第二节 混凝土性能指标及配合比
一、混凝土性能指标
渠道衬砌混凝土的性能指标不应低于表1－2－17的规定。严寒和寒冷地区的冬季过水渠道的抗冻等级应比表内数值提高一级。
表1－2－17 混凝土性能指标的允许最小值
注 严寒地区为最冷月平均气温低于－10℃；寒冷地区为最冷月平均气温不低于－10℃但不高于－3℃；温和地区为最冷月平均气温高于－3℃。
二、混凝土配合比设计
（一）设计要求
混凝土配合比是指各组分材料的数量比例。设计混凝土配合比的任务，就是要根据原材料技术性能及施工条件，确定出能满足工程要求的各项技术经济指标的各组分用量。大、中型渠道防渗工程混凝土的配合比应通过试验确定，小型渠道混凝土配合比，可参照当地类似工程的经验采用。
工程对混凝土提出的要求主要包括：满足混凝土结构设计的强度要求；使混凝土拌和物具有与施工条件相一致的和易性；满足工程所处环境条件的耐久性要求；做到节约水泥和降低成本。
在混凝土配合比设计中，应遵循的原则是：①在满足和易性的条件下，力求单位用水量最小；②根据混凝土防渗结构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，选择尽可能大的石子粒径（最大粒径不得大于衬砌防渗层厚度的1/3～1/2）和最多用量；③应选择空隙率较小的砂石级配，同时也要考虑料场的天然级配，尽量减少弃方；④优先考虑采用优质、经济的粉煤灰混合材和外加剂等。
（二）设计步骤
配合比设计的方法很多，但基本上大同小异，其主要步骤可归纳如下：
（1）估算初步配合比（利用经验公式、经验图表等进行初步估算）。
（2）试拌调整，得出供检验强度及耐久性用的基准配比（满足和易性要求的配合比）。
（3）进行混凝土强度及耐久性等检验，确定混凝土的配合比（满足各项设计指标的配合比）。
（三）配比参数的确定
1.混凝土配制强度的确定
混凝土设计抗压强度系指按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在达设计龄期时，用标准试验方法测得的具有设计保证率的抗压强度，以MPa计。混凝土配制强度按式（1－2－1）计算：
表1－2－18 保证率和保证率系数的关系
混凝土抗压强度标准差σ，宜按同品种混凝土抗压强度统计资料确定。统计时，混凝土抗压强度试件总数应不少于30组。根据近期相同抗压强度、生产工艺和配合比相同的混凝土抗压强度资料，混凝土抗压强度标准差σ按式（1－2－2）计算：
当混凝土设计抗压强度不大于25MPa，其抗压强度标准差（σ）计算值小于2.5MPa时，计算配制抗压强度用的标准差应不小于2.5MPa；当混凝土设计抗压强度不小于30MPa、抗压强度标准差计算值小于3.0MPa时，计算配制抗压强度用的标准差应取不小于3.0MPa。
当无近期同品种混凝土抗压强度统计资料时，σ值可按表1－2－19取用。施工中应根据现场施工时段强度的统计结果调整σ值。
表1－2－19 标准差σ选用值 单位：MPa
混凝土配合比计算应以饱和面干状态骨料为基准。
2.选定水胶比（或水灰比）
水胶比为骨料在饱和面干状态下的混凝土单位用水量与胶凝材料用量的比值，胶凝材料用量为每立方米混凝土中水泥与混合材重量的总和，应根据配制强度和耐久性选定。
（1）根据配制强度选择水灰比。在水泥用量一定的条件下，混凝土强度与水胶比的倒数即胶水比［（c＋p）/w］成直线关系。在适用范围内，可选用3～5个灰水比，在一定条件下通过试验，建立强度与胶水比的关系式或图表。根据强度与胶水比关系，选择与配制强度相适应的水灰比。
表1－2－20 A、B系数参考值
根据工程需要，通过试验也可确定混凝土各龄期强度发展系数，即在标准养护条件下，其他指定龄期的强度与28d强度之比。如无试验资料时，可参考表1－2－21选用。
表1－2－21 混凝土各龄期强度发展系数
注 1.本表为标准条件养护。
2.表列数值适用于C30及C30以下的混凝土。
（2）根据设计要求的抗渗、抗冻等级选择水灰比。混凝土抗渗等级及抗冻等级与水泥品种、水灰比、混凝土龄期、外加剂及混合材的品种、掺量等因素有关，应通过试验建立相应的试验成果关系式或图表，以选择水灰比。在没有试验资料时，可参考表1－2－22和表1－2－23选择水灰比。
表1－2－22 抗渗等级与水灰比关系
注 未掺混合材和外加剂。
表1－2－23 抗冻等级允许的最大水灰比
注 有抗冻要求的混凝土，建议优先采用引气剂和普通硅酸盐水泥配制的混凝土。
（3）最后选定的水灰比应既能满足配制强度的要求，又能满足抗渗、抗冻等耐久性的要求，同时还必须符合水工混凝土施工规范对混凝土最大水灰比允许值（见表1－2－24）的规定。
表1－2－24 混凝土水胶比的允许最大值
3.选取混凝土用水量
影响用水量的因素较多，应根据石子最大粒径、坍落度和外加剂以及选定的砂率通过试拌确定。
混凝土的坍落度，可参照表1－2－25选定，在满足施工和易性要求的前提下，尽可能采用较小的坍落度。混凝土用水量可参考表1－2－26选用。
4.选取最优砂率
最优砂率应根据骨料品种、品质、粒径、水胶比和砂的细度模数等通过试验选取。表1－2－27所列数值可供初选时参考。
表1－2－25 不同浇筑部位入仓混凝土的坍落度 单位：mm
注 1.低温季节施工时，坍落度宜适当减小；高温季节施工时，坍落度宜适当增大。
2.采用衬砌机施工时，坍落度不宜大于30～50mm。
表1－2－26 混凝土用水量初选表 单位：kg/m3
注 1.表中值适用于天然中砂和普通水泥拌制的混凝土；用人工砂时，用水量宜增加5～10kg/m3；
2.用火山灰水泥时，用水量宜增加15～20kg/m3；
3.用细砂时，用水量宜增加5～10kg/m3；
4.用减水剂时，用水量宜减少10～20kg/m3。
表1－2－27 混凝土砂率初选表
注 1.本表适用于细度模数为2.6～2.8的天然中砂拌制的混凝土。
2.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%。
3.使用碎石时，砂率需增加3%～5%。
4.使用人工砂时，砂率需增加2%～3%。
5.掺用引气剂时，砂率可减小2%～3%；掺用粉煤灰时，砂率可减小1%～2%。
5.粉煤灰掺量（F）
渠道衬砌混凝土掺用粉煤灰多采用超量掺入法，粉煤灰取代水泥率及超量系数分别见表1－2－28及表1－2－29，用32.5MPa水泥时取表中下限值，用42.5MPa水泥时取表中上限值；C20以上混凝土宜用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰；C15以下混凝土可以用Ⅲ级粉煤灰。小型渠道粉煤灰掺量可按表1－2－30直接取用。
（四）混凝土配合比的计算
1.混凝土的胶凝材料用量计算
混凝土的胶凝材料用量（mc＋mp）、水泥用量mc和掺和料用量mp分别按式（1－2－4）、式（1－2－5）和式（1－2－6）计算：
表1－2－28 粉煤灰取代水泥百分率βc
表1－2－29 粉煤灰超量系数
2.砂、石料用量计算
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。
每立方米混凝土中砂、石的绝对体积按式（1－2－7）计算：
表1－2－30 粉煤灰掺量
注 粉煤灰掺量为粉煤灰占水泥与粉煤灰总重的百分数。
砂料用量按式（1－2－8）计算：
石料用量按式（1－2－9）计算：
各级石料用量按选定的级配比例计算。
表1－2－31 新浇混凝土表观密度ρh及含气量α参考值
3.列出混凝土各组成材料的计算用量和比例
根据以上计算的结果，列出混凝土各组成材料的计算用量和比例，作为所设计的混凝土配合比进行试配的基本依据。
（五）混凝土配合比的试配和调整
1.试配
在混凝土配合比试配时，应采用工程中实际使用的原材料。在混凝土试配时，每盘混凝土的最小拌和量应符合表1－2－32的规定，当采用机械拌和时，其拌和量不宜小于搅拌机额定拌和量的1/4。
表1－2－32 混凝土试配的最小拌和量
按计算的配合比进行试拌，根据坍落度、含气量、泌水、离析等情况判断混凝土拌和物的工作性，对初步确定的用水量、砂率、外加剂掺量等进行适当调整。用选定的水胶比和用水量，变动4～5个砂率（每次增减砂率1%～2%）进行试拌，坍落度最大时的砂率即为最优砂率。用最优砂率试拌，调整用水量至混凝土拌和物满足工作性要求。然后提出混凝土试验用配合比。
混凝土强度试验至少应采用3个不同水胶比的配合比，其中一个应为确定的配合比，其他配合比的用水量不变，水胶比依次增减，变化幅度为0.05，砂率可相应增减1%。当不同水胶比的混凝土拌和物坍落度与要求值的差超过允许偏差，可通过增减用水量进行调整。
根据试配的配合比成型的混凝土立方体抗压强度试件，按标准养护到规定龄期进行抗压强度试验。根据试验得出混凝土抗压强度与其对应的水胶比关系，用作图法或计算法求出与混凝土配制强度（fcu，0）相对应的水胶比。
2.调整
根据试配结果，计算出混凝土各组成材料用量和比例。并按下列步骤进行调整。
（1）计算每立方米混凝土拌和物的质量。按确定的材料用量由式（1－2－10）计算每立方米混凝土拌和物的质量：
（2）计算混凝土配合比校正系数。按式（1－2－11）计算混凝土配合比校正系数：
（3）按校正系数δ对配合比中每项材料用量进行调整，即为调整的设计配合比。在调整中应该注意的是，当混凝土有抗渗、抗冻和其他技术指标要求时，应该用满足抗压强度要求的设计配合比进行相关性能试验。如不满足要求，应对配合比进行适当调整，直到满足设计要求；在使用过程中，若对混凝土性能指标要求有变化，或混凝土原材料品种、质量有变化时，应重作调整或重新进行配合比设计。