張子艷，王永剛，薛惠娟

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 引 言

水工混凝土工程技術伴隨著工程建設的需要和科學技術的發(fā)展而不斷進步。近幾十年來，混凝土施工技術迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：混凝土原材料不斷改進，20世紀60年代以前，我國各水電站工程以使用天然砂石料為主，70年代烏江渡工程建成以灰?guī)r為料源的大型人工砂石料系統(tǒng)，產品質優(yōu)價廉。此后人工砂石料相繼為西南和中南地區(qū)一些大型水電工程所采用，本次研究中收集的近10年我國已建或在建的113個水電站工程約8 500個配合比樣本中有75%的工程采用人工砂石料；粉煤灰及其他摻合料在混凝土中的應用越來越廣，不僅可降低水泥用量，有利于溫度控制，而且可提高混凝土的耐久性、流動性、抗裂性和后期強度等性能；混凝土外加劑發(fā)展迅速且應用量日益擴大，混凝土摻加化學外加劑，可以改善其性能，并可節(jié)約水泥，提高施工效率，具有明顯的技術經濟效益，已成為混凝土不可缺少的組成部分。

水電工程混凝土配合比定額，是編制水電工程造價文件的重要參考性資料。現(xiàn)行的水電建筑工程概算定額(2007版)、水電建筑工程預算定額(2004版)中沒有相關的資料提供技術支持，給水電工程造價文件編制帶來一系列困難。目前，造價專業(yè)人員編制混凝土配合比單價時，混凝土中各材料用量主要參考原水力發(fā)電建筑工程概算定額(1997版)附錄中收錄的“混凝土砂漿配合比及材料用量”[1]，該定額的原始資料來源于1970-1980年的水利水電工程，相對陳舊、定額消耗量偏大、使用混凝土標號表示給使用帶來不便。另外，近年來，國家和相關行業(yè)頒布了不少新標準、規(guī)范和技術規(guī)程，使得“97附錄”已不能適應現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范等要求。

水電工程混凝土施工技術蓬勃發(fā)展，近年來新標準、規(guī)范和技術規(guī)程的頒布，使得與之相適應的混凝土配合比定額研究勢在必行。

1 工程數(shù)據(jù)的收集與整理

本次研究中收集的近10年我國已建或在建的113個水電站工程約2 520個流動性混凝土配合比樣本，經過研究除去樣本中參數(shù)不全或數(shù)據(jù)差異較大的樣本，可供研究使用的樣本為2 040個。

根據(jù)收集樣本，對水工混凝土配合比中原材料進行分析，根據(jù)分析結果并結合現(xiàn)行規(guī)范，對配合比中原材料的選擇如下。

1.1 水 泥

根據(jù)統(tǒng)計資料，流動性混凝土選用的水泥有普通硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥。其中普通硅酸鹽水泥約占81%，中熱硅酸鹽水泥約占18%，強度等級為42.5的水泥約占97%，強度等級為32.5和52.5的水泥約占3%。因此本次研究中主要選擇強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥進行研究。

1.2 粗骨料

根據(jù)收集到的工程實際數(shù)據(jù)，對流動性混凝土采用的粗骨料類型進行統(tǒng)計，從統(tǒng)計結果可以看出，實際工程中流動性混凝土絕大多數(shù)采用人工碎石，約占粗骨料的83%，其次為天然骨料，約占粗骨料的9%，混合料約占粗骨料的8%。因此，本次研究中以人工碎石作為混凝土粗骨料進行研究。

1.3 細骨料

砂子的質量與普通混凝土要求相同，細骨料對混凝土拌合物的可泵性有很大的影響。泵送混凝土要求選用粒徑級配良好的中砂。本次研究中收集的流動性混凝土配合比定額中砂的細度模數(shù)均為2.3～3.0，約有95%以上均采用中砂。

根據(jù)收集工程實際數(shù)據(jù)，對流動性混凝土采用的細骨料類型進行統(tǒng)計，從統(tǒng)計結果以看出，實際工程中，流動性混凝土中絕大多數(shù)采用人工砂，約占細骨料的83%，其次為天然砂，約占細骨料的9%，混合料約占細骨料的8%。因此，本次研究中以人工砂作為混凝土細骨料進行研究。

1.4 摻合料

根據(jù)工程實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計，流動性混凝土中80%以上都摻摻合料，其中以粉煤灰摻量最為普遍，因此，本章只考慮不摻摻合料和摻粉煤灰兩種情況對流動性混凝土進行研究。

1.5 外加劑

實際工程資料中，流動性混凝土配合比中外加劑類型主要是減水劑、引氣劑和泵送劑，從統(tǒng)計結果可以看出減水劑和引氣劑約占99%。

1.6 水

水質對水泥水化影響很大，所以在拌制流動性混凝土時，不能使用含有影響混凝土正常凝結和硬化的有害雜質或油脂類及糖類的水?？梢圆捎蔑嬘玫淖詠硭蚯鍧嵉奶烊凰?。拌制流動性混凝土所用的水，應該符合國家現(xiàn)行行業(yè)標準《混凝土用水標準》(JGJ63-2006)的規(guī)定。

2 水工流動性混凝土配合比定額編制方法

本研究中配合比材料消耗量確定遵循理論與實際相結合的辦法，簡單地說，就是以理論計算分析為基礎，其中配合比計算相關參數(shù)根據(jù)標準規(guī)范要求和工程實際資料來確定，從而得出混凝土配合比。

2.1 混凝土配合比設計方法

混凝土配置強度按公式(1)計算[2]。

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0為混凝土配制強度，MPa；fcu,k為混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值，MPa；t為概率度系數(shù)，由給定的保證率P選定，本次研究中P取95%，t取1.645；σ為混凝土立方體抗壓強度標準差，MPa，當設計齡期混凝土抗壓強度標準值為20～25 MPa時，混凝土抗壓強度標準差數(shù)σ為4.0 MPa。本論文研究中以C25混凝土為例，其值取4.0 MPa。

2.2 理論水膠比的計算

根據(jù)混凝土配置強度，按公式(2)計算理論水膠比[2]。

(2)

式中：W/B為混凝土水膠比；fcu,0為混凝土配制強度；aa、ab為回歸系數(shù)，骨料為碎石時，aa=0.53，ab=0.20；fb為膠凝材料28 d膠砂抗壓強度值，MPa，可按公式(3)計算。

fb=γfγcfce,g

(3)

式中：γf為摻合料影響系數(shù)，粉煤灰和?；郀t影響系數(shù)按表1取值；fce,g為水泥強度等級值；γc為水泥強度等級值的富余系數(shù)，42.5水泥的 取值為1.16。

表1 粉煤灰影響系數(shù)γf選用值Tab.1 The selection value of fly ash influence coefficient γf

2.3 膠凝材料用量的理論計算

在水膠比和用水量確定的基礎上，膠凝材料理論用量可根據(jù)公式(4)計算確定。

(4)

式中：mc為水泥用量；mw為用水量；W/B為水膠比。

2.4 骨料用量的確定

根據(jù)“質量法”原理，骨料用量計算過程見式(4)～式(6)。

砂石總質量：

ms,g=mc,e-(mw+mc+mp)

(5)

砂子用量：

ms=ms,gSm

(6)

石子用量：

mg=ms,g-ms

(7)

式中：ms,g為混凝土中砂、石總質量，kg/m3；mc,e為米混凝土拌合物質量，，kg/m3；mw為混凝土用水量，kg/m3；mc為混凝土水泥用量，kg/m3；mp為混凝土摻合料用量，kg/m3；ms為混凝土中砂子用量，kg/m3；mg為混凝土中石子用量，kg/m3；Sm為質量砂率。

3 配合比定額各參數(shù)的確定

3.1 強度等級

流動性混凝土配置強度按公式(1)進行計算，設計齡期按28 d考慮，抗壓強度保證率為95%。根據(jù)100多個工程實例的統(tǒng)計資料，流動性混凝土強度等級分布情況見表2。

表2 流動性混凝土強度等級統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of strength grade of fluidity concrete

由表2可見，流動性混凝土強度等級從C10～C55都有，其中C15～C40約占97%。普通混凝土強度等級一般有C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55[3]。因此，主要針對強度等級為C10～C50的混凝土進行研究，本論文中以C25為例進行研究。

3.2 坍落度

根據(jù)收集資料，對流動性混凝土坍落度進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表3。

由表3可見，流動性混凝土坍落度主要集中在140～180 mm，約占樣本總數(shù)的60%，其次為90～140 mm，約占樣本總數(shù)

表3 流動性混凝土坍落度統(tǒng)計表Tab.3 Slump statistics table of fluidity concrete

的24%，180～220 mm約占樣本總數(shù)的6%。結合《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T5330-2005)[4]和《混凝土泵送技術規(guī)程》(JGJ/T10-2011)[5]的規(guī)定，流動性混凝土配合比研究中選取的坍落度值分別為100～140、140～180、180～220 mm，本論文中以140～180 mm進行研究。

3.3 級 配

根據(jù)收集資料，對流動性混凝土級配進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表4。

表4 流動性混凝土級配統(tǒng)計表Tab.4 Gradation statistics table of fluidity concrete

注：3級配中有130個樣本坍落度小于140 mm。

由表4可見，實際工程中流動性混凝土絕大多數(shù)采用一、二級配，其中泵送混凝土中一、二級配約占98.5%，三級配混凝土主要用于溜槽施工中，因此，流動性混凝土配合比定額中三級配的混凝土適用于溜槽混凝土。結合規(guī)范要求，泵送混凝土只考慮一、二級配。

3.4 水膠比

在其他條件不變的情況下，混凝土水膠比的大小直接影響混凝土的強度和耐久性，如美國混凝土學會(ACI)提出的混凝土強度與水膠比的大致關系如表5所列值[6]。水膠比、強度和可泵性對泵送混凝土來說存在著互相制約的因素。因此，泵送混凝土配合比最重要的，就是根據(jù)強度和可泵性來考慮水膠比。一般來說，水膠比大，對泵送有利，但硬化后混凝土的強度仍然取決于水膠比。

表5 混凝土強度與水膠比關系表Tab.5 Relationship between concrete strength and water-cement ratio

水膠比與泵送混凝土在管道中流動的阻力有關，具體關系如圖1。由圖1可以表明，其流動阻力隨著水膠比的減小，稠度降低而增加，在此情況下，其臨界水膠比為0.45，當?shù)陀谶@個數(shù)值時阻力顯著增加[6]。

圖1 水膠比對混凝土拌合物流動阻力的影響Fig.1 Water-cement ratio on the impact of flow resistance of oncrete mixtures

《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T5330-2005)規(guī)定，泵送混凝土水膠比不宜大于0.60。

根據(jù)統(tǒng)計資料可見，混凝土強度等級與水膠比成反比關系，強度等級越高，水膠比越小，流動性混凝土水膠比分布見圖2。

圖2 流動性混凝土水膠比分布圖Fig.2 Distribution of water-cement ratio of fluidity concrete

由圖2可以看出，流動性混凝土的水膠比基本集中在0.30～0.60之間，其中0.45左右最多，統(tǒng)計結果也驗證了圖1的結論。

根據(jù)統(tǒng)計資料，流動性混凝土80%以上都摻有摻合料且絕大多數(shù)為粉煤灰。規(guī)范要求，摻摻合料時混凝土的水膠比要適當降低，具體如何根據(jù)不同摻量調整水膠比，規(guī)范并沒有一個具體的方法。英國Dunstan教授[7]提出了一種新的理念，把粉煤灰作為一種獨立的組分，通過大量試驗，將粉煤灰對混凝土強度的貢獻和水泥的貢獻分離，建立強度-水膠比-粉煤灰摻量的三維關系。從Dunstan三維模型上“截”出一個平面來，平面上曲線的任意一點代表著不同水膠比、不同粉煤灰摻量的一系列等強度的拌合物，可以看出：在等強度面上，當粉煤灰混凝土強度一定時，粉煤灰的摻量越大，水膠比就越小。從公式(2)也可以看出，隨著摻合料摻量的增加，水膠比降低。本章研究中，以實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，理論計算水膠比為參考，對實際數(shù)據(jù)進行適當?shù)男拚?，最終確定的水膠比如表6。

表6 流動性混凝土水膠比Tab.6 Water-cement ratio of fluidity concrete

3.5 用水量

《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T5330-2005)的規(guī)定，流動性混凝土的初選用水量是在常態(tài)混凝土坍落度為90 mm用水量的基礎上，按坍落度每增大20 mm用水量增加5 kg/m3來計算，計算出未摻外加劑時流動性混凝土用水量見表7。

表7 流動性混凝土初選用水量Tab.7 Primary water consumption of fluidity concrete

對實際工程數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)流動性混凝土一般都摻減水劑和泵送劑，因此，本章研究中按摻減水劑和泵送劑考慮，在保持流動性及水膠比不變的條件下，摻減水劑后流動性混凝土初選用水量見表8。

表8 摻減水劑后流動性混凝土初選用水量Tab.8 Primary water consumption of fluidity concreteafter adding water reducing agent

由表8可見，流動性混凝土的用水量與坍落度、骨料最大粒徑有關，同級配情況下，坍落度越大用水量越大，同坍落度情況下，用水量隨級配的增大而減小。

根據(jù)工程實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果，可以看出用水量與坍落度和級配有關，同級配情況下，用水量隨坍落度的增大而增大，同坍落度的情況下，用水量隨級配的增加而降低。一級配混凝土用水量集中在160～180 kg/m3，二級配混凝土用水量集中在140～170 kg/m3左右。

從圖3可以看出，用水量與砂率有關，砂率增大用水量隨著增大，泵送混凝土的砂率主要集中在30%～50%之間。

圖3 用水量與砂率關系Fig.3 Relationship between water consumption and sand ratio

結合工程實際和規(guī)范要求，綜合確定的流動性混凝土用水量見表9。

3.6 膠凝材料用量

泵送混凝土最小水泥用量按日本建筑學會《泵送混凝土施

表9 流動性混凝土用水量Tab.9 Water consumption of fluidity concrete

工法規(guī)程》規(guī)定應不低于280 kg/m3，見表10[6]。

表10 泵送混凝土最小水泥用量Tab.10 The least cement consumption of pumping concrete

由表10可見，輸送管道內徑大小與水泥用量成反比，輸送管水平距離長度與水泥用量成正比。

在我國，《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T5330-2005)和《混凝土泵送技術規(guī)程》(JGJ/T10-2011)規(guī)定，膠凝材料用量不宜低于300 kg/m3。收集資料統(tǒng)計的流動性混凝土中膠凝材料用量小于280 kg/m3的樣本數(shù)量約占樣本總量的14%，大于等于280 kg/m3的樣本約占樣本總量的86%。

根據(jù)工程實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計，流動性混凝土中80%以上都摻摻合料，其中以粉煤灰摻量最為普遍，因此，本章只考慮不摻摻合料和摻粉煤灰兩種情況對流動性混凝土進行研究。

圖4 粉煤灰摻量分布圖Fig.4 Distribution of fly ash content

從圖4可以看出，流動性混凝土粉煤灰摻量在20%～30%時樣本數(shù)量最多，大于40%的樣本數(shù)量比較少，因此根據(jù)統(tǒng)計結果并結合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》(DL/T5055-2007)要求，流動性混凝土研究中，以粉煤灰摻量0、10%、20%、30%、40%為研究范圍。

3.7 砂 率

泵送混凝土的砂率比非泵送混凝土高7%～8%[6]，比較高的砂率是保證大流動性混凝土不離析，少泌水及具有良好的成型和運輸性能的必要要求，《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T5330-2005)和《混凝土泵送技術規(guī)范》(JGJ/T10-2011)規(guī)定，泵送混凝土的砂率宜為35%～45%。

《水利水電工程施工手冊(第3卷混凝土工程)》[8]中對砂率的要求見表11。

表11 砂率選用參考值Tab.11 Selection of sand rate reference value

由表11可見，泵送混凝土的砂率不宜低于40%。

3.8 拌合物質量

本課題主要以灰?guī)r為主，研究不同級配時流動性混凝土拌合物質量。

將實際收集的結構混凝土原始配合比數(shù)據(jù)按級配和巖性進行分類整理，對不同級配下灰?guī)r的拌合物質量進行統(tǒng)計分析，得出級配與拌合物質量的關系，隨著級配的增大，拌合物質量呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。

依據(jù)上述規(guī)律及實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出流動性混凝土拌合物質量參考值，見表12所示。

表12 流動性混凝土拌合物質量參考值Tab.12 Quality reference value of fluidity concrete

3.9 粗細骨料用量

在膠凝材料用量及拌合物質量已經確定的情況下，根據(jù)公式(5)可計算出粗細骨料總重量。在砂率已知的情況下，根據(jù)公式(6)計算砂石骨料中砂的用量。最后，根據(jù)公式(7)計算砂石骨料中石子的用量。

3.10 外加劑用量

從統(tǒng)計資料可以看出，實際工程中以高效減水劑為主，約占減水劑總樣本數(shù)的90%，因此流動性混凝土外加劑主要考慮高效減水劑和引氣劑，綜合摻量按膠凝材料的0.75%考慮。

4 配合比定額及其測算對比

4.1 流動性混凝土配合比定額

通過對流動性混凝土原材料及配合比參數(shù)的分析研究，最終確定流動性混凝土原材料及配合比計算參數(shù)選擇如下。

(1)原材料選擇。水泥：普通硅酸鹽水泥；粗骨料：碎石，粒徑劃分為大石(80～40 mm)、中石(40～20 mm)、小石(20～5 mm)；細骨料：中砂；摻合料：粉煤灰，摻量從0～40%。

(2)配合比參數(shù)選擇。強度等級：C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50 9個等級；坍落度：100～140，140～180，180～220 mm；級配：一級配、二級配、三級配；水膠比、用水量、砂率、拌合物質量、外加劑根據(jù)實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果確定。

通過上述分析統(tǒng)計，并利用式(1)～式(7)計算流動性混凝土配合比中各種材料的用量，共得出流動性混凝土配合比定額287個。

流動性混凝土在配合比參數(shù)不同時分析計算的方法基本相同，由于篇幅限制，以下僅給出強度等級為C25，坍落度為140～180 mm的流動性混凝土配合比定額研究成果，見表13。

表13 流動性混凝土配合比定額Tab.13 Mix proportion of quota of fluidity concrete

4.2 流動性混凝土配合比定額測算對比

將本次研究中得出的配合比定額與“97附錄”進行對比，為了做到同口徑對比，兩者定額采用相同材料預算價格和材料種類。由于本次研究以普硅水泥42.5、人工中砂、人工碎石為基礎，所以應根據(jù)“97附錄”的換算表，對“97附錄”中水泥強度等級、粗砂、卵石等進行換算后進行對比，對比結果見表14和表15。

表14 流動性混凝土配合比定額(強度等級C25)材料消耗量對比表Tab.14 The material consumption comparison table of mixproportion of quota of fluidity concrete(strength grade C25)

表15 流動性混凝土配合比定額(強度等級C25)材料費用對比表Tab.15 The material cost comparison table of mix proportionof quota of fluidity concrete(strength grade C25)

由表14可以看出，本次研究得到的混凝土配合比與“97附錄”配合比相比，由于外加劑的發(fā)展及用量的增加，使得外加劑用量增幅較大，增幅約為200%，外加劑的使用節(jié)約了水泥用量，使得水泥和水的用量有所下降，降幅分別為8%和15%左右； 對于一級配混凝土，中砂用量減少，降幅約為8%，由于拌合物質量一定，碎石用量增加，增幅約為12%；對于二級配混凝土，中砂用量略有增加，增幅約1%，碎石用量略有降低，降幅約為0.5%。

由表14、15可見，總體上來說，本次定額比“97附錄”水泥用量減少較多，骨料用量有所增加，外加劑增幅較大，拌合物總質量普遍降低。拌合物材料總費用也基本呈降低趨勢。

5 主要結論及建議

5.1 主要結論

(1)根據(jù)收集到的配合比資料，建立工程數(shù)據(jù)庫，并采用數(shù)理統(tǒng)計方法對原始數(shù)據(jù)進行整理與剔除，收集的資料具有地域廣闊性、設計唯一性、骨料巖性及混凝土種類多樣性等特點，為本次水工混凝土配合比研究，以及原材料和環(huán)境條件變化時混凝土配合比的調整等提供了豐富的參考資料。

(2)在統(tǒng)計基礎上，總結了流動性混凝土的常用配合比參數(shù)，并依據(jù)分析結果確定其強度等級、坍落度、級配、水膠比、粉煤灰摻量等參數(shù)的取值區(qū)間。

(3)配合比計算。采用確定的水膠比、用水量、砂率、拌合物質量等參數(shù)，結合理論計算方法對流動性混凝土配合比中各種材料用量進行計算，得出配合比定額287個。

(4)定額測算。將確定的配合比定額與對應的“97附錄”分別進行材料耗量、定額單價測算分析。測算結果表明，本研究中確定的配合比材料耗量與“97附錄”相比，水泥用量減少趨勢明顯，如混凝土中水泥用量減少約8%。另外，由于近年來混凝土技術的發(fā)展，混凝土中摻加外加劑的品種及比例都發(fā)生了巨大變化，本次統(tǒng)計樣本中外加劑摻量是“97附錄”中外加劑用量的3～4倍，甚至更多。在用量差異較為懸殊的情況下，對混凝土造價成本也造成了一定的影響。

上述研究成果是對“97附錄”調整系數(shù)的進一步修正、完善與補充。這一方面有利于造價專業(yè)人員在編制水工混凝土單價時根據(jù)設計要求選取相應的定額，另一方面也有利于將設計意圖更為準確合理地體現(xiàn)在工程造價中，使工程概預算結果更好地反映工程實際。

5.2 建 議

本論文研究了流動性混凝土配合比定額的特點、編制原理、編制方法及主要參數(shù)，形成了《水電工程流動性混凝土配合比定額》研究成果，建議進一步推進各類混凝土配合比的研究及成果的推廣應用，以便工程造價人員更好地估算工程投資，反映工程的實際情況。

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[1] 中華人民共和國電力工業(yè)部.水力發(fā)電建筑工程概算定額[M].1997.

[2] DL/T 5057-2009，水工混凝土結構設計規(guī)范[S].

[3] 馬成功. 泵送普通混凝土配合比優(yōu)化研究[D].銀川:寧夏大學.2014.

[4] DL/T5330-2005，水工混凝土配合比設計規(guī)程[S].

[5] JGJ/T10-2011，混凝土泵送技術規(guī)程[S].

[6] 張應立. 現(xiàn)代混凝土配合比設計手冊[M]. 北京:人民交通出版社，2002.

[7] Dunstan M R H. Fly Ash as the 'Fourth Ingredient'in Concrete Mixtures[J]. Special Publication, 1986:171-200.

[8] 《水利水電工程施工手冊》編委會. 水利水電工程施工手冊-第3卷(混凝土工程)[M]. 北京：中國電力出版社，2005.