七臺河市汪清水庫塑性混凝土配合比設計研究

趙金柱，徐 爽，葛 贏

(1.黑龍江省水利第一工程處，黑龍江富裕161200;2.黑龍江省北方水利水電工程監理有限公司，哈爾濱150080;3.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

汪清水庫位于倭肯河一級支流挖金別河(又稱汪清河)中游，七臺河市北約18 km處，集水面積為185 km2，占流域總面積的65%。為已建水庫，原壩長630 m，壩頂寬5 m，壩頂高程約190.4 m。原設計正常蓄水位187.54 m，相應庫容921萬m2，設計洪水位188.33 m，校核洪水位189.02 m，相應庫容1 142萬m3，設計滿足下游333.3 hm2水田灌溉的用水。2009年11月13日汪清水庫消險增容擴建工程正式開工，主要建設項目包括土壩、新建溢洪道、新建輸水涵管、壩下交通橋及公路等土建、金屬結構與機電設備、大壩安全自動監測系統、水文自動測報系統等，其中中國水利水電基礎工程局承擔了土壩塑性混凝土截滲墻的工程施工。

2 塑性混凝土特點

工程實踐中發現普通混凝土防滲墻存在不少缺陷:彈性模量高、允許變形小、應力集中于墻體、易產生裂縫;墻體與周圍土體沉陷差別大，與基礎部位連接困難;原材料耗費大，工程造價高;圍堰施工程序復雜，特別是在拆除階段需采用爆破技術，對主體建筑有不利影響。塑性混凝土是以膨潤土、黏土等摻合材料取代普通混凝土中部分水泥而形成的低強度、低彈性模量的防滲墻材料，其主要優勢不僅僅在于工程造價低，更在于塑性混凝土適應變形能力強，防滲效果好，拌合物和易性較好，流動性、黏聚性良好，不易離析，易于泵送且不需振搗，能有效協調墻體應力狀態，并能顯著減小墻底與基巖等聯接處的應力集中或拉應力，克服了常規(剛性)混凝土的許多缺陷，因此在國內水電工程中(包括三峽樞紐大壩工程)多次成功運用，取得了良好的效果。本文結合黑龍江省七臺河市汪清水庫消險增容工程，對塑性混凝土的配合比設計進行了探討。

3 配合比設計

3.1 塑性混凝土配合比的設計特性

塑性混凝土的配合比設計與普通混凝土不同。普通混凝土設計準則基于逐級填充原理，塑性混凝土的配合比設計原則則是尋找各種材料組分最經濟的組合，使塑性混凝土的各種性能滿足設計要求。在進行塑性混凝土配合比設計時，配合比參數可控制在以下范圍內:

1)塑性混凝土配合比由于摻入吸水率高的膨潤土或黏土、砂率高等原因，用水量較大，一般高達250～330 kg/m3，而普通混凝土只有160～180 kg/m3。

2)塑性混凝土砂率很大，一般都在60% ～95%，而塑性混凝土的砂率可達100% ，配合比設計可考慮不再摻用石子。

3)塑性混凝土水膠比較大，一般在0.7～1.3，而普通混凝土水灰比一般在0.4～0.7。

3.2 汪清水庫塑性混凝土配合比設計

3.2.1 原材料

①水泥:牡丹江牌P·O42.5水泥;②細集料:七臺河河砂，細度模數3.30;③粗集料:七臺河5～16 mm連續粒級碎石;④摻合料:膨潤土;⑤外加劑:木鈣減水劑。

3.2.2 設計指標

①抗壓強度 3.5～5.0 MPa;②滲透系數 K≤5×10－7cm/s;抗滲允許比降J＞60 MPa/m;③靜力抗壓彈性模量(簡稱靜彈模)500～1 000 MPa;④坍落度 18～22 cm，擴散度34～40 cm。

3.2.3 混凝土配合比設計

根據工程要求，通過調整參數進行了多組配合比對比試驗，具體配合比見表1。

表1 塑性混凝土配合比一覽表

在混凝土配合設計中，膨潤土的摻量是塑性混凝土配合比的一個關鍵參數。這是由于膨潤土吸水率高，分散性差，對塑性混凝土的流動度影響很大，在保證塑性混凝土流動度和擴散度的前提下，隨著膨潤土的增加，塑性混凝土需水量增加，從而導致塑性混凝土水膠比增大，強度降低，因此，膨潤土摻量不宜過高;而由于塑性混凝土要求低靜彈性模量，膨潤土摻量越少，靜彈性模量越高，不能滿足形變要求，因此，膨潤土摻量也不宜過低。

塑性混凝土的水膠比一般在0.7～1.3，與普通混凝土相似，水膠比越大，靜彈性模量越低，強度越低;同時基于塑性混凝土的強度要求，膠凝材料中的水泥用量不宜過高也不宜過低。從表1我們可以看到，配合比方案3由于膨潤土用量達到140 kg/m3，水泥用量為165 kg/m3，因此其7 d和28 d強度較低，不滿足本工程的強度要求。比較配合比方案1和配合比方案2，我們發現，通過適當地調整水泥與膨潤土的用量，盡管配合比方案2的水膠比略大，但其強度依然高于配合比方案3，因此，塑性混凝土的強度與水膠比之間的規律與普通混凝土不盡相同。

試驗還發現，在配制塑性混凝土時，木質素磺酸鈣宜采用較大的摻量，一般為0.4%，從而使混凝土的強度、流動度和擴展度達到設計要求。通過以上試驗，選定表2的配合比作為汪清水庫土壩塑性混凝土截滲墻工程塑性混凝土配合比。

表2 塑性混凝土配合比一覽表

4 塑性混凝土數據分析

4.1 塑性混凝土滲透系數數值統計

塑性混凝土6組滲透系數散點圖見圖1。

圖1 6組滲透系數散點圖

4.2 塑性混凝土抗壓強度數值統計

20組塑性混凝土抗壓數據統計結果為:抗壓強度最大值為4.4，最小值為3.1，平均數值3.6，方差值為0.37。

4.3 塑性混凝土彈性模量數值統計

12組塑性混凝土彈性模量數值統計結果為:最大值為920 MPa，最小值為650 MPa，平均值為818 MPa，方差值為88.92。

通過分析6組抗滲試件數據和20組抗壓試件及12組彈性模量試件數據，可以看到:試驗數據分布比較均勻，塑性混凝土抗壓強度平均值為3.6 MPa，滲透系數平均值為2.64 ×10－8cm/s，彈性模量平局值為818 MPa，與實驗室數據基本一致，完全滿足工程設計要求，配合比設計合理。

5 結語

塑性混凝土作為一種新型材料，具有適應變形能力大，便于就地取材，施工方便等優點，因此可作為堤身防滲體的首選材料。它有利于改善防滲墻體內部的應力狀態，大大提高了防滲墻的安全性，且節省了水泥，明顯降低了工程造價。同時，塑性混凝土具有很低的滲透系數，能滿足各種規模防滲墻的要求。但塑性混凝土配合比設計有其特殊性，它直接關系到大壩和堤防工程的安全。因此在進行配合比設計時，應選用強度較高的水泥，選擇適當的水膠比和膨潤土摻量，盡量避免摻入黏土，并通過大量細致的試驗使設計的塑性混凝土同時滿足強度、彈性模量以及抗滲能力等各項要求。