中等强度水泥配制高强抗渗混凝土配合比设计——以南水北调中线“引江济汉”荆江大堤防洪闸工程为例

王亚莉，孔祥亮，李保红（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北武汉430061）

中等强度水泥配制高强抗渗混凝土配合比设计
——以南水北调中线“引江济汉”荆江大堤防洪闸工程为例

王亚莉，孔祥亮，李保红
（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北武汉430061）

以中等强度水泥配制高强抗渗混凝土配合比设计在“引江济汉”荆江大堤防洪闸工程中的成功应用为例，介绍了在水利水电工程中以中等强度水泥配制高强抗渗混凝土配合比设计的参数选择、材料要求以及对混凝土的性能影响及作用，总结出了通过经验法试配得到所需配合比的过程及要点，为推广此类混凝土配合比设计在水工行业的应用有积极意义。

中等强度水泥；高强混凝土；抗渗；配合比设计

混凝土在我国水利水电工程中使用非常广泛，基本上成了现代水工建筑物的主要材料，但是随着技术的不断发展，高强度水泥配制高强混凝土技术也日渐成熟，在水工行业也应用广泛。在大型水电工程中应用自不必说，中小型水电项目中也受到重视，尤其是在水电工程中涉及到的桥梁工程施工中采用较多。但是要用中低强度水泥配制高强抗渗性混凝土目前在水工行业应用并不多，此类混凝土主要适用于与水工建（构）筑物主体防渗体系相关连的具有抗渗要求的水闸结构中。

1 工程简介

荆江大堤防洪闸单孔净宽32.0 m，两侧边墩厚5.0 m，缝墩厚2 m×5.0 m。交通桥前防洪闸设一道提升式平面挡水闸门，闸室两侧各布置宽36.0 m的门库段，门库段两侧新筑堤防与荆江大堤连接。荆江大堤防洪闸两侧地面以上新建堤防与原荆江大堤防渗体连接，形成封闭防渗线抵御长江洪水。

设计要求防洪闸混凝土28 d龄期强度等级为C50，抗渗等级为W6，坍落度为120 mm～140 mm，混凝土采用一级配，混凝土泵输送，石子粒径5 mm～20 mm，水灰比不大于0.4。

2 混凝土配合比参数选择

影响高强抗渗混凝土配合比的参数有其特殊要求，试配前采用配合比参数须遵守以下几点。

2.1 较小的水胶比

较小的水胶比是高强抗渗混凝土配制的一个特点。为了达到混凝土的抗渗性要求，无论设计混凝土强度多大，配制高强抗渗混凝土的水胶比都不能大于0.4，以保证混凝土的密实，在这个前提下再依据强度要求调整水灰比，而后通过调节除水泥外的其他胶凝材料的掺量来调节混凝土强度。

2.2 较大的砂率

在水灰比一定的情况下，砂率的大小影响混凝土的工作性能。高强抗渗混凝土由于用水量较低，所需砂浆主要靠提高砂率来达到，因此砂率较大为好。一般普通敞口浇筑混凝土控制砂率约33%，如利用混凝土泵输送砂率控制在40%左右［1］。

2.3 较大的浆骨比

浆骨比是指胶凝材料与骨料的比例，高强抗渗混凝土具有很好的流动性，但因其水灰比较小，因此需要胶凝材料质量较大。当浆骨比增大，混凝土的收缩也会增加，一般控制胶凝材料不超过500 kg/m3，其中水泥用量应尽量减少，可以通过其他胶凝材料部分代替［2］。但当胶凝材料用量太少，混凝土的内部薄弱面较多，大大降低了混凝土的抗渗能力，为此胶凝材料总质量也不应少于330 kg/m3。

2.4 较小的粗骨料粒径

普通混凝土从环绕骨料表面破坏，高强抗渗混凝土的破坏往往切断骨料横断面，因此骨料的强度是决定混凝土强度的关键因素之一。其机理是同类石料较大粒径的骨料其内部存在缺陷的概率相对较高，在受到外部荷载作用下，从缺陷处破坏的几率高，而小粒径的骨料内存在缺陷的概率相对就低一些，而且胶凝材料的粘结面积也增加 ，受力均匀，不易发生此类破坏，因此可获得相对较高的强度［3］。同时较小的骨料也有利于混凝土密实，可提高其抗渗性能。因此高强抗渗混凝土应优先选用小粒径的粗骨料，通常骨料粒径在5 mm～20 mm。

3 混凝土原材料选择

（1）水泥

高强抗渗混凝土应优先选用旋窑生产的强度等级在52.5及以上的普通硅酸盐水泥。从矿物角度讲，应选择硅酸三钙较高、铝酸三钙较低且碱含量较低的水泥 ，铝酸三钙对减水剂的吸附性大于硅酸三钙，因此过大含量的铝酸三钙会降低减水剂的作用。高强混凝土用水泥量多则水化热大，较大的水化热会造成混凝土裂缝等危害出现，因而从水化热角度考虑，应优先选用水化热较低的水泥［4］。

但考虑经济成本，本次配合比选择湖北华新水泥厂旋窑生产的“堡垒牌”42.5普通硅酸盐水泥，经检测其比表面积378 m2/kg，烧失量2.6%，体积安定性0.8 mm，初凝时间190 min，终凝时间250 min，28 d抗压强度为45.6 MPa。其他指标也都满足配制要求。

（2）粗骨料

高强抗渗混凝土应选用高强度的碎石作为粗骨料，一般在同等条件下，混凝土的强度与粗骨料的强度高度相关。一般来说粗骨料宜选用单轴抗压强度达到80 MPa以上的硬质岩石［5］，使用粒径范围为5 mm～20 mm，级配连续性较好。洁净的骨料对混凝土强度也起着关键作用，有研究表明:混凝土骨料含泥量达到10%，混凝土强度可下降30%，因此骨料洁净是配制高强混凝土的一项重要保证。

本次配合比设计采用荆门干沟人工碎石，粒径5 mm～20 mm，不含泥块，含泥量0.5% ，针片状含量7%，压碎率9%，浅于标准色。其他指标都满足高强混凝土配制用粗骨料要求。

（3）细骨料

高强抗渗混凝土细骨料质量影响到拌和用水量，一般来说天然砂粒是由SiO2晶体组成，表面圆滑，拌和用水量较小。相比较而言人工机制砂则没有这些优点。因此首先应优先选用天然砂，其次砂的细度模数应尽量大一些，高强抗渗混凝土应选用细度模数不小于2.5的Ⅱ类砂为宜［6］。砂的级配影响到充填效果，因此连续级配的砂优于断级配的砂。

本次配合比设计选用产自洞庭湖的天然河砂，不含泥块，含泥量1.3%，细度模数为2.7，连续级配，属Ⅱ区。其他指标都满足高强混凝土配制用砂要求。

（4）拌和用水

高强抗渗混凝土拌和及养护用水满足普通混凝土用水要求即可，通常城市自来水是可以满足要求的，但是必须强调指出已经污染或含有机物的水严禁使用。

本工程地理位置靠近城镇 ，因此城市自来水可以直接供混凝土拌合使用。

（5）外加剂

要提高混凝土的强度，在不改变主要材料用量前提下 ，通常通过添加高效减水剂来减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，又要满足混凝土硬化过程中的用水量。水泥硬化过程中，一般需要水量约为水泥量的20%，多余的水分都干燥蒸发掉了，而后在混凝土内留下空隙，降低了混凝土的密实性和强度。如果挤出这部分水，那么胶凝材料颗粒间距大大缩小，混凝土更加密实，强度和抗渗性能自然提高了。

为了满足混凝土其他性能需要可加入减水剂来降低用水量，与此同时也必须加入缓凝剂来调节水泥水化持续时间，延缓水化放热过程，使得混凝土中游离水增多，更能提高减水剂的作用。

本次配合比设计外加剂使用HL-8000（B）型聚羧基缓凝减水剂，该外加剂具有缓凝和减水两大功效。

（6）掺合料

高强抗渗混凝土的高强度并不是完全靠水泥的用量来达到。国内外大量的研究［8］证明:要获得高强度混凝土所用的水泥用量一般在400 kg/m3～600 kg/m3，但是可以通过掺加矿物掺合料替代来降低水泥用量，同样可获得混凝土的高强度。

有实践表明［9］，通过在混凝土中掺入适量粉煤灰或硅粉所增加的混凝土强度比增加同样质量的水泥所提高的强度要大。同时由于掺合料的加入，减少了水泥用量，降低了水化热，改善了混凝土的工作性能，降低了混凝土的收缩 ，提高了抗渗性。国内外有资料［2］证明:当加入水泥用量5%～10%的硅粉，混凝土的抗渗性、耐磨性有显著提高。硅粉由于其粒径小，充填于胶凝材料之间 ，使胶凝材料具有很好的级配，提高了水泥浆体与骨料之间的粘结强度，同时降低泌水，防止了水分在骨料下表面聚集 ，提高了界面过渡区的密实度。

本次配合比设计选用干状硅粉作为掺合料，经过检测硅粉中SiO2含量占96%，平均粒径约0.1 um。根据规范和有关资料［11］，拟定硅粉掺量5%。

4 配合比设计路线及过程

4.1 配合比设计路线

（1）水灰比

水灰比选择按照0.40、0.37、0.35、0.33、0.30五个比级分别试配。根据资料和经验当采用上述选定的固体材料时，则胶凝材料配成的浆液与骨料的体积比暂取7∶13。

（2）用水量

用水量应根据强度来选择，初步拟定为154 kg/m3～158 kg/m3。

（3）砂率

砂率取决于粗骨料的级配和粒径以及混凝土的坍落度要求，试验用石子粒径为5 mm～20 mm，连续级配，砂子为天然砂，细度模数为2.7。高标号抗渗混凝土的胶凝材料较大，试配选取的砂率34%～40%，随水灰比降低而减小。

（4）其他胶凝材料

硅粉掺量占胶凝材料的5%。

（5）减水剂

混凝土试配前，根据试验得到水泥与HL-8000 （B）型聚羧基缓凝减水剂有很好的适应性，掺量按照胶凝材料总量的0.8%～1.5%，本次试配选用1.2%。

4.2 配合比设计过程

（1）估算配合比

根据有关规范［12］确定，混凝土配制强度基本值为C50时，标准差 δ为6 MPa，则配置强度计算值为:

fcu，o=fcu，k+1.645δ=（50+1.645×6）MPa

=59.9 MPa

初步确定按照60 MPa来进行混凝土强度配制。①估计试配用水量

按照设计路线预估和计算混凝土配置强度，用水量的选择是经验数据［13］。

②计算浆体体积

计算浆体体积之前，根据资料［14］和以往经验初步选定不掺入硅粉的混凝土内空气含量约为2%，即0.02 m3，掺入5%硅粉后空气含量约为1.5%，即0.015 m3。再用计算的浆体体积减去①中预估的用水量和假定的空气含量，而后按照经验选定其他胶凝材料计算出浆体体积组成。

③估计骨料用量

减去浆液体积后，即为骨料体积。骨料中粗骨料（石子）与细骨料（砂）的体积按照选定的砂率进行用量预估。

④各种材料用量计算

按照上述过程确定了各种材料的用量都是体积，实际配制用体积不方便，所以将骨料、胶凝材料等按照密度换算成质量，便于精确控制。这些材料在检测时均已经测得其实际密度。水泥密度为3140 kg/m3、天然砂为 2 690 kg/m3、石子为2 730 kg/m3、硅粉为2 200 kg/m3。

根据以上四步预估出五种水灰比混凝土配合比设计方案材料用量计划表见表1。

表1五种配合比设计试配材料用量计划表

按五种水灰比分别试配制后，得到的混凝土拌和物检测结果能见表2。

表2五种配合比设计混凝土配制检测结果表

从以上试配成果表可以看出，抗渗等级均能满足设计要求，然后在F-1-4与F-1-5间通过内插法初定水灰比为0.31，砂率为36.3%，其他材料以此计算确定。

（2）调整与确定设计配合比

以上配合比设计中有一些假定和预估不确定因素，实际操作中也是假定几种方案同时试配以节约配合比确定的时间，根据得到的试配结果，微调各种材料的掺量，来选定配合比。配合比选定后再次试配加以验证，以调整根据经验预先假定的含气量等不确定因素的影响 ，试配出的混凝土应检查其坍落度等工作性能，必要时通过调节外加剂来加以调整。如果混凝土拌和物出现严重离析、泌水等不利于泵送时，可通过适当提高砂率和减少砂的细度模数来解决 。

总之，只要遵循为:试配→检测→调整→选定→验证的程序，必定会取得满足设计要求的混凝土配合比。

5 结 语

采用此方法用中等强度水泥配制高强抗渗混凝土，简单易行，但要求材料质量可靠稳定。本工程地处在江边，交通运输方便，但是大多数水利水电工程处在高山峻岭之间，交通不便，配制混凝土所用的材料大多就地取材，鲜有自来水可供拌和混凝土直接使用，同时也以机制砂居多。因此，此法虽为此类配合比设计提供了可借鉴的思路，但只要因地制宜地改换某些假定和参数，就可设计出高强抗渗配合比。

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［3］ 强 化.浅谈高标号混凝土设计与施工需要注意的几个问题［J］.甘肃科技，2011，27（20）:139-141.

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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

王亚莉（1975—），男，陕西米脂人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工管理及检测工作。E-mail:619132567@qq.com