西范灌區(qū)總干渠1#隧洞襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)

丁 輝

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)的合理性直接影響到水工隧洞襯砌施工的可行性和施工質(zhì)量，在水工隧洞襯砌混凝土試配過(guò)程中，必須綜合考慮工程設(shè)計(jì)對(duì)混凝土性能的各項(xiàng)要求，原材料的選擇應(yīng)以易于取得為原則，集料粒徑和混凝土混合料和易性等均應(yīng)滿足施工操作要求，并在考慮混凝土工程性能的基礎(chǔ)上符合經(jīng)濟(jì)合理原則。

1 工程概況

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程二級(jí)總干渠1#隧洞起訖樁號(hào)為QII0+300～QII2+400，總長(zhǎng)2.10 km。隧洞進(jìn)口及末端底高程分別為541.09 m和540.04 m，坡比降1∶2 000。從進(jìn)口到末端隧洞沿線地面高程不斷升高，隧洞圍巖主要為第四系上更新統(tǒng)洪沖積物（Q3pal），洞頂上部土層厚6～48 m。上層為低液限粘土夾低液限粉土；下層為低液限粉土夾低液限粘土，淡黃～棕黃色，干～稍濕狀，可塑，但結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，孔隙發(fā)育，蟲(chóng)孔及植物根孔分布較多，局部夾雜淺紅色低液限粘土。隧洞沿線土層為濕陷等級(jí)Ⅱ級(jí)（中等）～Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）的自重濕陷性土。其中QII0+292～QII1+060段洞身處于厚度0～8 m的濕陷土層中，厚度從進(jìn)口至洞內(nèi)逐漸變?。粯短?hào)QII1+060～QII2+400段洞身則處于厚度0～13 m 的非濕陷土層中，其厚度中間段厚兩端薄。在45 m深度的勘探范圍內(nèi)并無(wú)地下水位揭露，結(jié)合地勘資料，地下水位埋深在100 m以上。

總干渠1#隧洞采用抗?jié)B等級(jí)為W8 的C25 鋼筋混凝土襯砌，隧洞進(jìn)口處24.59 m 范圍抗凍等級(jí)為F150，其余地段抗凍等級(jí)為F50。除底板外，內(nèi)掛Φ8 鋼筋網(wǎng)（150 mm×150 mm），噴厚100 mm 的C20 混凝土；頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿。襯砌厚度0.30 m，馬蹄形斷面，襯砌后洞徑變?yōu)? m，坡比降仍為1∶2 000。

2 原材料選擇

總干渠1#隧洞襯砌混凝土所需原材料主要有水泥、粗細(xì)骨料及拌合料等。①水泥：根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，泵送混凝土水泥用量不得小于300 kg/m3，且混凝土可泵性受到水泥品種的影響較大，水工渠道襯砌通常采用普通硅酸鹽水泥。②粗細(xì)骨料：除水泥品種外，混凝土可泵性還與骨料級(jí)配、粒徑等有關(guān)。若使用碎石料等粗骨料，其最大粒徑和泵送管管徑之比應(yīng)控制在1∶3以下，并應(yīng)使用針片狀顆粒含量在10%以下的連續(xù)級(jí)配粗骨料；若使用中砂等細(xì)骨料，則應(yīng)將粒徑不足0.31 mm 的細(xì)骨料摻加量控制在15%～20%之間。③拌合料：在泵送混凝土混合料內(nèi)水泥用量較少、通過(guò)0.05 mm篩孔的顆粒含量不足15%時(shí)，應(yīng)摻加粉煤灰。④外加劑：水工隧洞襯砌混凝土所用外加劑主要有引氣劑、減水劑等，對(duì)于大體積混凝土，還可按設(shè)計(jì)比摻加緩凝劑和膨脹劑。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

3.1.1 一般要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合施工環(huán)境、原材料、運(yùn)距、輸送泵管徑等進(jìn)行混凝土試配。根據(jù)西范灌區(qū)東擴(kuò)工程二級(jí)總干渠1#隧洞設(shè)計(jì)要求，混凝土采用泵送方式，在環(huán)境溫度為10～20 ℃且泵送高度小于等于30 m 時(shí)混凝土入泵塌落度應(yīng)控制在100～140 mm 范圍內(nèi)，且誤差不得超出±30 mm。泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，水與水泥、摻合料總量的比應(yīng)控制在0.60 以內(nèi)，泵送混凝土砂率不得超出35%～45%。泵送混凝土所摻加的外加劑，其性能應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，具體品種和摻量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。在不摻加引氣劑的情況下泵送混凝土含氣量應(yīng)不超出4%；摻加粉煤灰后泵送混凝土性能還應(yīng)進(jìn)一步滿足相關(guān)規(guī)程的要求。

3.1.2 抗?jié)B及抗凍脹要求

抗?jié)B混凝土應(yīng)采用粒徑在40 mm 以下、含泥量在1%以內(nèi)的連續(xù)級(jí)配粗集料，同時(shí)采用含泥量3%以內(nèi)的細(xì)集料；應(yīng)摻加礦物摻合料以及防水劑、引氣劑、膨脹劑、減水劑等外加劑。在試配時(shí)，抗?jié)B混凝土內(nèi)水泥及礦物摻合料總量應(yīng)達(dá)到320 kg/m3以上，砂率應(yīng)控制在35%～45%范圍內(nèi)，水灰比應(yīng)不小于0.60；抗?jié)B混凝內(nèi)引氣劑摻量不得超出3%～5%。在確定混凝土配合比時(shí)必須測(cè)試其抗?jié)B性能，試配抗?jié)B水壓值應(yīng)高出設(shè)計(jì)值0.20 MPa，并按照最大水灰比進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)。

抗凍混凝土中應(yīng)按設(shè)計(jì)比摻加減水劑和引氣劑，將混凝土含氣量控制在4.50%及以上，并增加抗凍融性能試驗(yàn)。

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.2.1 初步配合比估算

3.2.1.1 水灰比

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程二級(jí)總干渠1#隧洞襯砌混凝土采用P.O42.50水泥，該等級(jí)水泥強(qiáng)度52.50 MPa，碎石料粗集料回歸系數(shù)取0.46，卵石粗集料回歸系數(shù)取0.48，根據(jù)混凝土水灰比最大值和水泥用量最小值，水灰比取0.55。

3.2.1.2 用水量及塌落度

以中砂為細(xì)骨料，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，確定混凝土混合料塌落度為170 mm，則對(duì)應(yīng)的用水量為215 kg；摻加引氣減水劑后用水量為176.50 kg；根據(jù)規(guī)范，混凝土入泵塌落度應(yīng)控制在100～140 mm；在大氣溫度10 ℃～20 ℃的環(huán)境下，摻加粉煤灰及減水劑并經(jīng)時(shí)1 h 的混凝土塌落度損失值不超出5～25 mm。最終擬定的混凝土塌落度為170 mm。

3.2.1.3 水泥及砂石用量

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)受高濕度及凍害的鋼筋混凝土水泥用量至少為280 kg/m3，此工程襯砌混凝土中水泥用量為321 kg，故滿足規(guī)范要求。通過(guò)體積法所求得的砂石用量分別為696 kg和1 293 kg。

3.2.1.4 砂率

結(jié)合砂率表，在水灰比取0.55時(shí)，最大粒徑40 mm的碎石料及中砂采用插入法所確定的砂率值在30%～38%范圍內(nèi)；泵送混凝土砂率應(yīng)不超出35%～45%，在粒徑0.05 mm以下砂料含量不小于20%的情況下，應(yīng)將砂率確定為35%。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)室配合比確定

3.2.2.1 基準(zhǔn)配合比

稱量出30 L 混凝土混合料所需要的原材料，即9.63 kg 水泥、5.28 kg水、20.88 kg砂，38.79 kg碎石料（粒徑5～31.50 mm碎石連續(xù)級(jí)配），0.09 kg減水劑。將所稱量好的原材料按設(shè)計(jì)要求拌和后進(jìn)行和易性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示的混合料保水性和粘聚性均較好，但塌落度僅為60 mm，為此，應(yīng)在水灰比不變的情況下加水處理。當(dāng)用水量和引氣減水劑摻量增加30.20%時(shí)，混合料塌落度增大為148 mm，但仍不滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)混凝土混合料體積密度實(shí)測(cè)值為2 470 kg/m3。

將原材料用量調(diào)整為水泥、水、砂、粒徑5～31.50 mm 碎石料、引氣減水劑12.50、6.87、20.88、8.65、14.93、15.21、0.12 kg，則混合物總量為79.165 kg，根據(jù)所得混凝土混合料實(shí)測(cè)體積密度，可以得到水泥、水、砂、粒徑5～10 mm 碎石料、粒徑10～20 mm 碎石料、粒徑20～40 mm 碎石料、引氣減水劑等材料含量分別為390、214、651、1 211、3.90。在這種水泥漿量增大的情況下，混凝土混合料塌落度升高至168 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2.2 實(shí)驗(yàn)室配合比

分別按照0.50、0.55 和0.60 的水灰比制備三組混凝土試件，按要求養(yǎng)護(hù)28 d后展開(kāi)抗凍、抗?jié)B及強(qiáng)度試驗(yàn)，所得到的不同水灰比下混凝土試件強(qiáng)度分別為39.10、36.60、34.50 MPa。再結(jié)合抗?jié)B試驗(yàn)和抗凍試驗(yàn)結(jié)果，最終確定的實(shí)驗(yàn)室配合比為水灰比0.55的基準(zhǔn)配合比。

按照校正后的基準(zhǔn)配合比混凝土材料用量，制備水灰比分別為0.42、0.47 和0.52 時(shí)的混凝土試件，按要求養(yǎng)護(hù)28 d 后展開(kāi)抗凍、抗?jié)B及強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)所得到的不同配合比混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分別為46.10、41.10 MPa 和35.20 MPa。綜合考慮抗凍試驗(yàn)及抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果，該灌區(qū)東擴(kuò)工程二級(jí)總干渠1#隧洞襯砌混凝土水灰比最終取0.47。

4 結(jié)論

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程二級(jí)總干渠1#隧洞襯砌混凝土配合比試配時(shí)主要使用42.50普通硅酸鹽水泥，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到56.70 MPa，表明該工程襯砌混凝土配合比較為合理。在施工過(guò)程中應(yīng)充分考慮到施工環(huán)境、拌和及施工技術(shù)等對(duì)水泥強(qiáng)度的不利影響，合理調(diào)整材料用量；對(duì)于原材料品種及質(zhì)量發(fā)生顯著變化的情況，必須重新進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。