太河水库坝坡混凝土配合比设计

温国梁，尹启亮，付晓丽，王 旭

（1山东省水利勘测设计院，山东 济南250013；2山东水利置业有限公司，山东 济南250012）

1 前言

太河水库位于山东省淄博鲁山北麓，北起金鸡山，南傍马鞍山，东依青龙山，西临豹眼山，南北长约10余km，东西宽约3 km，上游控制流域面积约780 km2，总库容为1.8亿m3，是全国大型水库之一。整个库区水质洁净，不仅是一项大型水利设施，而且是一处风景秀丽的游览胜地。水库在除险加固过程中为保证大坝质量，提高坝坡混凝土耐久性，能否设计出科学、合理、经济、适用的混凝土配合比，成为该工程关键技术问题。为解决该问题，试验室进行了混凝土配合比优选试验，试验内容包括原材料检测、混凝土拌合物工作性和物理力学性能指标检测，力争从混凝土配合比设计层面保证其设计强度、耐久性等级及经济性，从而保证坝坡混凝土整体质量。

2 试验过程及结果

2.1 试验内容及依据和方法

太河水库护坡混凝土设计等级C30F150，水胶比0.40～0.45，粉煤灰最大掺量20%，坍落度要求160～200 mm，石子连续级配，骨料最大粒径31.5 mm，强度保证率95%。依据SL 352—2006进行混凝土配合比设计。首先根据设计要求的强度和耐久性选定水胶比，再根据施工要求的坍落度和石子最大粒径选定用水量，用水量除以选定的水胶比求出胶材用量，最后采用体积法计算饱和面干状态下砂、石用量，并通过试验和必要的调整，确定1 m3混凝土材料用量配合比。

2.2 原材料试验

1）水泥。选用P.O42.5级水泥，经检测该水泥符合GB 175—2007标准要求，检验结果见表1。

表1 水泥物理力学指标检验结果

2）粉煤灰。选用F类Ⅱ级粉煤灰，所检指标符合DL/T 5055—2007中对Ⅱ级粉煤灰的技术要求，检验结果见表2。

表2 粉煤灰质量检验结果 %

3）外加剂。选用HPC-GYJ高效引气减水剂，所检项目符合GB 8076—2008中的质量要求，总碱量2.15%，密度1.135 g/cm3。

4）粗骨料。粗骨料为5～31.5 mm碎石，掺配比例参照GB/T 14685—2011中对5～31.5 mm碎石累积筛余规定的上下线范围基础上，通过最大紧密密度试验得到具体数值。试验结果表明，粗骨料各粒级掺合比例为20%（5～10 mm）、50%（10～20 mm）、30%（20～30 mm）的碎石紧密密度最大（1 610 kg/m），空隙率41%最小，为最优掺配比例。

依据SL 352—2006对粗骨料的含泥量、泥块含量、堆积密度、表观密度、空隙率、针片状颗粒含量、压碎指标、饱和面干吸水率等指标进行检测，检测结果表明，所检指标符合DL/T 5144—2001对粗骨料的品质要求。筛分试验粗骨料筛分曲线见图1。

5）细骨料。细骨料为天然中砂，所检指标符合DL/T 5144—2001对细骨料的品质要求。该砂细度模数为2.87，筛分试验细骨料筛分曲线见图2。

图1 粗骨料5～31.5 mm筛分曲线

图2 细骨料筛分曲线

2.3 混凝土配合比设计

2.3.1 混凝土配制强度的确定

根据SL 352—2006水工混凝土配合比设计方法，混凝土配制强度按下式计算：

式中：fcu,o为混凝土配制强度，MPa；fcu,k为混凝土设计龄期的设计抗压强度，MPa；t为保证率系数，由给定的保证率P选定；σ为混凝土压强度标准差，MPa。当设计龄期为28 d，抗压强度保证率P为95%时，取概率度系数t=1.645。

2.3.2 混凝土配合比设计基本参数的选择

1）水胶比。根据规范中最大水胶比要求，考虑到混凝土强度及抗冻等级要求，水胶比选择范围为＜0.50。每个标号的混凝土，选取3个水胶比进行比较选择。

2）最优砂率。根据选定的骨料，在水胶比和胶凝材料用量保持不变条件下改变砂率，当混凝土拌合物坍落度最大时，所对应的砂率为最优砂率。在该配比案例中，选定0.43为基准水胶比，单位用水量161 kg，粉煤灰掺量20%。当减水剂掺量为2.0%时，通过试拌，砂率39%、40%、41%、42%、43%所对应的坍落度分别为160、175、185、180、170 mm。由试拌结果看出：在满足该混凝土工作性能要求下，水胶比0.43对应的最优砂率为41%。其他水胶比按该基准水胶比±0.05，砂率±1%内变动。采用用水量不变的原则来调整胶凝材料用量，并在该幅度范围内选取配合比。

2.3.3 胶材用量的确定

混凝土的胶凝材料用量（mc+mp）、水泥用量mc和掺合料用量mp按下式计算：

式中：mc为每立方米混凝土水泥用量，kg；mp为每立方米混凝土掺合料用量，kg；mw为每立方米混凝土用水量，kg；pm为掺合料产量；w/（c+p）为水胶比。当不掺加掺合料时，p、pm、mp均取0。

2.3.4 骨料用量的确定

砂、石料用量由已确定的用水量、水泥（胶凝材料）用量和砂率，根据“绝对体积法”计算。

2.3.5 混凝土性能指标的检测

1）混凝土抗压试验。混凝土成型28 d后试块强度及各指标见表3。

表3 C30F150混凝土抗压试验结果

2）混凝土抗冻试验。抗冻融试验结果见表4。相对动弹模量和质量损失均符合标准要求。

表4 C30F150混凝土抗冻试验结果

2.3.6 推荐配合比

根据设计指标，考虑到施工单位实际生产时生产质量控制要素多且复杂，具有起伏性，试验室配合比设计时对混凝土性能保持足够的富裕，并且还要考虑拌合物的坍落度。所以，推荐水胶比为0.43为参考配合比：每立方混凝土需用水泥300 kg，粉煤灰75 kg，外加剂7.5 kg，水161 kg，砂764 kg，5～31.5 mm碎石1 100 kg。测得初始坍落度为185 mm，40 min后坍落度为120 mm，混凝土含气量4.8%，7 d强度29.3 MPa，28 d强度39.1 MPa。5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm的石子比例为2∶5∶3。

3 施工配合比的调整方法及建议

当施工条件与试验室配合比设计时的标准条件不同时，以标准条件为准，将实际用水量、骨料用量校准到试验室设计配合比的用量，其目的在于准确实现试验室配合比。当气候条件、拌合物运输条件及浇筑条件改变时，需对设计坍落度指标进行调整，当砂的细度发生变化时，也需调整配合比。在进行配合比调整时，必须保持水胶比不变，调整和换算的施工配合比经校核正确后，才可以在施工中使用，确保严格实现设计配合比，以保证混凝土拌合物质量。