丁 辉

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

衬砌混凝土配合比设计的合理性直接影响到水工隧洞衬砌施工的可行性和施工质量，在水工隧洞衬砌混凝土试配过程中，必须综合考虑工程设计对混凝土性能的各项要求，原材料的选择应以易于取得为原则，集料粒径和混凝土混合料和易性等均应满足施工操作要求，并在考虑混凝土工程性能的基础上符合经济合理原则。

1 工程概况

西范灌区东扩工程二级总干渠1#隧洞起讫桩号为QII0+300～QII2+400，总长2.10 km。隧洞进口及末端底高程分别为541.09 m和540.04 m，坡比降1∶2 000。从进口到末端隧洞沿线地面高程不断升高，隧洞围岩主要为第四系上更新统洪冲积物（Q3pal），洞顶上部土层厚6～48 m。上层为低液限粘土夹低液限粉土；下层为低液限粉土夹低液限粘土，淡黄～棕黄色，干～稍湿状，可塑，但结构松散，土质不均，孔隙发育，虫孔及植物根孔分布较多，局部夹杂浅红色低液限粘土。隧洞沿线土层为湿陷等级Ⅱ级（中等）～Ⅲ级（严重）的自重湿陷性土。其中QII0+292～QII1+060段洞身处于厚度0～8 m的湿陷土层中，厚度从进口至洞内逐渐变小；桩号QII1+060～QII2+400段洞身则处于厚度0～13 m 的非湿陷土层中，其厚度中间段厚两端薄。在45 m深度的勘探范围内并无地下水位揭露，结合地勘资料，地下水位埋深在100 m以上。

总干渠1#隧洞采用抗渗等级为W8 的C25 钢筋混凝土衬砌，隧洞进口处24.59 m 范围抗冻等级为F150，其余地段抗冻等级为F50。除底板外，内挂Φ8 钢筋网（150 mm×150 mm），喷厚100 mm 的C20 混凝土；顶拱120°范围内回填灌浆。衬砌厚度0.30 m，马蹄形断面，衬砌后洞径变为3 m，坡比降仍为1∶2 000。

2 原材料选择

总干渠1#隧洞衬砌混凝土所需原材料主要有水泥、粗细骨料及拌合料等。①水泥：根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》，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种的影响较大，水工渠道衬砌通常采用普通硅酸盐水泥。②粗细骨料：除水泥品种外，混凝土可泵性还与骨料级配、粒径等有关。若使用碎石料等粗骨料，其最大粒径和泵送管管径之比应控制在1∶3以下，并应使用针片状颗粒含量在10%以下的连续级配粗骨料；若使用中砂等细骨料，则应将粒径不足0.31 mm 的细骨料掺加量控制在15%～20%之间。③拌合料：在泵送混凝土混合料内水泥用量较少、通过0.05 mm筛孔的颗粒含量不足15%时，应掺加粉煤灰。④外加剂：水工隧洞衬砌混凝土所用外加剂主要有引气剂、减水剂等，对于大体积混凝土，还可按设计比掺加缓凝剂和膨胀剂。

3 配合比设计

3.1 设计要求

3.1.1 一般要求

根据相关规范，并结合施工环境、原材料、运距、输送泵管径等进行混凝土试配。根据西范灌区东扩工程二级总干渠1#隧洞设计要求，混凝土采用泵送方式，在环境温度为10～20 ℃且泵送高度小于等于30 m 时混凝土入泵塌落度应控制在100～140 mm 范围内，且误差不得超出±30 mm。泵送混凝土配合比设计时，水与水泥、掺合料总量的比应控制在0.60 以内，泵送混凝土砂率不得超出35%～45%。泵送混凝土所掺加的外加剂，其性能应符合相关规定，具体品种和掺量应根据试验确定。在不掺加引气剂的情况下泵送混凝土含气量应不超出4%；掺加粉煤灰后泵送混凝土性能还应进一步满足相关规程的要求。

3.1.2 抗渗及抗冻胀要求

抗渗混凝土应采用粒径在40 mm 以下、含泥量在1%以内的连续级配粗集料，同时采用含泥量3%以内的细集料；应掺加矿物掺合料以及防水剂、引气剂、膨胀剂、减水剂等外加剂。在试配时，抗渗混凝土内水泥及矿物掺合料总量应达到320 kg/m3以上，砂率应控制在35%～45%范围内，水灰比应不小于0.60；抗渗混凝内引气剂掺量不得超出3%～5%。在确定混凝土配合比时必须测试其抗渗性能，试配抗渗水压值应高出设计值0.20 MPa，并按照最大水灰比进行抗渗性能试验。

抗冻混凝土中应按设计比掺加减水剂和引气剂，将混凝土含气量控制在4.50%及以上，并增加抗冻融性能试验。

3.2 混凝土配合比设计

3.2.1 初步配合比估算

3.2.1.1 水灰比

西范灌区东扩工程二级总干渠1#隧洞衬砌混凝土采用P.O42.50水泥，该等级水泥强度52.50 MPa，碎石料粗集料回归系数取0.46，卵石粗集料回归系数取0.48，根据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

以中砂为细骨料，根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》要求，确定混凝土混合料塌落度为170 mm，则对应的用水量为215 kg；掺加引气减水剂后用水量为176.50 kg；根据规范，混凝土入泵塌落度应控制在100～140 mm；在大气温度10 ℃～20 ℃的环境下，掺加粉煤灰及减水剂并经时1 h 的混凝土塌落度损失值不超出5～25 mm。最终拟定的混凝土塌落度为170 mm。

3.2.1.3 水泥及砂石用量

根据相关规范及类似工程设计经验，经受高湿度及冻害的钢筋混凝土水泥用量至少为280 kg/m3，此工程衬砌混凝土中水泥用量为321 kg，故满足规范要求。通过体积法所求得的砂石用量分别为696 kg和1 293 kg。

3.2.1.4 砂率

结合砂率表，在水灰比取0.55时，最大粒径40 mm的碎石料及中砂采用插入法所确定的砂率值在30%～38%范围内；泵送混凝土砂率应不超出35%～45%，在粒径0.05 mm以下砂料含量不小于20%的情况下，应将砂率确定为35%。

3.2.2 实验室配合比确定

3.2.2.1 基准配合比

称量出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（粒径5～31.50 mm碎石连续级配），0.09 kg减水剂。将所称量好的原材料按设计要求拌和后进行和易性试验，试验结果显示的混合料保水性和粘聚性均较好，但塌落度仅为60 mm，为此，应在水灰比不变的情况下加水处理。当用水量和引气减水剂掺量增加30.20%时，混合料塌落度增大为148 mm，但仍不满足设计要求。此时混凝土混合料体积密度实测值为2 470 kg/m3。

将原材料用量调整为水泥、水、砂、粒径5～31.50 mm 碎石料、引气减水剂12.50、6.87、20.88、8.65、14.93、15.21、0.12 kg，则混合物总量为79.165 kg，根据所得混凝土混合料实测体积密度，可以得到水泥、水、砂、粒径5～10 mm 碎石料、粒径10～20 mm 碎石料、粒径20～40 mm 碎石料、引气减水剂等材料含量分别为390、214、651、1 211、3.90。在这种水泥浆量增大的情况下，混凝土混合料塌落度升高至168 mm，满足规范要求。

3.2.2.2 实验室配合比

分别按照0.50、0.55 和0.60 的水灰比制备三组混凝土试件，按要求养护28 d后展开抗冻、抗渗及强度试验，所得到的不同水灰比下混凝土试件强度分别为39.10、36.60、34.50 MPa。再结合抗渗试验和抗冻试验结果，最终确定的实验室配合比为水灰比0.55的基准配合比。

按照校正后的基准配合比混凝土材料用量，制备水灰比分别为0.42、0.47 和0.52 时的混凝土试件，按要求养护28 d 后展开抗冻、抗渗及强度试验。根据试验所得到的不同配合比混凝土结构强度分别为46.10、41.10 MPa 和35.20 MPa。综合考虑抗冻试验及抗渗试验结果，该灌区东扩工程二级总干渠1#隧洞衬砌混凝土水灰比最终取0.47。

4 结论

西范灌区东扩工程二级总干渠1#隧洞衬砌混凝土配合比试配时主要使用42.50普通硅酸盐水泥，混凝土28 d的抗压强度就已经达到56.70 MPa，表明该工程衬砌混凝土配合比较为合理。在施工过程中应充分考虑到施工环境、拌和及施工技术等对水泥强度的不利影响，合理调整材料用量；对于原材料品种及质量发生显著变化的情况，必须重新进行混凝土配合比设计。