西范灌區(qū)總干渠1#隧洞襯砌混凝土配合比設計

丁 輝

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

襯砌混凝土配合比設計的合理性直接影響到水工隧洞襯砌施工的可行性和施工質量，在水工隧洞襯砌混凝土試配過程中，必須綜合考慮工程設計對混凝土性能的各項要求，原材料的選擇應以易于取得為原則，集料粒徑和混凝土混合料和易性等均應滿足施工操作要求，并在考慮混凝土工程性能的基礎上符合經(jīng)濟合理原則。

1 工程概況

西范灌區(qū)東擴工程二級總干渠1#隧洞起訖樁號為QII0+300～QII2+400，總長2.10 km。隧洞進口及末端底高程分別為541.09 m和540.04 m，坡比降1∶2 000。從進口到末端隧洞沿線地面高程不斷升高，隧洞圍巖主要為第四系上更新統(tǒng)洪沖積物（Q3pal），洞頂上部土層厚6～48 m。上層為低液限粘土夾低液限粉土；下層為低液限粉土夾低液限粘土，淡黃～棕黃色，干～稍濕狀，可塑，但結構松散，土質不均，孔隙發(fā)育，蟲孔及植物根孔分布較多，局部夾雜淺紅色低液限粘土。隧洞沿線土層為濕陷等級Ⅱ級（中等）～Ⅲ級（嚴重）的自重濕陷性土。其中QII0+292～QII1+060段洞身處于厚度0～8 m的濕陷土層中，厚度從進口至洞內逐漸變小；樁號QII1+060～QII2+400段洞身則處于厚度0～13 m 的非濕陷土層中，其厚度中間段厚兩端薄。在45 m深度的勘探范圍內并無地下水位揭露，結合地勘資料，地下水位埋深在100 m以上。

總干渠1#隧洞采用抗?jié)B等級為W8 的C25 鋼筋混凝土襯砌，隧洞進口處24.59 m 范圍抗凍等級為F150，其余地段抗凍等級為F50。除底板外，內掛Φ8 鋼筋網(wǎng)（150 mm×150 mm），噴厚100 mm 的C20 混凝土；頂拱120°范圍內回填灌漿。襯砌厚度0.30 m，馬蹄形斷面，襯砌后洞徑變?yōu)? m，坡比降仍為1∶2 000。

2 原材料選擇

總干渠1#隧洞襯砌混凝土所需原材料主要有水泥、粗細骨料及拌合料等。①水泥：根據(jù)《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》，泵送混凝土水泥用量不得小于300 kg/m3，且混凝土可泵性受到水泥品種的影響較大，水工渠道襯砌通常采用普通硅酸鹽水泥。②粗細骨料：除水泥品種外，混凝土可泵性還與骨料級配、粒徑等有關。若使用碎石料等粗骨料，其最大粒徑和泵送管管徑之比應控制在1∶3以下，并應使用針片狀顆粒含量在10%以下的連續(xù)級配粗骨料；若使用中砂等細骨料，則應將粒徑不足0.31 mm 的細骨料摻加量控制在15%～20%之間。③拌合料：在泵送混凝土混合料內水泥用量較少、通過0.05 mm篩孔的顆粒含量不足15%時，應摻加粉煤灰。④外加劑：水工隧洞襯砌混凝土所用外加劑主要有引氣劑、減水劑等，對于大體積混凝土，還可按設計比摻加緩凝劑和膨脹劑。

3 配合比設計

3.1 設計要求

3.1.1 一般要求

根據(jù)相關規(guī)范，并結合施工環(huán)境、原材料、運距、輸送泵管徑等進行混凝土試配。根據(jù)西范灌區(qū)東擴工程二級總干渠1#隧洞設計要求，混凝土采用泵送方式，在環(huán)境溫度為10～20 ℃且泵送高度小于等于30 m 時混凝土入泵塌落度應控制在100～140 mm 范圍內，且誤差不得超出±30 mm。泵送混凝土配合比設計時，水與水泥、摻合料總量的比應控制在0.60 以內，泵送混凝土砂率不得超出35%～45%。泵送混凝土所摻加的外加劑，其性能應符合相關規(guī)定，具體品種和摻量應根據(jù)試驗確定。在不摻加引氣劑的情況下泵送混凝土含氣量應不超出4%；摻加粉煤灰后泵送混凝土性能還應進一步滿足相關規(guī)程的要求。

3.1.2 抗?jié)B及抗凍脹要求

抗?jié)B混凝土應采用粒徑在40 mm 以下、含泥量在1%以內的連續(xù)級配粗集料，同時采用含泥量3%以內的細集料；應摻加礦物摻合料以及防水劑、引氣劑、膨脹劑、減水劑等外加劑。在試配時，抗?jié)B混凝土內水泥及礦物摻合料總量應達到320 kg/m3以上，砂率應控制在35%～45%范圍內，水灰比應不小于0.60；抗?jié)B混凝內引氣劑摻量不得超出3%～5%。在確定混凝土配合比時必須測試其抗?jié)B性能，試配抗?jié)B水壓值應高出設計值0.20 MPa，并按照最大水灰比進行抗?jié)B性能試驗。

抗凍混凝土中應按設計比摻加減水劑和引氣劑，將混凝土含氣量控制在4.50%及以上，并增加抗凍融性能試驗。

3.2 混凝土配合比設計

3.2.1 初步配合比估算

3.2.1.1 水灰比

西范灌區(qū)東擴工程二級總干渠1#隧洞襯砌混凝土采用P.O42.50水泥，該等級水泥強度52.50 MPa，碎石料粗集料回歸系數(shù)取0.46，卵石粗集料回歸系數(shù)取0.48，根據(jù)混凝土水灰比最大值和水泥用量最小值，水灰比取0.55。

3.2.1.2 用水量及塌落度

以中砂為細骨料，根據(jù)《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》要求，確定混凝土混合料塌落度為170 mm，則對應的用水量為215 kg；摻加引氣減水劑后用水量為176.50 kg；根據(jù)規(guī)范，混凝土入泵塌落度應控制在100～140 mm；在大氣溫度10 ℃～20 ℃的環(huán)境下，摻加粉煤灰及減水劑并經(jīng)時1 h 的混凝土塌落度損失值不超出5～25 mm。最終擬定的混凝土塌落度為170 mm。

3.2.1.3 水泥及砂石用量

根據(jù)相關規(guī)范及類似工程設計經(jīng)驗，經(jīng)受高濕度及凍害的鋼筋混凝土水泥用量至少為280 kg/m3，此工程襯砌混凝土中水泥用量為321 kg，故滿足規(guī)范要求。通過體積法所求得的砂石用量分別為696 kg和1 293 kg。

3.2.1.4 砂率

結合砂率表，在水灰比取0.55時，最大粒徑40 mm的碎石料及中砂采用插入法所確定的砂率值在30%～38%范圍內；泵送混凝土砂率應不超出35%～45%，在粒徑0.05 mm以下砂料含量不小于20%的情況下，應將砂率確定為35%。

3.2.2 實驗室配合比確定

3.2.2.1 基準配合比

稱量出30 L 混凝土混合料所需要的原材料，即9.63 kg 水泥、5.28 kg水、20.88 kg砂，38.79 kg碎石料（粒徑5～31.50 mm碎石連續(xù)級配），0.09 kg減水劑。將所稱量好的原材料按設計要求拌和后進行和易性試驗，試驗結果顯示的混合料保水性和粘聚性均較好，但塌落度僅為60 mm，為此，應在水灰比不變的情況下加水處理。當用水量和引氣減水劑摻量增加30.20%時，混合料塌落度增大為148 mm，但仍不滿足設計要求。此時混凝土混合料體積密度實測值為2 470 kg/m3。

將原材料用量調整為水泥、水、砂、粒徑5～31.50 mm 碎石料、引氣減水劑12.50、6.87、20.88、8.65、14.93、15.21、0.12 kg，則混合物總量為79.165 kg，根據(jù)所得混凝土混合料實測體積密度，可以得到水泥、水、砂、粒徑5～10 mm 碎石料、粒徑10～20 mm 碎石料、粒徑20～40 mm 碎石料、引氣減水劑等材料含量分別為390、214、651、1 211、3.90。在這種水泥漿量增大的情況下，混凝土混合料塌落度升高至168 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2.2 實驗室配合比

分別按照0.50、0.55 和0.60 的水灰比制備三組混凝土試件，按要求養(yǎng)護28 d后展開抗凍、抗?jié)B及強度試驗，所得到的不同水灰比下混凝土試件強度分別為39.10、36.60、34.50 MPa。再結合抗?jié)B試驗和抗凍試驗結果，最終確定的實驗室配合比為水灰比0.55的基準配合比。

按照校正后的基準配合比混凝土材料用量，制備水灰比分別為0.42、0.47 和0.52 時的混凝土試件，按要求養(yǎng)護28 d 后展開抗凍、抗?jié)B及強度試驗。根據(jù)試驗所得到的不同配合比混凝土結構強度分別為46.10、41.10 MPa 和35.20 MPa。綜合考慮抗凍試驗及抗?jié)B試驗結果，該灌區(qū)東擴工程二級總干渠1#隧洞襯砌混凝土水灰比最終取0.47。

4 結論

西范灌區(qū)東擴工程二級總干渠1#隧洞襯砌混凝土配合比試配時主要使用42.50普通硅酸鹽水泥，混凝土28 d的抗壓強度就已經(jīng)達到56.70 MPa，表明該工程襯砌混凝土配合比較為合理。在施工過程中應充分考慮到施工環(huán)境、拌和及施工技術等對水泥強度的不利影響，合理調整材料用量；對于原材料品種及質量發(fā)生顯著變化的情況，必須重新進行混凝土配合比設計。