)工程檢測有限公司）

1 配合比委托內(nèi)容及配置強度

1.1 委托內(nèi)容

設(shè)計指標(biāo)為C30W6F150，坍落度18～22cm，使用部位為倒虹吸管身，澆注方式為泵送，所用原材料為P.O42.5級水泥、F類I級粉煤灰、人工砂、2級配碎石、FAC減水劑（摻量1.20%）、FAC-4引氣劑（摻量0.80/萬）。

1.2 混凝土的配置強度

C30W6F150混凝土配合比按照《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352-2006和《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330-2005）進行設(shè)計，設(shè)計齡期為28d，強度保證率P為95%，概率度系數(shù)t為1.645。混凝土配置強度 fcu,o=fcu,k+tσ=30+1.645×4.50=37.40MPa。

2 混凝土配合比計算

2.1 水膠比

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，采用碎石和普通硅酸鹽水泥，90d齡期強度增長率為118%，90d齡期回歸系數(shù)A和B分別為0.478和0.512（選擇粉煤灰摻量為0的強度增長率和回歸系數(shù)）。強度保證率選用95%，概率度系數(shù)t為1.645，標(biāo)準(zhǔn)差σ為4.50MPa，則:

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

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）混凝土的水膠比最大允許值、抗?jié)B等級與水膠比關(guān)系以及《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211-98）抗凍混凝土水膠比的要求，本地區(qū)屬溫和地區(qū)，C30W6F150倒虹吸管身屬水流沖刷部位，水膠比應(yīng)≤0.50，泵送混凝土膠凝材料用量≥300kg/m3，則初選水膠比為0.42。

2.2 用水量

查《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330-2005）和《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）初選用水量確定為198 kg/m3，考慮外加劑28%的減水率，則用水量為143kg/m3。

2.3 膠凝材料用量

水膠比w/（c+p）=0.42，每m3混凝土用水量mw=143kg；根據(jù)《水工混凝土摻用粉煤灰規(guī)程》（DL/T5055-2007）對粉煤灰取代水泥的最大限量要求，確定粉煤灰摻量Pm為20%，經(jīng)計算每m3混凝土膠凝材料用量為340kg；水泥用量為272kg；粉煤灰用量為68kg。

2.4 砂率

查《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330-2005）和《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006），初選砂率Sm確定為43%。

2.5 砂、石骨料用量

配合比骨料為飽和面干狀態(tài)，砂、石骨料用量采用質(zhì)量法計算。

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330-2005），碎石骨料最大粒徑40mm，F(xiàn)150混凝土拌和物含氣量為（4.5±1）%，混凝土拌和物質(zhì)量假定值mc,e為2320kg/cm3。

每m3混凝土砂石總質(zhì)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 外加劑用量

外加劑用量分別為:

FAC減水劑（水劑，摻量 1.2%）用量 =（mc+mp）×1.2%=340×1.2%=4.08kg

FAC-4引氣劑（摻量 0.008%）用量 =（mc+mp）×0.008%=340×0.008%=2.72×10-2kg

2.7 計算配合比

混凝土各項材料用量和比例見表1。

表1 計算配合比表

3 混凝土配合比試配

3.1 確定最優(yōu)砂率

用選定的水膠比和用水量，變動3～5個砂率，每次增減砂率1%～2%進行試拌，坍落度最大時的砂率即為最優(yōu)砂率。以41%、43%、45%的砂率進行試配，測定混凝土坍落度，檢測結(jié)果混凝土拌和物的最優(yōu)砂率為43%。

3.2 確定用水量

用最優(yōu)砂率試拌，調(diào)整用水量至混凝土拌和物滿足工作性要求，分別以140,143,146kg的用水量進行試配，測定混凝土坍落度和含氣量，委托要求坍落度和含氣量分別為180～200mm和（4.5±1）%，結(jié)果可選定用水量為140kg。

3.3 混凝土強度試驗

采用3個不同水膠比的配合比，其中一個為4.2確定用水量的配合比，其他配合比的用水量不變，水膠比依次增減，變化幅度為0.05，砂率相應(yīng)增減1%。混凝土強度試驗檢測結(jié)果:水膠比為0.37時R7抗壓強度31.70MPa，R28抗壓強度44.70 MPa；水膠比為0.42時R7抗壓強度27.40MPa，R28抗壓強度38.50MPa；水膠比為0.47時R7抗壓強度24.10MPa，R28抗壓強度33.20MPa。

3.4 確定配合比

根據(jù)3.3混凝土強度試驗得出混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系曲線，用作圖法或計算法求出與混凝土配制強度（σcu,0）相對應(yīng)的水膠比。

按3.3混凝土強度試驗中的水膠比和對應(yīng)的28d抗壓強度值繪制水膠比與強度關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 強度-水膠比關(guān)系曲線圖

由圖1知，3.3混凝土強度試驗試驗數(shù)據(jù)擬合的強度-水膠比關(guān)系方程為:

y=-115x+87.1

式中:y—28d抗壓強度，MPa；x—水膠比。

C30混凝土28d配置強度σcu,0=37.40MPa，代入上述方程，確定水膠比x=（37.4-87.1）/-115=0.43，則確定的配合比為表2所示結(jié)果。

表2 確定的配合比表

4 配合比調(diào)整

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330-2005），根據(jù)試配結(jié)果，計算混凝土配比各材料的用量和比例，按下式計算每m3混凝土拌和物的質(zhì)量:

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

按下式計算混凝土配合比的校正系數(shù)δ:

δ=mc,t/mc,c

式中:mc,c—每立方米混凝土拌合物質(zhì)量計算值，kg；mc,t—每立方米混凝土拌和物質(zhì)量實測值，kg；

按校正系數(shù)對配合比中各項材料進行調(diào)整，即為調(diào)整設(shè)計配合比。

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

調(diào)整后的混凝土配合比每m3混凝土水用量為141kg，水泥用量為262kg，粉煤灰用量為65kg，中砂用量為793kg，D20碎石用量為421kg，D40碎石用量為630kg，減水劑用量為3.93kg,引氣劑用量為0.26×10-1kg，總質(zhì)量為2316kg。

5 堿含量計算

根據(jù)《預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條例（南水北調(diào)）》中的規(guī)定，混凝土總堿含量不得超過2.5kg的控制值。由水泥、粉煤灰、減水劑和引氣劑的檢測報告知，水泥、粉煤灰、減水劑和引氣劑的堿含量分別為0.42%、1.95%、0.84%和1.45%。

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）附錄B混凝土堿含量的計算方法:

C30W6F150總堿量=0.42%×261+0.2×1.95%×65+0.84%×3.927+1.45%×0.02618=1.39kg<2.50kg，推薦配合比的總堿含量滿足要求。

6 混凝土抗?jié)B性能檢測

C30W6F150混凝土的抗?jié)B等級為W6，根據(jù)（4.配合比調(diào)整）調(diào)整后用量成型抗?jié)B試件一組（6塊），實測抗?jié)B等級大于設(shè)計抗?jié)B等級W6，所以此配合比成型的混凝土抗?jié)B性能滿足設(shè)計要求。

7 混凝土抗凍性能檢測

C30W6F150混凝土的抗凍等級為F150，根據(jù)（4.配合比調(diào)整）調(diào)整后用量成型抗凍試件一組（3塊），檢測結(jié)果，混凝土凍融達到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)（150次），相對動彈性模量未下降至初始值的60%，且重量損失率未超過5%，所以此配合比成型的混凝土抗凍性能滿足設(shè)計要求。

8 結(jié)論及建議

8.1 結(jié)論

依據(jù)規(guī)范進行理論計算，對計算出的配合比進行試配，調(diào)整各材料的用量以滿足混凝土拌和物的各項性能要求，再對調(diào)整后的配合比成型進行強度試驗，根據(jù)水膠比與強度的關(guān)系曲線確定滿足配制強度和規(guī)范規(guī)定的水膠比要求的水膠比，從而得到推薦混凝土配合比，用推薦配合比成型，進行抗?jié)B抗凍試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整水膠比，得到最終的混凝土配合比。從上述配合比設(shè)計和試驗過程可以看出，本C3W6F150混凝土配合比（4.配合比調(diào)整）滿足設(shè)計及施工技術(shù)要求。

8.2 建議

提出的混凝土建議配合比是基于室內(nèi)試驗得出的，采用推薦配合比的混凝土工程，其所用原材料基本性能應(yīng)與本次試配試驗的原材料基本相同。工地實際施工采用的配合比應(yīng)根據(jù)工地原材料確定，當(dāng)原材料基本性能有較大變化時，應(yīng)有相應(yīng)的試驗進行驗證，以確保混凝土的性能。

嚴(yán)格控制用于配制混凝土的各種原材料的質(zhì)量，其中P.O42.5水泥28d抗壓強度不宜低于48.00MPa，砂子細度模數(shù)不宜超過2.80±0.20。

嚴(yán)格控制水泥、粉煤灰、外加劑的堿含量，使其滿足南水北調(diào)中線干線工程標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條例》對混凝土總堿含量的要求。

混凝土拌和時，原材料稱量偏差應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。水泥、粉煤灰±1%，粗、細骨料±2%，水、外加劑±1%。以飽和面干料為基準(zhǔn)的水工混凝土配合比，需根據(jù)粗細骨料的吸水率和含水率來調(diào)整用水量。

粉煤灰混凝土澆筑時，不得漏振或過振。振搗后的粉煤灰混凝土表面，不得出現(xiàn)明顯的粉煤灰浮漿層。粉煤灰混凝土振搗完畢后，應(yīng)加強養(yǎng)護，混凝土表面宜加遮蓋，并保持濕潤。暴露面的潮濕養(yǎng)護時間,不得少于14d；干燥或炎熱氣候條件下的潮濕養(yǎng)護時間，不得少于21d。

混凝土拌和物的機口坍落度，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時的氣溫、風(fēng)速、運輸方式、輸送距離、施工方法等條件，通過現(xiàn)場測定澆筑點與拌和樓之間的坍落度損失后及時調(diào)整，一般通過調(diào)整外加劑摻量來控制坍落度。