中等強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)
——以南水北調(diào)中線“引江濟(jì)漢”荊江大堤防洪閘工程為例

王亞莉，孔祥亮，李保紅（湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，湖北武漢430061）

中等強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)
——以南水北調(diào)中線“引江濟(jì)漢”荊江大堤防洪閘工程為例

王亞莉，孔祥亮，李保紅
（湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，湖北武漢430061）

以中等強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)在“引江濟(jì)漢”荊江大堤防洪閘工程中的成功應(yīng)用為例，介紹了在水利水電工程中以中等強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇、材料要求以及對(duì)混凝土的性能影響及作用，總結(jié)出了通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法試配得到所需配合比的過(guò)程及要點(diǎn)，為推廣此類(lèi)混凝土配合比設(shè)計(jì)在水工行業(yè)的應(yīng)用有積極意義。

中等強(qiáng)度水泥；高強(qiáng)混凝土；抗?jié)B；配合比設(shè)計(jì)

混凝土在我國(guó)水利水電工程中使用非常廣泛，基本上成了現(xiàn)代水工建筑物的主要材料，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)混凝土技術(shù)也日漸成熟，在水工行業(yè)也應(yīng)用廣泛。在大型水電工程中應(yīng)用自不必說(shuō)，中小型水電項(xiàng)目中也受到重視，尤其是在水電工程中涉及到的橋梁工程施工中采用較多。但是要用中低強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B性混凝土目前在水工行業(yè)應(yīng)用并不多，此類(lèi)混凝土主要適用于與水工建（構(gòu)）筑物主體防滲體系相關(guān)連的具有抗?jié)B要求的水閘結(jié)構(gòu)中。

1 工程簡(jiǎn)介

荊江大堤防洪閘單孔凈寬32.0 m，兩側(cè)邊墩厚5.0 m，縫墩厚2 m×5.0 m。交通橋前防洪閘設(shè)一道提升式平面擋水閘門(mén)，閘室兩側(cè)各布置寬36.0 m的門(mén)庫(kù)段，門(mén)庫(kù)段兩側(cè)新筑堤防與荊江大堤連接。荊江大堤防洪閘兩側(cè)地面以上新建堤防與原荊江大堤防滲體連接，形成封閉防滲線抵御長(zhǎng)江洪水。

設(shè)計(jì)要求防洪閘混凝土28 d齡期強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為W6，坍落度為120 mm～140 mm，混凝土采用一級(jí)配，混凝土泵輸送，石子粒徑5 mm～20 mm，水灰比不大于0.4。

2 混凝土配合比參數(shù)選擇

影響高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配合比的參數(shù)有其特殊要求，試配前采用配合比參數(shù)須遵守以下幾點(diǎn)。

2.1 較小的水膠比

較小的水膠比是高強(qiáng)抗?jié)B混凝土配制的一個(gè)特點(diǎn)。為了達(dá)到混凝土的抗?jié)B性要求，無(wú)論設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度多大，配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土的水膠比都不能大于0.4，以保證混凝土的密實(shí)，在這個(gè)前提下再依據(jù)強(qiáng)度要求調(diào)整水灰比，而后通過(guò)調(diào)節(jié)除水泥外的其他膠凝材料的摻量來(lái)調(diào)節(jié)混凝土強(qiáng)度。

2.2 較大的砂率

在水灰比一定的情況下，砂率的大小影響混凝土的工作性能。高強(qiáng)抗?jié)B混凝土由于用水量較低，所需砂漿主要靠提高砂率來(lái)達(dá)到，因此砂率較大為好。一般普通敞口澆筑混凝土控制砂率約33%，如利用混凝土泵輸送砂率控制在40%左右［1］。

2.3 較大的漿骨比

漿骨比是指膠凝材料與骨料的比例，高強(qiáng)抗?jié)B混凝土具有很好的流動(dòng)性，但因其水灰比較小，因此需要膠凝材料質(zhì)量較大。當(dāng)漿骨比增大，混凝土的收縮也會(huì)增加，一般控制膠凝材料不超過(guò)500 kg/m3，其中水泥用量應(yīng)盡量減少，可以通過(guò)其他膠凝材料部分代替［2］。但當(dāng)膠凝材料用量太少，混凝土的內(nèi)部薄弱面較多，大大降低了混凝土的抗?jié)B能力，為此膠凝材料總質(zhì)量也不應(yīng)少于330 kg/m3。

2.4 較小的粗骨料粒徑

普通混凝土從環(huán)繞骨料表面破壞，高強(qiáng)抗?jié)B混凝土的破壞往往切斷骨料橫斷面，因此骨料的強(qiáng)度是決定混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。其機(jī)理是同類(lèi)石料較大粒徑的骨料其內(nèi)部存在缺陷的概率相對(duì)較高，在受到外部荷載作用下，從缺陷處破壞的幾率高，而小粒徑的骨料內(nèi)存在缺陷的概率相對(duì)就低一些，而且膠凝材料的粘結(jié)面積也增加 ，受力均勻，不易發(fā)生此類(lèi)破壞，因此可獲得相對(duì)較高的強(qiáng)度［3］。同時(shí)較小的骨料也有利于混凝土密實(shí)，可提高其抗?jié)B性能。因此高強(qiáng)抗?jié)B混凝土應(yīng)優(yōu)先選用小粒徑的粗骨料，通常骨料粒徑在5 mm～20 mm。

3 混凝土原材料選擇

（1）水泥

高強(qiáng)抗?jié)B混凝土應(yīng)優(yōu)先選用旋窯生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)在52.5及以上的普通硅酸鹽水泥。從礦物角度講，應(yīng)選擇硅酸三鈣較高、鋁酸三鈣較低且堿含量較低的水泥 ，鋁酸三鈣對(duì)減水劑的吸附性大于硅酸三鈣，因此過(guò)大含量的鋁酸三鈣會(huì)降低減水劑的作用。高強(qiáng)混凝土用水泥量多則水化熱大，較大的水化熱會(huì)造成混凝土裂縫等危害出現(xiàn)，因而從水化熱角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選用水化熱較低的水泥［4］。

但考慮經(jīng)濟(jì)成本，本次配合比選擇湖北華新水泥廠旋窯生產(chǎn)的“堡壘牌”42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)其比表面積378 m2/kg，燒失量2.6%，體積安定性0.8 mm，初凝時(shí)間190 min，終凝時(shí)間250 min，28 d抗壓強(qiáng)度為45.6 MPa。其他指標(biāo)也都滿(mǎn)足配制要求。

（2）粗骨料

高強(qiáng)抗?jié)B混凝土應(yīng)選用高強(qiáng)度的碎石作為粗骨料，一般在同等條件下，混凝土的強(qiáng)度與粗骨料的強(qiáng)度高度相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)粗骨料宜選用單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上的硬質(zhì)巖石［5］，使用粒徑范圍為5 mm～20 mm，級(jí)配連續(xù)性較好。潔凈的骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度也起著關(guān)鍵作用，有研究表明:混凝土骨料含泥量達(dá)到10%，混凝土強(qiáng)度可下降30%，因此骨料潔凈是配制高強(qiáng)混凝土的一項(xiàng)重要保證。

本次配合比設(shè)計(jì)采用荊門(mén)干溝人工碎石，粒徑5 mm～20 mm，不含泥塊，含泥量0.5% ，針片狀含量7%，壓碎率9%，淺于標(biāo)準(zhǔn)色。其他指標(biāo)都滿(mǎn)足高強(qiáng)混凝土配制用粗骨料要求。

（3）細(xì)骨料

高強(qiáng)抗?jié)B混凝土細(xì)骨料質(zhì)量影響到拌和用水量，一般來(lái)說(shuō)天然砂粒是由SiO2晶體組成，表面圓滑，拌和用水量較小。相比較而言人工機(jī)制砂則沒(méi)有這些優(yōu)點(diǎn)。因此首先應(yīng)優(yōu)先選用天然砂，其次砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)盡量大一些，高強(qiáng)抗?jié)B混凝土應(yīng)選用細(xì)度模數(shù)不小于2.5的Ⅱ類(lèi)砂為宜［6］。砂的級(jí)配影響到充填效果，因此連續(xù)級(jí)配的砂優(yōu)于斷級(jí)配的砂。

本次配合比設(shè)計(jì)選用產(chǎn)自洞庭湖的天然河砂，不含泥塊，含泥量1.3%，細(xì)度模數(shù)為2.7，連續(xù)級(jí)配，屬Ⅱ區(qū)。其他指標(biāo)都滿(mǎn)足高強(qiáng)混凝土配制用砂要求。

（4）拌和用水

高強(qiáng)抗?jié)B混凝土拌和及養(yǎng)護(hù)用水滿(mǎn)足普通混凝土用水要求即可，通常城市自來(lái)水是可以滿(mǎn)足要求的，但是必須強(qiáng)調(diào)指出已經(jīng)污染或含有機(jī)物的水嚴(yán)禁使用。

本工程地理位置靠近城鎮(zhèn) ，因此城市自來(lái)水可以直接供混凝土拌合使用。

（5）外加劑

要提高混凝土的強(qiáng)度，在不改變主要材料用量前提下 ，通常通過(guò)添加高效減水劑來(lái)減少混凝土拌和物用水量［7］，既要不降低混凝土拌和物的工作性能，又要滿(mǎn)足混凝土硬化過(guò)程中的用水量。水泥硬化過(guò)程中，一般需要水量約為水泥量的20%，多余的水分都干燥蒸發(fā)掉了，而后在混凝土內(nèi)留下空隙，降低了混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度。如果擠出這部分水，那么膠凝材料顆粒間距大大縮小，混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度和抗?jié)B性能自然提高了。

為了滿(mǎn)足混凝土其他性能需要可加入減水劑來(lái)降低用水量，與此同時(shí)也必須加入緩凝劑來(lái)調(diào)節(jié)水泥水化持續(xù)時(shí)間，延緩水化放熱過(guò)程，使得混凝土中游離水增多，更能提高減水劑的作用。

本次配合比設(shè)計(jì)外加劑使用HL-8000（B）型聚羧基緩凝減水劑，該外加劑具有緩凝和減水兩大功效。

（6）摻合料

高強(qiáng)抗?jié)B混凝土的高強(qiáng)度并不是完全靠水泥的用量來(lái)達(dá)到。國(guó)內(nèi)外大量的研究［8］證明:要獲得高強(qiáng)度混凝土所用的水泥用量一般在400 kg/m3～600 kg/m3，但是可以通過(guò)摻加礦物摻合料替代來(lái)降低水泥用量，同樣可獲得混凝土的高強(qiáng)度。

有實(shí)踐表明［9］，通過(guò)在混凝土中摻入適量粉煤灰或硅粉所增加的混凝土強(qiáng)度比增加同樣質(zhì)量的水泥所提高的強(qiáng)度要大。同時(shí)由于摻合料的加入，減少了水泥用量，降低了水化熱，改善了混凝土的工作性能，降低了混凝土的收縮 ，提高了抗?jié)B性。國(guó)內(nèi)外有資料［2］證明:當(dāng)加入水泥用量5%～10%的硅粉，混凝土的抗?jié)B性、耐磨性有顯著提高。硅粉由于其粒徑小，充填于膠凝材料之間 ，使膠凝材料具有很好的級(jí)配，提高了水泥漿體與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)降低泌水，防止了水分在骨料下表面聚集 ，提高了界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度。

本次配合比設(shè)計(jì)選用干狀硅粉作為摻合料，經(jīng)過(guò)檢測(cè)硅粉中SiO2含量占96%，平均粒徑約0.1 um。根據(jù)規(guī)范和有關(guān)資料［11］，擬定硅粉摻量5%。

4 配合比設(shè)計(jì)路線及過(guò)程

4.1 配合比設(shè)計(jì)路線

（1）水灰比

水灰比選擇按照0.40、0.37、0.35、0.33、0.30五個(gè)比級(jí)分別試配。根據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)當(dāng)采用上述選定的固體材料時(shí)，則膠凝材料配成的漿液與骨料的體積比暫取7∶13。

（2）用水量

用水量應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度來(lái)選擇，初步擬定為154 kg/m3～158 kg/m3。

（3）砂率

砂率取決于粗骨料的級(jí)配和粒徑以及混凝土的坍落度要求，試驗(yàn)用石子粒徑為5 mm～20 mm，連續(xù)級(jí)配，砂子為天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。高標(biāo)號(hào)抗?jié)B混凝土的膠凝材料較大，試配選取的砂率34%～40%，隨水灰比降低而減小。

（4）其他膠凝材料

硅粉摻量占膠凝材料的5%。

（5）減水劑

混凝土試配前，根據(jù)試驗(yàn)得到水泥與HL-8000 （B）型聚羧基緩凝減水劑有很好的適應(yīng)性，摻量按照膠凝材料總量的0.8%～1.5%，本次試配選用1.2%。

4.2 配合比設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）估算配合比

根據(jù)有關(guān)規(guī)范［12］確定，混凝土配制強(qiáng)度基本值為C50時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差 δ為6 MPa，則配置強(qiáng)度計(jì)算值為:

fcu，o=fcu，k+1.645δ=（50+1.645×6）MPa

=59.9 MPa

初步確定按照60 MPa來(lái)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度配制。①估計(jì)試配用水量

按照設(shè)計(jì)路線預(yù)估和計(jì)算混凝土配置強(qiáng)度，用水量的選擇是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)［13］。

②計(jì)算漿體體積

計(jì)算漿體體積之前，根據(jù)資料［14］和以往經(jīng)驗(yàn)初步選定不摻入硅粉的混凝土內(nèi)空氣含量約為2%，即0.02 m3，摻入5%硅粉后空氣含量約為1.5%，即0.015 m3。再用計(jì)算的漿體體積減去①中預(yù)估的用水量和假定的空氣含量，而后按照經(jīng)驗(yàn)選定其他膠凝材料計(jì)算出漿體體積組成。

③估計(jì)骨料用量

減去漿液體積后，即為骨料體積。骨料中粗骨料（石子）與細(xì)骨料（砂）的體積按照選定的砂率進(jìn)行用量預(yù)估。

④各種材料用量計(jì)算

按照上述過(guò)程確定了各種材料的用量都是體積，實(shí)際配制用體積不方便，所以將骨料、膠凝材料等按照密度換算成質(zhì)量，便于精確控制。這些材料在檢測(cè)時(shí)均已經(jīng)測(cè)得其實(shí)際密度。水泥密度為3140 kg/m3、天然砂為 2 690 kg/m3、石子為2 730 kg/m3、硅粉為2 200 kg/m3。

根據(jù)以上四步預(yù)估出五種水灰比混凝土配合比設(shè)計(jì)方案材料用量計(jì)劃表見(jiàn)表1。

表1五種配合比設(shè)計(jì)試配材料用量計(jì)劃表

按五種水灰比分別試配制后，得到的混凝土拌和物檢測(cè)結(jié)果能見(jiàn)表2。

表2五種配合比設(shè)計(jì)混凝土配制檢測(cè)結(jié)果表

從以上試配成果表可以看出，抗?jié)B等級(jí)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，然后在F-1-4與F-1-5間通過(guò)內(nèi)插法初定水灰比為0.31，砂率為36.3%，其他材料以此計(jì)算確定。

（2）調(diào)整與確定設(shè)計(jì)配合比

以上配合比設(shè)計(jì)中有一些假定和預(yù)估不確定因素，實(shí)際操作中也是假定幾種方案同時(shí)試配以節(jié)約配合比確定的時(shí)間，根據(jù)得到的試配結(jié)果，微調(diào)各種材料的摻量，來(lái)選定配合比。配合比選定后再次試配加以驗(yàn)證，以調(diào)整根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先假定的含氣量等不確定因素的影響 ，試配出的混凝土應(yīng)檢查其坍落度等工作性能，必要時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)外加劑來(lái)加以調(diào)整。如果混凝土拌和物出現(xiàn)嚴(yán)重離析、泌水等不利于泵送時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)提高砂率和減少砂的細(xì)度模數(shù)來(lái)解決 。

總之，只要遵循為:試配→檢測(cè)→調(diào)整→選定→驗(yàn)證的程序，必定會(huì)取得滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用此方法用中等強(qiáng)度水泥配制高強(qiáng)抗?jié)B混凝土，簡(jiǎn)單易行，但要求材料質(zhì)量可靠穩(wěn)定。本工程地處在江邊，交通運(yùn)輸方便，但是大多數(shù)水利水電工程處在高山峻嶺之間，交通不便，配制混凝土所用的材料大多就地取材，鮮有自來(lái)水可供拌和混凝土直接使用，同時(shí)也以機(jī)制砂居多。因此，此法雖為此類(lèi)配合比設(shè)計(jì)提供了可借鑒的思路，但只要因地制宜地改換某些假定和參數(shù)，就可設(shè)計(jì)出高強(qiáng)抗?jié)B配合比。

［1］ 朱卓云.高標(biāo)號(hào)混凝土配合比設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)［J］.廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào) ，2007，（5）:81-82.

［2］ 田尚斌.淺談高標(biāo)號(hào)混凝土的控制［J］.江蘇交通，2003，（6）:30-31.

［3］ 強(qiáng) 化.淺談高標(biāo)號(hào)混凝土設(shè)計(jì)與施工需要注意的幾個(gè)問(wèn)題［J］.甘肅科技，2011，27（20）:139-141.

［4］ 王福平.預(yù)拌泵送高標(biāo)號(hào)混凝土設(shè)計(jì)與施工［J］.山西建筑，2003，29（6）:85-86.

［5］ 王宏偉，王善拔.水泥與減水劑相容性問(wèn)題雛議［J］.混凝土與水泥制品，2001，（2）:9-11.

［6］ 中國(guó)人民共和國(guó)水利部.SL352-2006.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［7］ 陸家宏.高效減水劑在高強(qiáng)混凝土配制中的應(yīng)用探討［J］.安徽建筑，2006，（5）:181，186.

［8］ 熊出華.摻合料對(duì)高性能混凝土的影響研究［D］.重慶:重慶建筑大學(xué) ，2000.

［9］ 中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì).JC/T535-2007.硅灰石［S］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2007.

［10］ 李立權(quán).混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2003.

［11］ 張 雄，吳科如，韓繼紅，等.高性能混凝土礦渣復(fù)合摻合料生產(chǎn)工藝特性與工程應(yīng)用［J］.混凝土，1998，（1）:10-14.

［12］ 中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì).DL5330-2005.水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［13］ 馮乃謙.面向21世紀(jì)的混凝土材料和技術(shù)［C］//第五屆全國(guó)高性能混凝土學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.沈陽(yáng):遼寧大學(xué)出版社，2004:19-31.

［14］ 中國(guó)人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T281-2012.高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［15］ 中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T5144-2001.水工混凝土施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

The Mix Ratio Design of High Strength Impermeable Concrete by Using Medium Strength Cement——The Case Study of Jingjiang Levee Floodgate Project in the Water Transfer Project from Yangtz River to Han River in the Middle Scheme of the South-to-north Water Diversion Project

WANG Ya-li，KONG Xiang-liang，LI Bao-hong
（Hubei Dayu Water Resources and Hydropower Construction Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430061，China）

In the successful construction of Jinjiang levee floodgate of the water transfer project from Yangtz River to Han River，the mix ratio design of high strength impermeable concrete by using medium strength cement was adopted. Through the case study of this project，the selection of appropriate parameters，material requirements and the influences on the behavior of the concrete of this mix ratio design for hydraulic engineerings was introduced and the key points as well as the processes of obtaining the required mix ratio through tests were summarized.This study will promote the application of this mix ratio design to hydraulic engineerings.

medium strength cement；high strength concrete；impermeability；mix ratio design

TV431

A

1672—1144（2015）02—0095—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.020

2014-11-03

2014-12-17

王亞莉（1975—），男，陜西米脂人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程施工管理及檢測(cè)工作。E-mail:619132567@qq.com