太河水庫壩坡混凝土配合比設計

溫國梁，尹啟亮，付曉麗，王 旭

（1山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013；2山東水利置業有限公司，山東 濟南250012）

1 前言

太河水庫位于山東省淄博魯山北麓，北起金雞山，南傍馬鞍山，東依青龍山，西臨豹眼山，南北長約10余km，東西寬約3 km，上游控制流域面積約780 km2，總庫容為1.8億m3，是全國大型水庫之一。整個庫區水質潔凈，不僅是一項大型水利設施，而且是一處風景秀麗的游覽勝地。水庫在除險加固過程中為保證大壩質量，提高壩坡混凝土耐久性，能否設計出科學、合理、經濟、適用的混凝土配合比，成為該工程關鍵技術問題。為解決該問題，試驗室進行了混凝土配合比優選試驗，試驗內容包括原材料檢測、混凝土拌合物工作性和物理力學性能指標檢測，力爭從混凝土配合比設計層面保證其設計強度、耐久性等級及經濟性，從而保證壩坡混凝土整體質量。

2 試驗過程及結果

2.1 試驗內容及依據和方法

太河水庫護坡混凝土設計等級C30F150，水膠比0.40～0.45，粉煤灰最大摻量20%，坍落度要求160～200 mm，石子連續級配，骨料最大粒徑31.5 mm，強度保證率95%。依據SL 352—2006進行混凝土配合比設計。首先根據設計要求的強度和耐久性選定水膠比，再根據施工要求的坍落度和石子最大粒徑選定用水量，用水量除以選定的水膠比求出膠材用量，最后采用體積法計算飽和面干狀態下砂、石用量，并通過試驗和必要的調整，確定1 m3混凝土材料用量配合比。

2.2 原材料試驗

1）水泥。選用P.O42.5級水泥，經檢測該水泥符合GB 175—2007標準要求，檢驗結果見表1。

表1 水泥物理力學指標檢驗結果

2）粉煤灰。選用F類Ⅱ級粉煤灰，所檢指標符合DL/T 5055—2007中對Ⅱ級粉煤灰的技術要求，檢驗結果見表2。

表2 粉煤灰質量檢驗結果 %

3）外加劑。選用HPC-GYJ高效引氣減水劑，所檢項目符合GB 8076—2008中的質量要求，總堿量2.15%，密度1.135 g/cm3。

4）粗骨料。粗骨料為5～31.5 mm碎石，摻配比例參照GB/T 14685—2011中對5～31.5 mm碎石累積篩余規定的上下線范圍基礎上，通過最大緊密密度試驗得到具體數值。試驗結果表明，粗骨料各粒級摻合比例為20%（5～10 mm）、50%（10～20 mm）、30%（20～30 mm）的碎石緊密密度最大（1 610 kg/m），空隙率41%最小，為最優摻配比例。

依據SL 352—2006對粗骨料的含泥量、泥塊含量、堆積密度、表觀密度、空隙率、針片狀顆粒含量、壓碎指標、飽和面干吸水率等指標進行檢測，檢測結果表明，所檢指標符合DL/T 5144—2001對粗骨料的品質要求。篩分試驗粗骨料篩分曲線見圖1。

5）細骨料。細骨料為天然中砂，所檢指標符合DL/T 5144—2001對細骨料的品質要求。該砂細度模數為2.87，篩分試驗細骨料篩分曲線見圖2。

圖1 粗骨料5～31.5 mm篩分曲線

圖2 細骨料篩分曲線

2.3 混凝土配合比設計

2.3.1 混凝土配制強度的確定

根據SL 352—2006水工混凝土配合比設計方法，混凝土配制強度按下式計算：

式中：fcu,o為混凝土配制強度，MPa；fcu,k為混凝土設計齡期的設計抗壓強度，MPa；t為保證率系數，由給定的保證率P選定；σ為混凝土壓強度標準差，MPa。當設計齡期為28 d，抗壓強度保證率P為95%時，取概率度系數t=1.645。

2.3.2 混凝土配合比設計基本參數的選擇

1）水膠比。根據規范中最大水膠比要求，考慮到混凝土強度及抗凍等級要求，水膠比選擇范圍為＜0.50。每個標號的混凝土，選取3個水膠比進行比較選擇。

2）最優砂率。根據選定的骨料，在水膠比和膠凝材料用量保持不變條件下改變砂率，當混凝土拌合物坍落度最大時，所對應的砂率為最優砂率。在該配比案例中，選定0.43為基準水膠比，單位用水量161 kg，粉煤灰摻量20%。當減水劑摻量為2.0%時，通過試拌，砂率39%、40%、41%、42%、43%所對應的坍落度分別為160、175、185、180、170 mm。由試拌結果看出：在滿足該混凝土工作性能要求下，水膠比0.43對應的最優砂率為41%。其他水膠比按該基準水膠比±0.05，砂率±1%內變動。采用用水量不變的原則來調整膠凝材料用量，并在該幅度范圍內選取配合比。

2.3.3 膠材用量的確定

混凝土的膠凝材料用量（mc+mp）、水泥用量mc和摻合料用量mp按下式計算：

式中：mc為每立方米混凝土水泥用量，kg；mp為每立方米混凝土摻合料用量，kg；mw為每立方米混凝土用水量，kg；pm為摻合料產量；w/（c+p）為水膠比。當不摻加摻合料時，p、pm、mp均取0。

2.3.4 骨料用量的確定

砂、石料用量由已確定的用水量、水泥（膠凝材料）用量和砂率，根據“絕對體積法”計算。

2.3.5 混凝土性能指標的檢測

1）混凝土抗壓試驗。混凝土成型28 d后試塊強度及各指標見表3。

表3 C30F150混凝土抗壓試驗結果

2）混凝土抗凍試驗。抗凍融試驗結果見表4。相對動彈模量和質量損失均符合標準要求。

表4 C30F150混凝土抗凍試驗結果

2.3.6 推薦配合比

根據設計指標，考慮到施工單位實際生產時生產質量控制要素多且復雜，具有起伏性，試驗室配合比設計時對混凝土性能保持足夠的富裕，并且還要考慮拌合物的坍落度。所以，推薦水膠比為0.43為參考配合比：每立方混凝土需用水泥300 kg，粉煤灰75 kg，外加劑7.5 kg，水161 kg，砂764 kg，5～31.5 mm碎石1 100 kg。測得初始坍落度為185 mm，40 min后坍落度為120 mm，混凝土含氣量4.8%，7 d強度29.3 MPa，28 d強度39.1 MPa。5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm的石子比例為2∶5∶3。

3 施工配合比的調整方法及建議

當施工條件與試驗室配合比設計時的標準條件不同時，以標準條件為準，將實際用水量、骨料用量校準到試驗室設計配合比的用量，其目的在于準確實現試驗室配合比。當氣候條件、拌合物運輸條件及澆筑條件改變時，需對設計坍落度指標進行調整，當砂的細度發生變化時，也需調整配合比。在進行配合比調整時，必須保持水膠比不變，調整和換算的施工配合比經校核正確后，才可以在施工中使用，確保嚴格實現設計配合比，以保證混凝土拌合物質量。