水泥混凝土配合比设计及强度检测分析

0 引言

水利工程对水泥混凝土质量要求较高，不仅需要具备良好的耐久性，还应拥有良好的抗渗漏和防冻性能。由于混凝土在水和冰共同作用下，会产生较大的膨胀压力，导致混凝土的内部结构损坏，通常情况下，其体积膨胀率可以达到9%，甚至更高。因此，混凝土配比过程中，应充分考虑到环境、使用因素，对混凝土质量产生的影响，以确保混凝土质量符合标准。

1 混凝土配比设计及要求

水利工程的混凝土配比应重点考虑材料的选择，可选择水泥类型包括快速硬化和快速强化型两种，配比中可添加速凝剂，且大体积混凝土应考虑到水热化反应对混凝土质量产生的影响。混凝土配比的原材料包括水泥、水、骨料等，配比应满足JGJ55文件中的相关规定，结合混凝土的强度等级、工作环境，以确定混凝土配比质量。

通常情况下，水利工程混凝土水灰比应满足0.6的标准要求，强度等级应满足P32.5以上的标准，水泥用量应控制在300kg/m³以上，不掺杂外加剂的情况下，砂率应按照普通标准降低2.5%左右。骨料应满足JGJ53文件中的要求，并确保骨料内不含有有机物，应满足JGJ63文件中的要求，避免搅拌水对水泥凝结和硬化产生影响。某工程水利工程建筑物建筑过程中，构筑物位于水中，按照相关标准，相关技术人员开展混凝土配比设计，并对相关材料的性能检验，以下详细阐述水泥混凝土配合比情况。    

2 混凝土配比设计与试验

2.1 水泥

混凝土配比粗骨料应满足二级配的标准要求，坍落度应控制在60mm以内，添加引气减水剂，类型为WT。水泥使用普通硅酸盐水泥，其强度等级设计满足P42.5的要求。试验人员在配比设计中，对水泥的物理性能加以明确，使用煮沸法对水泥安定性检验，以确保水泥的质量符合GB175-2007文件中的标准要求，具体水泥的物理性能参数如表1所示。

依据相关标准，水利工程项目中水泥材料的抗折强度在3d时间内应满足3.5MPa以上的基本要求，在达到28d时应满足6.5MPa以上的标准要求。3d抗压强度应满足17MPa以上要求，28d应达到42.5MPa以上的要求。试验结果表明，混凝土配比中所使用的水泥质量满足标准。

2.2 细骨料

混凝土配比中所掺杂的细骨料应满足级配良好的标准，且砂石的质地应减轻，不会使得混凝土出现离析、泌水等问题。沙子选择不宜过粗或者过细。对细骨料筛分处理，其应满足4.75mm筛孔过程中累计筛余量在10%以内的标准，0.3mm筛孔尺寸下累计筛余量在92%以内的标准。选择使用的砂石细骨料细度模数达到2.5以上。在确保细骨料级配合格以及细度模数合格的前提下，对细骨料性能试验，计算细骨料的表观密度及含泥量，具体测试结果如表2所所示。    

依据相关标准，细骨料的性能指标应满足表观密度在2.5g/cm³以上的标准要求，且堆积密度应满足1350kg/m³以上的要求。检验结果中，应确保材料中不含有泥块，坚固物以及硫化物等。

2.3 粗骨料

本案例配比使用粗骨料级配应满足二级的标准要求，即要求粗骨料材料的最大粒径应在40mm以内。配比中，粗骨料的选择会直接影响到水泥混凝土的耐久性，经过性能试验之后，其表观密度应满足2.55g/cm³以上的要求，且堆积密度应满足1350kg/m³以上的标准要求。对其试验，确定粗骨料的实际性能，即具体性能指标如表3所示。

检验结果表明，各性能参数指标均满足质量标准，其吸水率满足2.5%以下的基本要求，压碎指标满足12%以内的标准。

2.4 外加剂

在混凝土配比中，外加剂的主要作用是改善混凝土的和易性，以确保混凝土强度和耐久等指标满足要求。外加剂由专门厂家提供，使用WT引气减水剂，该材料掺入到混凝土中，能够有效提高混凝土的抗冻性能。    

2.5 配比参数

试验过程中，依据《水工混凝土试验规程》文件中的要求，预先准备好试验过程中所需的相应设备，实施相关材料比例的选择。水灰比是混凝土配比设计的核心关键，水灰比应满足0.5以上的基本要求，且在对粗骨料最优组合比计算过程中，中等粒径石头与小粒径比例的石头含量应满足3:2的标准，以确保混凝土材料振实密度最大。混凝土配比中的砂率控制，则是影响混凝土和易性的关键指标，其砂率应控制在30%左右。混凝土的坍落度和用水量也应严格控制，结合工程项目的实际情况，适当对水量进行调整，坍落度则应控制在60mm以内。经过配比试验后，确定混凝土最佳配比，以确保材料的性能符合标准要求。具体混凝土配比参数如表4所示。

基于上述配比，确定混凝土具体参数，为了进一步了解混凝土的整体强度指标是否满足水利工程项目建设的实际要求，对混凝土的质量与性能进行试验。

3 混凝土强度检测及结果分析

3.1 标准试件制备

混凝土强度检验以标准试件为主，将混凝土按照设计配比加工成为150mm³的立方体。试验过程中分别对配比后混凝土材料的力学性能、耐久性能、形变性能、抗裂性能以及抗渗和抗冻融性能进行试验。试验分别使用不同的方法，且在强度试验检测过程中严格依据《水工混凝土试验规程》文件中的要求，控制标准试件的养护环境，在室内进行养护，且当达到试验时间时，则进行混凝土的综合强度检验，记录检验结果。    

3.2 力学性能

水泥混凝土力学性能试验则检验混凝土的抗拉强度和抗压强度。采用立方体压缩试验方法，记录其在不同外力作用下的强度指标，抗拉强度试验则采用直接拉伸试验方法。立方体压缩试验的机理是通过施加垂直压力来使混凝土内部的颗粒间产生剪切应力，导致混凝土的破坏。在加载过程中，混凝土逐渐发生塑性变形和压实，直到达到最大荷载时发生破坏。技术人员通过测量荷载和样品尺寸，可记录混凝土的抗压强度。立方体试验中配置的标准试件尺寸为150mm x 150mm x 150mm，试验样品经过养护处理后，技术人员将其放置在压力加载机上，对样本施加垂直压力，并逐渐增加荷载，直到样品破坏。直接拉伸试验与压缩试验基本原理极大值相同，两种力学性能试验方法均利用相关的机械工具。在混凝土养护阶段，分别在第7d、第28d试验混凝土的力学性能，具体混凝土的抗压强度、抗拉参数如表 5所示。

   

强度检验结果表明，混凝土的抗压强度和抗拉强度较好，在第28d满足42.5MP的基本要求，且抗拉强度满足3MPa的标准要求，弹性模量满足25GPa以上的标准要求，混凝土力学性能良好。

3.3 耐久性能

耐久性能是影响水利工程结构安全性和使用寿命的核心关键。考虑到环境对混凝土耐久性产生的影响，避免水工环境下出现冻害等问题。对混凝土进行抗冻融性能试验和抗渗性能试验。由于混凝土用于水利工程，处于水闸、渡槽等区域中，在混凝土拌和处理过程中，会使得水泥产生水化反应，完全水化所需水量大致为水泥质量的20%左右，但通常会存在剩余水量。此外，由于水泥混凝土在硬化的过程也会产生孔隙，会成为水迁移的主要通道，尤其是在水中含有大量有机物的情况下，会使得混凝土出现溶解、腐蚀等问题，长此以往使得混凝土出现损坏。因此，在试验过程中，将混凝土进入到硫酸镁溶液之中，浸泡两个月之后，判断其抗劈拉强度。

抗冻融性能试验过程中，将标准试样放置在融循环试验机中，通过循环施加冻结和解冻的环境条件，观察和测量样品的质量损失、抗压强度变化、表面剥落等指标。模拟混凝土在冻结和解冻过程中发生的体积膨胀和收缩，评估混凝土抵抗冻融循环引起的损伤能力。在解冻过程中，水从冰态转变为液态，体积收缩，导致混凝土内部产生拉应力。渗透试验的机理是通过施加一定压力下的渗透介质，模拟混凝土在实际使用中受到的水压力，评估混凝土的抵抗渗透能力。在试验中，混凝土的孔隙和毛细孔隙会受到渗透介质的作用，如果混凝土的孔隙结构较密实，渗透介质的流量和渗透深度会较小，渗透系数也会较低。具体测试结果如表6所示。    

由表6可知，水泥混凝土的耐久性能良好，能够满足水利工程项目中混凝土的抗冻、抗渗漏、耐腐蚀性基本要求。

3.4 变形性能

对混凝土变形性能进行强度检验过程中，分别使用干缩试验、极限拉伸试验、泊松比试验方法。干缩试验的机理是通过模拟混凝土在干燥环境中失去水分而发生的收缩现象，评估混凝土的体积稳定性能。在干燥过程中，混凝土内部的水分逐渐蒸发，导致孔隙结构收缩，从而引起混凝土的体积收缩。技术人员通过测量样品的尺寸变化，可以评估混凝土的干缩性能。极限拉抻值试验的机理是通过施加拉伸力来评估混凝土的抗拉强度和延伸性能。在加载过程中，混凝土会发生塑性变形和拉伸，直到达到最大荷载时发生破坏。技术人员通过测量和记录试验过程中荷载和样品尺寸，可以计算出混凝土的极限拉伸值。在极限拉伸试验过程中，使用圆柱体样本做试验，以确保试验的标准性。泊松比试验的机理是通过施加压力来评估混凝土的应变特性和变形性能。在加载过程中，混凝土会发生径向和轴向应变，试验人员通过测量应变的变化，计算混凝土泊松比。具体混凝土强度试验结果如表7所示。    

依据相关指标，混凝土在28d时干缩率满足0.05%以内的基本要求，且极限拉抻值满足1×10-4的标准，泊松比满足0.2左右的基本要求。因此，该配比下水泥混凝土抗变形性能良好。

3.5 抗裂性能

抗裂性能试验则依据抗裂指数加以计算，在计算过程中，根据混凝土的抗拉强度、极限拉伸值、弹性模量、干缩率，能够计算出混凝土的抗裂性能，但该方法与实际情况存在差异，未考虑环境对混凝土的抗裂性能会产生不同的影响，本项目基于相应三点弯曲试验，进行混凝土抗裂性能强度检测。三点弯曲试验是通过施加弯曲力矩，评估混凝土的抗裂性能。在加载过程中，混凝土内部会发生剪切和拉伸应力，如果混凝土的韧性较好，则能够抵抗裂缝的扩展。试验人员通过观察和测量样品的裂缝形态和宽度，能够评估混凝土的抗裂性能。具体三点弯曲梁双K断裂参数计算结果如表8所示。

由表8可知，三点弯曲梁双K断裂参数结果良好，水泥混凝土的断裂韧度较大，对外界能量具有较强的吸收能力，具有良好可拓展性能。

4 结论

综上所述，水泥混凝土配比设计是确保混凝土性能指标的前提基础，相关技术人员应明确各个材料在混凝土中的组分含量，并采取适宜的检测方法，以确保混凝土的强度符合标准。同时，由于本案例中的混凝土应用到水利工程中，充分考虑水和冰对混凝土强度的影响，进行混凝土冻融环境下的耐久性评定，以减少冷害、水流对混凝土强度产生的影响。