水電工程綜合性混凝土配合比設計方法優化研究

摘要 水電工程由于混凝土種類、強度等級、粗骨料級配及原材料品種的多樣性，所需混凝土施工配合比數量往往較大。如果對以上四種因素每一組合進行不同水膠比的混凝土性能試驗，試驗工作量會很大且耗時長，不僅不經濟，而且可能會因配合比不能及時提供而影響施工進度。該文以苗尾水電站工程的綜合性配合比設計試驗為例，對目前常用的水電工程綜合性配合比設計方法的優點和不足進行分析，并提出改進方法和建議，以期縮短配合比設計試驗周期及保證工作質量，通過嚴謹的試驗成果分析、論證，推薦既滿足設計指標、施工性能要求又經濟合理的施工配合比，對保證工程質量和施工進度、降低工程成本發揮積極作用。

關鍵詞 綜合性配合比；設計方法；優化；技術措施

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0126-08

0 引言

云南省苗尾水電站位于大理州云龍縣境內的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游河段一庫七級開發方案中的最下游一級電站，上接大華橋水電站，下鄰瀾滄江中下游河段最上游一級電站功果橋水電站。電站樞紐工程主要由礫質土心墻堆石壩、溢洪道、沖沙兼放空洞、引水系統、發電廠房和灌溉取水口等建筑物組成，電站裝機容量1400 MW。

近年來，在我國水電建設項目工程施工階段，混凝土的施工質量對工程的順利完成起著重要的作用。而配合比設計階段是混凝土質量把控的重要環節，水泥混凝土的配合比設計優化主要是從使用材料品種、規格、數量、價格等方面進行考慮。具體來說，必須在滿足混凝土強度和工作性的前提下，從水泥、外加劑、混合材料等著手，同時結合砂石材料的種類、供應情況等進行優化，其對于設計要求的強度等級、施工要求的工作性及經濟成本控制等的影響巨大。鑒于此，該文結合工程實際及工作經驗，對水泥混凝土不同配合比材料組成及工程造價成本進行了詳細的探討，以期實現水泥混凝土配合比設計的經濟性優化，從而降低工程成本，提高項目乃至企業的市場競爭力與經濟效益[1]。

1 水電站工程混凝土配合比設計要求

該文配合比設計涉及水電站的引水發電系統、沖沙兼放空洞土建及金屬結構安裝工程的混凝土。其種類有常態混凝土和泵送混凝土兩種，強度等級從C10到C30共5個強度等級，粗骨料級配有一級配、二級配和三級配3種，水泥有P.O42.5主供和輔供以及P.MH42.5主供和輔供共4種[2，3]。粉煤灰有主供Ⅱ級粉煤灰和輔供Ⅱ級粉煤灰兩種[4，5]。減水劑有萘系減水劑主供和輔供以及聚羧酸減水劑主供和輔供共4種，其中萘系減水劑用于常態混凝土，聚羧酸減水劑用于泵送混凝土[6，7]。水電站工程混凝土配合比設計要求匯總表見表1。

2 目前水電工程綜合性配合比的設計方法及優點

2.1 編制詳盡的配合比設計試驗計劃

在配合比設計試驗工作開始之前，根據招投標文件以及設計、監理和項目部下發的關于配合比設計的相關技術文件，確定混凝土的種類、強度等級、耐久性指標、變形指標、熱學指標、級配、拌和物和易性以及強度保證率，據此編制配合比設計試驗計劃。配合比設計試驗計劃包括的主要內容有工程簡介、設計配合比匯總表、試驗檢測依據、原材料檢測項目、外加劑相容性試驗及最佳摻量試驗、粗骨料組合密度試驗、混凝土最優砂率試驗、混凝土用水量與不同坍落度關系試驗、混凝土用水量與不同級配試驗、不同水膠比與混凝土性能關系試驗、原材料備料計劃以及配合比試驗時間計劃[8，9]。

現階段的綜合性配合比設計試驗計劃已形成固定模板，試驗計劃明確了配合比設計的步驟、試驗要達到的指標要求、試驗的具體檢測項目、試驗總工作量、試驗編號、試驗需要材料用量以及試驗進度安排。試驗計劃內容詳盡、可操作性強，既可保證試驗內容不漏項，同時對試驗進度進行合理的安排，有效保證了試驗計劃執行的質量和進度的可控。

2.2 現階段綜合性配合比設計的主要技術措施

為了設計出滿足工程技術要求、施工性能好且經濟的混凝土配合比，同時降低配合比設計試驗工作量，配合比設計的主要技術措施有以下幾點。

2.2.1 外加劑相容性試驗及最佳摻量試驗

通過外加劑相容性試驗，選擇與工程用水泥和摻合料相容性好的外加劑品種，保證混凝土的施工性能指標和硬化性能指標。通過外加劑最佳摻量試驗，確定外加劑的最佳摻量，降低混凝土的生產成本。

2.2.2 粗骨料組合密度試驗

通過粗骨料組合密度試驗，選擇密度最大的比例為配合比的粗骨料比例。由此可以降低混凝土中的砂漿比例，減少混凝土中孔隙產生的概率，從而降低混凝土的生產成本，提高混凝土的密實性、耐久性指標和抗裂性能。

2.2.3 混凝土最優砂率試驗

通過最優砂率試驗，選擇合理的砂率，既能保證混凝土在采用現有澆筑振搗設備的情況下可以充分密實，又能有效降低膠材用量，從而降低混凝土的成本。

2.2.4 配合比試驗工作量優化措施

水電工程由于混凝土種類、強度等級、粗骨料級配及原材料品種的多樣性，所需混凝土施工配合比數量往往較大，如何通過有效的技術措施，最大限度地優化配合比試驗工作量，是配合比設計的最主要工作。

目前主要通過三項措施優化試驗工作量：（1）“借線法”，即對某一級配的混凝土進行不同水膠比與強度的關系試驗，其他級配混凝土的配置強度水膠比推薦采用該級配混凝土的水膠比與強度的回歸關系式；（2）不同坍落度混凝土“性能相同法”，即認為原材料品種及摻量、級配、水膠比均相同而坍落度不同的混凝土，混凝土力學性能和變形性能指標相同；（3）耐久性指標驗證法，根據經驗，通過合理選擇較大水膠比的配合比進行混凝土抗凍、抗滲指標驗證試驗，當較大水膠比配合比的抗凍、抗滲指標均滿足設計要求時，則較小水膠比的抗凍、抗滲指標也能滿足設計要求，即可省去較小水膠比配合比的耐久性指標性能試驗工作。

3 現階段綜合性配合比設計方法存在的不足

3.1 “借線法”設計方法的不足

以往經驗綜合性配合比設計方法中，優化工作量的主要技術手段就是“借線法”，如在水電站的綜合性配合比設計中，二級配和三級配常態混凝土的水膠比推薦是借四級配常態混凝土的不同水膠比與強度回歸關系式 ；在水電站的綜合性配合比設計試驗計劃中，開展二級配常態混凝土的不同水膠比與強度的關系試驗，一級配和三級配常態混凝土擬借用二級配常態混凝土的不同水膠比與強度回歸關系式。

“借線法”存在兩點不足，其一是相同水膠比的不同級配混凝土（混凝土的原材料品種、外加劑及礦物摻合料摻量、混凝土種類均相同），其相同齡期的強度并不是基本相同，從試驗成果分析可知，同齡期的二級配混凝土常態混凝土抗壓強度比三級配平均低2～3 MPa，四級配常態混凝土與三級配常態混凝土基本接近或略低 ；在綜合性配合比設計中，雖然進行了二級配和三級配常態混凝土一個水膠比的強度對比試驗，但是對對比強度試驗成果沒有進行任何分析，在推薦二級配和三級配混凝土的水膠比時，只是簡單的完全借用四級配的不同水膠比與強度回歸關系式，如果二級配混凝土的推薦水膠比直接采用通過四級配混凝土的回歸關系式計算得到的水膠比，這樣二級配混凝土配合比就存在質量控制風險。

其二是各級配混凝土的試驗不是相互獨立的，配合比試驗工作不能根據現場施工需要靈活進行試驗順序調整和安排。以水電站綜合性配合比設計試驗計劃為例，項目審批的試驗計劃，是進行二級配混凝土不同水膠比與強度的關系試驗，一級配和三級配混凝土只進行一個水膠比的強度對比試驗，而現場最先要使用的是三級配混凝土，由于甲供骨料提供較晚，在三級配混凝土計劃澆筑之前，只有約2周的試驗時間，如果按照項目審批的“借線法”試驗計劃，則不可能在計劃澆筑日期之前提供一個較完整的三級配混凝土配合比中間報告供現場使用。如果不采用“借線法”的設計方法，各級配混凝土獨立進行不同水膠比與強度的關系試驗，則配合比設計時，可以根據現場配合比施工需要，靈活調整配合比試驗的先后順序，當然由此增加的試驗工作量，需要通過配合比試驗計劃調整予以抵銷，否則各級配混凝土獨立試驗的設計方法就缺乏存在的價值。

3.2 推薦配合比參數缺乏嚴謹的分析和論證

目前在項目上常用的“借線法”設計方法中，只對所有水泥與其他主供材料和一種級配組合方案進行不同水膠比與強度的關系試驗，而其他級配、輔供礦物摻合料、輔供外加劑的配合比參數推薦，只是簡單地借用主供材料、試驗級配的回歸關系式，缺乏嚴謹的分析和論證，推薦參數的合理性存在疑問。在綜合性配合比試驗報告中，有大量的其他級配、輔供礦物摻合料、輔供外加劑組合配合比的對比試驗成果，由于沒有有效的試驗數據分析方法，在報告中對這些對比試驗成果沒有進行任何分析和說明，這些對比試驗工作就失去了意義和價值。

3.3 混凝土不同坍落度與用水量關系試驗不全

在該項目電站混凝土配合比設計試驗計劃中，只有二級配常態混凝土不同坍落度與用水量關系的試驗計劃，沒有一級配和三級配常態混凝土不同坍落度與用水量的關系試驗計劃，而且在該計劃中，一級配和三級配混凝土只是做一個水膠比的強度對比試驗，這樣一級配和三級配混凝土的試驗支撐數據就顯得很單薄；同時，在項目水電站配合比試驗計劃中，沒有考慮泵送混凝土不同坍落度與用水量的關系試驗，在泵送混凝土施工過程中，經常會遇到因為混凝土坍損快、環境溫度變化、運輸線路變化、施工交叉干擾、泵送管道長度和布置形式變化、澆筑建筑物結構復雜難以振搗等因素的影響，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 最優砂率試驗中選擇的砂率應為建議值

最優砂率試驗一般選擇3～4個砂率進行試驗，在綜合性配合比設計試驗計劃中，一般會根據經驗給定這幾個砂率，但是沒有說明這只是建議值，試驗中應根據工程材料實際情況予以調整。不同的工程，由于骨料的巖性、粒形、骨料級配以及膠材的差異，最優砂率會相差較大，配合比試驗計劃中給定的砂率范圍可能不包括最優砂率。

4 綜合性混凝土配合比設計方法的改進及建議

針對目前項目綜合性混凝土配合比設計方法存在的不足，提出如下改進及建議。

4.1 硬化混凝土性能試驗配合比方案的調整

在綜合性配合比設計中，項目水電站目前的常用做法是，所有水泥均與“一種級配＋主供礦物摻合料＋主供減水劑”的組合進行不同水膠比與強度的關系試驗，選擇一部分其他組合配合比進行強度對比試驗。以苗尾水電站工程的綜合性混凝土配合比設計為例，項目審批的硬化混凝土性能試驗配合比方案中，水泥和減水劑考慮了主供和輔供兩種，礦物摻合料只考慮主供一種，項目擬定的硬化混凝土性能試驗配合比方案見表2和表3。

調整后的硬化混凝土性能試驗配合比方案是：所有級配均與“主供水泥＋主供礦物摻合料＋主供減水劑”的組合進行不同水膠比與強度的關系試驗，其他組合配合比進行強度對比試驗。以項目水電站工程的綜合性混凝土配合比設計為例，調整后的硬化混凝土性能試驗配合比方案中，水泥、礦物摻合料和減水劑均考慮主供和輔供兩種，調整后的硬化混凝土性能試驗配合比方案見表4和表5。

4.2 調整后硬化混凝土性能試驗配合比方案的說明

調整后硬化混凝土性能試驗配合比方案表中，所有可能的強度對比組合配合比方案按一定的組合規律分級配列入表中，強度對比組合配合比方案排列有序、齊全；考慮水泥、粉煤灰、減水劑三種材料同時使用輔供材料的可能性較小，所以調整后方案中沒有考慮三種材料同時使用輔供材料的組合方案；由表4和表5可知，除去輔供Ⅱ級粉煤灰的配合比方案，調整后的配合比組合方案有51組，而該項目審批的配合比組合方案有54組，由此可見，調整后的配合比方案工作量略有減少。

4.3 強度對比試驗成果的分析及應用

4.3.1 輔供材料強度修正系數的概念及計算方法

對輔供材料組合配合比的對比強度試驗成果進行分析，并利用分析成果對輔供材料配合比的推薦水膠比進行修正計算，具有重要的意義。以調整后的硬化混凝土性能試驗配合比方案為例，該文提出輔供水泥強度修正系數（KC）、輔供粉煤灰強度修正系數（Kf）、輔供減水劑強度修正系數（KW）三個概念。輔供水泥強度修正系數（KC）的計算方法為：設有A和B兩個配合比，A配合比使用主供水泥，B配合比使用輔供水泥，除此之外，A、B兩個配合比其他材料品種及配合比參數均相同，假設A配合比m天齡期的抗壓強度為RA，B配合比m天齡期的抗壓強度為RB，則輔供水泥強度修正系數KC的計算式為KC＝RB/RA，其他輔供材料強度修正系數的計算方法依次類推。以表4中的配合比方案為例，常態混凝土輔供材料強度修正系數計算成果表見表6。

4.3.2 輔供材料強度修正系數的確定方法

由表6可知，當有三種級配混凝土時，輔供材料強度修正系數最多有12個（表6的修正系數只有9個，是因為沒有三種輔供材料同時使用組合的對比強度資料），如果只有一種級配，則輔供材料強度修正系數也有4個。由于任何試驗都存在試驗誤差，所以用輔供材料強度修正系數的平均值作為輔供材料強度修正系數的最終值，當有修正系數單值偏離平均值較大時，應剔除該單值取余下單值的平均值作為最終值。

4.3.3 輔供材料強度修正系數的應用方法

推薦輔供材料組合配合比水膠比時，將對應的輔供材料強度修正系數與同級配同混凝土種類的主供材料回歸方程式的右邊式子相乘，有幾種輔供材料，就乘對應的幾個強度修正系數，所得到的新回歸方程式，即為對應的輔供材料組合的不同水膠比與強度回歸方程式，根據此方程式，即可求得輔供材料組合配合比對應配置強度的水膠比。

4.4 綜合性混凝土配合比設計試驗的建議

4.4.1 回歸方程式中采用的水泥強度值檢測日期宜與混凝土強度試件成型日期一致

水電工程綜合性混凝土配合比設計，原材料備料和處理、原材料品質檢測及室內試拌工作往往歷時較長，這樣水泥品質檢測日期可能與混凝土強度試件成型日期間隔時間較長。根據參考資料顯示，水泥的強度在正常的儲存條件下，每天的強度損失率約為0.2%～0.3%。假設水泥最初品質檢測時的28 d強度為46 MPa，混凝土強度試件成型日期比水泥最初品質檢測日期滯后15 d，則混凝土成型時水泥28 d實際強度相對最初品質檢測強度損失約1.4～2.1 MPa。如果推薦水膠比時帶入回歸方程式中的水泥強度為最初品質檢測時的強度，則推薦出的水膠比偏小。

4.4.2 配合比中粗骨料的組合級配應根據骨料變化及時進行檢測和調整

在苗尾水電工程中，配合比設計時采用的骨料往往與正常施工時使用的骨料存在差異，引起差異的主要原因有以下兩種：骨料生產系統及工藝發生改變和料源發生改變。如其他項目水電站導流明渠工程配合比設計時，骨料是采用工程前期的臨時小砂石系統生產的，而施工時使用的骨料采用布置在江溝的正規砂石系統生產；該文中的水電站工程，設計用骨料料源為丹烏塹料場2080高程以下，2080高程以上為覆蓋層，不能作為骨料料源，而在進行綜合性混凝土配合比設計時，因為2080高程以上覆蓋層還沒有開挖完，只能采用2080高程以上巖石加工的骨料。

當骨料因生產系統、生產工藝和料源發生改變時，生產出來的骨料粒形、級配均可能會發生變化，這樣最佳骨料組合級配也可能會隨之發生變化，所以當有以上情況發生時，應及時進行粗骨料最佳組合級配復核試驗，并根據檢測成果，對配合比中的粗骨料組合級配進行調整。在混凝土拌制生產過程中，如發生混凝土拌和物性能變差，砂率顯得不足，骨料最佳組合級配是否發生變化是原因分析的一個重要方面。

5 結語

水電工程混凝土方量大，配合比設計及工程經濟性優化一直是工程、材料領域的一個重要課題。需要的混凝土施工配合比種類多，配合比試驗工作量大，合理優化試驗工作量，可以縮短配合比設計試驗周期及保證工作質量，通過嚴謹的試驗成果分析、論證，推薦既滿足設計指標、施工性能要求又經濟合理的施工配合比，對保證工程質量和施工進度，降低工程成本，尤其是水泥混凝土配合比的工程經濟性進行優化，均需不斷加以探索和研究。

參考文獻

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