混凝土配合比设计的关键参数及强度保证率检验方法

万家寨地区属温带季风大陆性气候，冬季严寒、干燥、风沙大，夏季炎热，春秋季短，昼夜温差大，气温骤降频繁，冰冻期长达5 个月之久。河水多泥沙，设计含水沙量为6.6kg/m3。外部混凝土有较高的抗冻、抗渗、抗冲磨和抗裂要求，基础混凝土和内部混凝土有较低的温升和较高的抗裂性能要求。据此，将坝体混凝土分为6 个区，各区具体要求及使用部位如下：大坝基础混凝土，厚10.0m，采用R90250D50S8；上游表面混凝土，厚5.0m，在952.00m 以上采用R90250D200S8；在952.00m 以下采用R90250D50S8；下游表面混凝土，厚2.5m，采用R90200D150；坝体内部采用R90200D50S4；过流表面混凝土做专门的抗磨层设计（见第七章第七节）。万家寨水利枢纽混凝土设计要求详见表9-9。

表9-9　万家寨水利枢纽大坝混凝土设计要求

（一）配合比设计的原则

混凝土配合比设计遵循的基本原则如下。

（1）单位用水量最小的原则。水灰比是决定混凝土强度和耐久性的主要因素，在满足和易性的条件下，力求单位用水量最小。

（2）石子粒径最大和石子用量最多的原则。根据结构物的断面和钢筋的稠密程度以及施工设备等情况，在满足和易性的条件下，选择尽可能大粒径的石子和尽可能多的石子用量。

（3）最佳骨料级配的原则。选择空隙率较小的级配。同时也要考虑料场的天然级配，尽量减少弃方。

（4）经济合理的原则。经济合理地选择水泥品种和标号，优先考虑采用优质、经济的粉煤灰混合材和外加剂等。

（二）混凝土配合比设计的任务

混凝土配合比设计，实质上就是确定水泥、水、砂子与石子这4 项基本组成材料用量之间的3 个比例关系。即：水与水泥之间的比例关系，常用水灰比表示；砂与石子之间的比例关系，常用砂率表示；水泥浆与骨料之间的比例关系，常用单位用水量来反映。水灰比、砂率、单位用水量是混凝土配合比的3个重要参数，因为这3个参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系，在配合比设计中正确地确定这3个参数，就能使混凝土满足设计要求。

（三）配合比设计

配合比的设计与确定，是根据对混凝土的质量要求，通过选择材料、设计计算、试配、调整等，为生产合格质量水平的混凝土提供合理的原材料组成和有关参数。它直接关系到所生产的混凝土的质量水平及生产成本，是混凝土质量控制中的重要环节，是质量和成本控制的主要内容。

对混凝土配合比的确定，首先，应根据设计要求的强度等级、耐久性和工程所处的环境条件、结构构件条件，以及施工工艺条件等选定适当品种、标号的水泥及其他组成材料，以及拌和物应具有的稠度。其次，根据要求的强度等级及施工单位的生产管理水平，确定配制强度。而后，通过设计计算，求得供试配检验和易性的初步配合比。经过试配、调整，求得基准配合比。再经试拌、成型试件、检验强度（及耐久性等其他性能）及必要的调整，最终求得既满足设计和施工要求，又比较经济合理的可用于施工的配合比设计值。

在施工过程中，还应根据所用骨料的实际含水率，相应调整配合比设计值中的用水量及骨料用量，确定出实际生产使用的施工配合比。

（四）混凝土配合比设计的步骤

配合比设计时，首先要正确选定原材料品种、检验原材料质量，然后按照混凝土技术要求进行初步计算，得出“初步计算配合比”。经试验室试拌调整，得出“基准配合比”。经强度复核（对于其他性能要求，则需做相应的检验项目）定出“试验室配合比”，最后以现场原材料实际情况（如砂、石、含水等）修正“试验室配合比”从而得出“施工配合比”。具体步骤如下：

（1）初步计算。借助于经验公式或经验数据，得到设计配合比。为使混凝土的强度保证率能满足规定的要求，在设计混凝土配合比时，必须使混凝土的试配强度高于设计强度等级。对于抗冻性等要求也要全面考虑到。

（2）确定基准配合比。由初步计算求出的各材料用量，是借助于一些经验公式和数据计算出来的，或是利用经验资料查得的，因而不一定能够符合实际情况，必须经过试拌调整，直到混凝土拌和物的和易性符合要求为止，然后提出供检验混凝土强度用的基准配合比。调整混凝土拌和物和易性的方法：当坍落度低于设计要求时，可保持水灰比不变，适当增加水泥浆量；若坍落度过大，则可在砂率不变的条件下增加砂石用量；如出现含砂不足，粘聚性和保水性不良时，可适当增大砂率，反之应减小砂率。每次调整后再试拌，直到和易性符合要求为止。当试拌调整工作完成后，还应测出混凝土拌和物的实际表观密度。

（3）确定试验室配合比。经过和易性调整试验得出的混凝土基准配合比，其水灰比值不一定选用恰当，其结果是强度不一定符合要求，所以应检验混凝土的强度。一般采用3个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水灰比值，应较基准配合比分别增加或减少0.05，其用水量应该与基准配合比相同，但砂率可作适当调整。每个配合比制作一组试件，标准养护90d 或28d 试压（在制作混凝土强度试块时，尚需检验混凝土拌和物的和易性及表观密度，并以此结果作为代表这一配合比的混凝土拌和物的性能）。若对混凝土还有其他技术性能要求，如抗渗标号、抗冻标号等要求，则应增添相应的试验项目进行检验。

（4）确定施工配合比。试验室得出的配合比，是以骨料饱和面干状态为基准的，而工地存放的砂、石材料的水分具有一定的波动性。所以现场材料的实际秤量应按工地砂、石的含水情况进行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。

（五）原材料试验

1.水泥

根据水利部天津水利水电勘测研究设计院《关于1995年万家寨主体工程及纵向围堰施工水泥品种及用量的函》（水津水［1994］9 号），水泥选择范围确定为：

1）抚顺525 号中热硅酸盐水泥；

2）大同525 号普通硅酸盐水泥；

3）大同425 号矿碴硅酸盐水泥；

4）清水河425 号普通硅酸盐水泥；

5）清水河425 号低热微膨胀水泥；

有关水泥的化学成分分析和物理性能检测结果见表9-10 及表9-11。

表9-10　水泥化学成分

表9-11　水泥物理性能检测结果

2.粉煤灰

按设计要求，粉煤灰采用神头一电厂和二电厂粉煤灰，检测结果表明，其粉煤灰均达到国标Ⅰ级灰标准，粉煤灰化学成分、物理性能及胶砂强度试验结果见表9-12～表9-14。

表9-12　粉煤灰化学成分检测结果

表9-13　粉煤灰化学成分

表9-14　粉煤灰胶砂强度试验

3.硅粉

施工和试验用硅粉为山西忻州铁合金厂产，硅粉的化学成分见表9-15。分析表明，忻州硅粉二氧化硅含量89.91%，大于85%部颁发标准，但其中试样—1 的氧化钙含量偏高。

表9-15　硅粉化学成分

4.骨料

枢纽工程所用的粗细骨料为万家寨辛庄窝料场开采、加工而成。砂石骨料主要的物理技术性能见表9-16、表9-17。表中数据表明，人工砂的细度模数FM 稍大，但石粉含量适宜；石子质量符合有关要求。

表9-16　碎石物理性能试验

表9-17　人工砂物理性能试验

5.水

配合比试验、施工混凝土拌和用水均为清洁的黄河自来水，水质化验取样为黄河原状水，化验结果见表9-18。化验结果表明，所用的黄河水符合规范技术标准。

表9-18　黄河水质化验结果

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6.外加剂

（1）外加剂品种和主要的物理化学性能。混凝土中掺用外加剂，可以有效地改善混凝土耐久性，加快施工进度，降低工程造价，节约水泥，延缓或降低水化热峰值，提高混凝土耐久性，是一种行之有效的方法。为了选择高效经济、性能良好，使用方便的外加剂，根据万家寨工程混凝土技术特性，选用了多种性能的外加剂。根据施工所选用的外加剂，按照SD108—83《水工混凝土外加剂技术标准》和SD105—82《水工混凝土试验规程》，对主要的4 种外加剂进行了物理化学性能测试，测试结果表明（见表9-19）所选用的外加剂的物化性能检测合格。4 种主要的外加剂是：SW1 型，主要成分为萘磺酸盐，掺量0.4%～0.8%，由兰州市河口南中国水电四局混凝土外加剂厂生产；DH3 型，主要成分为萘磺酸盐，掺量0.3%～0.7%，由河北石家庄外加剂研究试验厂生产；RC 型，以糖蜜为主，掺量0.15%～0.3 %，由山西万荣县城南化工厂生产；NSF-2型，萘磺酸甲醛缩合物，掺量0.5 %～1.0%，由山西省太原市混凝土高效减水剂厂生产。

表9-19　外加剂物理化学性能测试结果

（2）水泥砂浆流动度试验。不同品种的外加剂或同一种不同掺量的外加剂对水泥砂浆流动度有很大影响。掺外加剂砂浆流动度试验水灰比0.50，灰砂比1∶2.5，水泥用量300g，标准砂750g，水泥为抚顺525号中热硅酸盐水泥，试验结果见表9-20。

从表9-20 数据可知，在相同的水泥胶砂配合比的情况下，4 种不同品种的减水剂对砂浆流动度的影响不同，4 种减水剂随掺量增加，流动度相应增大；但当DH3、SW1 掺量大于1.0%时，流动度开始下降。

表9-20　砂浆流动度试验

（3）外加剂掺量选择试验。为了确定4 种外加剂各自的最优掺量及对混凝土性能的影响，参照说明推荐掺量，进行了掺外加剂混凝土性能试验，试验按照SD108—83《水工混凝土外加剂技术标准》规定和SD105—82《水工混凝土试验规程》进行。试验用原材料：水泥，分别用大同525 号普硅、清水河425 号普硅、抚顺525 号中热普硅等水泥进行试验，以检验外加剂对各种水泥的适应性；骨料，用万家寨人工砂及石，骨料最大粒径20mm；基准混凝土和试验混凝土，水泥用量：320±5kg/m3；坍落度6±1cm；含气量：基准混凝土大于2%，掺外加剂混凝土含气量不大于6% ；砂率：基准混凝土选用最优砂率，掺外加剂混凝土的砂率比基准混凝土砂率减少2%～3%。根据混凝土外加剂对比试验结果及工程要求，从技术性能、经济方面比较分析，最终选用了两种复合型高效减水剂DH3 和SW1 作为万家寨大坝混凝土拌制使用，掺量均为0.5%（占胶凝材重量），硅粉混凝土选用NSF—2 型高效减水剂。3 种外加剂现场应用良好。

（六）混凝土配合比主要技术参数的确定

混凝土配合比参数选择试验：针对人工骨料用水量大的特点，分别进行了水灰比与强度关系试验、混凝土单位用水量选择试验、混凝土拌和物容重试验、砂浆选择试验、骨料级配试验，以确定最优的混凝土配合比参数。

1.水灰比与强度的关系试验

水灰比是指单位混凝土拌和物中，水与水泥的质量之比。它对塑性混凝土强度发展起着决定作用。在其他材料给定的情况下，塑性混凝土的强度取决于拌合水的用量，即水灰比越大，混凝土强度越低。根据混凝土设计要求（见表9-9）和原材料特性，进行水灰比与强度关系试验（试验过程略），由试验结果求得混凝土强度与水灰比的关系见表9-21。

表9-21　混凝土强度与水灰比关系

注 C/W 为水灰比。

2.混凝土单位用水量选择试验

单位用水量是指每m3 混凝土中用水量的多少。它直接影响着混凝土的流动性、粘聚性、保水性和混凝土的密实度强度等。在满足混凝土和易性的条件下，力求单位用水量最小，但影响混凝土用水量的因素很多，如骨料粒径、颗粒形状、级配、胶凝材需水量以及含气量等，所以用水量很难用公式算出来。为此，针对万家寨人工砂石骨料特点以及施工要求的坍落度、骨料最大粒径等，进行了混凝土单位用水量试验。试验用4 种级配，固定水灰比0.55，坍落度3～5cm、5～7cm、7～9cm 时流动度所需用水量进行了试拌试验。混凝土单位用水量试拌成果表明，当选用最优砂率，坍落度每增减1cm，相应增减用水量约2～2.5kg/m3。混凝土单位用水量参考表见表9-22。

表9-22　混凝土单位用水量参考表

3.砂率参数选择

砂率的取值不能过大也不能过小，以满足砂对粗骨料空隙的填充作用和润滑作用，在保证混凝土拌和物和易性良好的前提下，用水量最小的砂率为最优砂率。由于影响最优砂率的因素很多，只有通过试拌确定砂率，按试验计划选定6 种水灰比，即：0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65，每种水灰比选择3 个砂率，砂率相差2%，坍落度5～7cm，三级配，共进行了18 组试验，以比较其和易性、湿比重、强度及凝结时间等，以最终确定最优砂率。根据砂率选择试验，确定的各级配各种类混凝土砂率参考表见表9-23。

表9-23　砂率参考表

注 1.本表适用于万家寨工程人工砂石所拌制的混凝土，FM=2.6～2.8。
2.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减1 %。

4.混凝土拌和物容重试验

混凝土拌和物容重与原材料比重、骨料的级配、砂率、掺外加剂和混合材料等有关。由混凝土拌和物容重试验结果可见，各类新拌混凝土的容重总是在一定范围内波动。考虑混凝土各组成材料秤量允许误差，按混凝土质量控制配料单计算，列出新拌混凝土容重参数，见表9-24。

表9-24　混凝土容重参考表

5.骨料级配

粗骨料级配选择试验采用连续级配，按照骨料最大粒径，进行了二级配、三级配、四级配试验，每种级配分别进行了几组不同比例配合，从中得出容重较大，空隙率较小的级配为最优级配。粗骨料级配选择为：

二级配 小石：中石=40∶60；

三级配 小石：中石：大石=30∶30∶40；

四级配 小石∶中石∶大石∶特大石=25∶20∶25∶30。

（七）主体工程混凝土配合比试验

1.混凝土保证强度

根据天津水利水电勘测设计研究院802H-G1-11-1《坝体混凝土标号设计图》大坝混凝土标号设计要求，上下游坝面混凝土、钢管周围混凝土、导流底孔混凝土、底孔回填混凝土和基准混凝土，设计保证率为P ≥85%，离差系数为CV ≤0.15，概率度系数为t=1.04。大坝内部混凝土，设计保证率为P ≥85%，离差系数为CV ≤0.18，概率度系数为t=1.04。溢流面混凝土、防冲板混凝土、护坦表面混凝土、挑坎混凝土、导墙混凝土和左护岸混凝土，设计保证率为P ≥90%，离差系数为CV ≤0.15，概率度系数为t=1.28。

根据混凝土保证强度计算公式R保=R设/（1-t×CV），可通过计算得到混凝土保证强度。万家寨水利枢纽主要部位混凝土保证强度见表9-25。

表9-25　混凝土保证强度

大坝基础混凝土R90250D50S8，掺粉煤灰20% ；大坝内部混凝土R90150D50S4，掺粉煤灰35% ；溢流面混凝土及抗冲耐磨部位掺硅粉7%～10%。外加剂采用高效减水剂DH3 或缓凝高效减水剂SW1；硅粉混凝土采用NSF-2 型减水剂。

2.配合比设计选择

根据SDJ207—82 和天津水利水电勘测设计研究院设计要求，上下游水位以上最大允许水灰比为0.60；上下游水位变化区最大允许水灰比为0.50；上下游最低水位以下混凝土最大允许水灰比为0.55；内部混凝土最大允许水灰比为0.70；受水流冲刷的部位最大允许水灰比为0.50。万家寨水利枢纽主体工程各个部位的混凝土，采用水灰比均符合规范要求。有关主体工程混凝土配合比选择参数见表9-26。

表9-26　主体工程混凝土配合比设计选择表

（八）施工用混凝土配合比

根据试验参数和配合比选择表，进行了混凝土强度、弹模、极限拉伸、抗冻、抗渗、热学性能及其他种类的混凝土试验（具体试验过程略），其施工用混凝土配合比是根据设计要求以及混凝土配合比试验结果对比分析后确定的。施工用混凝土配合比共两部分：一是万家寨水利枢纽工程大坝混凝土配合比（一），见表9-27；二是万家寨水利枢纽工程大坝混凝土配合比（二），见表9-28。

表9-27　万家寨水利枢纽工程大坝混凝土配合比

表9-28　万家寨水利枢纽工程大坝混凝土配合比

万家寨水利枢纽工程大坝基础混凝土掺粉煤灰20%，大坝内部混凝土掺粉煤灰35%，溢流面混凝土掺硅粉8%，止水坑混凝土掺膨胀剂10%，中孔958.10m 高程以下、底孔926.20m 高程以下和表孔混凝土标号为R28300D200S8，底孔926.20m 高程以上、中孔958.10m 高程以上混凝土标号为R28250D200S8，要求具有抗冲耐磨和补偿收缩性能，双掺硅粉5%和膨胀剂5%，外加剂选用高效减水剂DH3、SW1、NSF-2。粉煤灰、硅粉、膨胀剂掺加方法均为等量替代水泥。

（九）配合比应用效果评析

万家寨水利枢纽工程大坝混凝土配合比，经过5年多的应用，从生产环节及结构性能方面的抽检来看，该配合比具有较高的准确性和可行性，而且每立方米的水泥用量大大低于原投标书中的每立方米178kg的指标，其技术经济效果显著。

从应用来看，由于施工前期人工砂较粗，含水率大于施工规范要求，因此混凝土和易性较差，容易泌水，振捣较难；使用的中石的逊径超标较多，小石超径也较多。这些因素增加了质控难度，对混凝土质量有一定影响。后来经过技术改进，相关指标基本达到了控制要求。对下游坝面坝内钢管周围混凝土、导流底孔封堵混凝土，为增加抗裂性能而引进了清水河低热微膨胀425号水泥，但该水泥质量不稳定，几次采取了降低标号处理的措施，但其水化热较低的作用未能充分发挥出来。