水電工程變態混凝土配合比設計探討

李海波，朱圣敏

（葛洲壩集團勘測設計有限公司，湖北 宜昌 443002）

水電工程變態混凝土配合比設計探討

李海波，朱圣敏

（葛洲壩集團勘測設計有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文結合某大型水電站工程，通過正交試驗，并結合碾壓混凝土、凈漿及變態混凝土三者之間的關系來探討變態混凝土配合比設計。考慮了凈漿水膠比、摻合料摻量、加漿量及外加劑摻量對變態混凝土的影響，以保證碾壓與加漿變態兩類混凝土在強度、變形等性能上的匹配性，滿足壩體材料及結構的要求，旨在探索和完善變態混凝土的應用技術基礎，以指導現場施工。

變態混凝土；凈漿；正交試驗；配合比設計

0 概述

水利水電工程中運用碾壓混凝土筑壩技術發展迅速。目前我國水利水電工程中對碾壓混凝土技術的運用范圍已經從重力壩階段發展至拱壩階段，甚至是薄拱壩，筑壩質量越來越受到重視。

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，使用硅酸鹽水泥、火山灰質摻合料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料拌制成無坍落度的干硬性混凝土；變態混凝土是在已經攤鋪的碾壓混凝土中，摻加一定比例的凈漿后振搗密實的混凝土。碾壓混凝土工程在迎水面防滲層，以及碾壓混凝土壩體與巖體、壩體內廊道的結合部位等均采用變態混凝土，這已經是當今目前碾壓混凝土工程普遍采用的施工技術。對采用加漿變態混凝土作為防滲層的碾壓混凝土壩和全碾壓面層加漿混凝土壩，加漿變態混凝土性能的優劣決定了該類防滲結構的整體效能，而凈漿特性又是決定加漿變態混凝土品質的關鍵因素。通過漿材配合比設計，可制取抗裂性好的變態混凝土，大幅度提高面層防滲結構的整體耐久性。

現有行業標準中無變態混凝土配合比設計規范和施工規范中僅對變態混凝土的摻合料摻量、外加劑摻量、水膠比的大小提出要求；對摻合料種類、外加劑的具體摻量及水膠比的選取等無任何說明，實際可指導性差。本文結合某大型水電站工程，通過碾壓混凝土、凈漿及變態混凝土三者之間的關系，來探討變態混凝土配合比設計?？紤]到凈漿水膠比、摻合料摻量、加漿量及外加劑摻量對變態混凝土的影響，采取正交設計方法進行試驗，以保證碾壓與加漿變態兩類混凝土在強度、變形等性能上的匹配，滿足壩體材料及結構的要求，以指導現場施工。

1 變態混凝土的特點

從壩體結構分析，全碾壓壩橫縫較少，因而對防滲體的變形性能提出較高的要求。從材料特性看，碾壓與加漿變態兩類混凝土在變形性能上匹配性較差，前者膠體含量少、變形量??；后者膠體含量高、變形量較大?；谏鲜鲈?，增大了該類防滲體產生裂縫的可能性。一旦裂縫產生，必然影響大壩的整體性及抗凍防滲效果，甚至會影響到建筑物的正常運行，造成難以估量的重大損失。

變態混凝土的加漿是一道極其關鍵的施工工序，直接影響到變態混凝土的質量。因此，需對變態混凝土所用凈漿進行試驗，設計出凈漿的配合比參數及加漿量等參數。優選原材料并優化配合比設計，可制取高性能加漿變態混凝土。通過在凈漿中摻加合適摻量的 UEA 膨脹劑和粉煤灰摻合料，使之具備了良好的補縮效應，對加漿變態混凝土起到了顯著的改性作用，有效降低混凝土早期收縮，提高混凝土耐久性。

2 變態混凝土配合比設計

2.1 碾壓及變態混凝土設計要求

變態混凝土試驗包括基材（碾壓混凝土和變態漿液）和碾壓混凝土后加漿液變態過程兩部分。碾壓混凝土已有相應的試驗和施工規范可供參考，變態漿液及加漿變態過程尚無相關的試驗和規范可供參考。本文通過某大型水電工程為例，探討變態混凝土配合比設計方法，其設計要求見表 1。

表1　碾壓和變態混凝土設計指標

2.2 變態混凝土配合比試驗

根據 DL/T 5112—2009《水工碾壓混凝土施工規范》要求，變態混凝土的水膠比應不大于同種碾壓混凝土的水膠比，粉煤灰摻量不宜大于擬變態的碾壓混凝土，通過變態混凝土性能試驗來確定漿液配合比及適宜的加漿量，使變態混凝土獲得良好的可施工性，并與碾壓混凝土的性能相匹配。

2.2.1 碾壓混凝土配合比及試驗成果

本體碾壓混凝土配合比及試驗成果見表2和表 3。

表2　碾壓混凝土配合比材料用量表

表3　碾壓混凝土性能試驗成果表

2.2.2 凈漿配合比設計

采用中熱 42.5 水泥，減水劑摻量為 0.6%，Ⅱ級粉煤灰、ZB-1RCC15 減水劑和 UEA 膨脹劑進行凈漿配合比設計。試驗方案采用正交設計法，選用正交表見表 4。通過凈漿水膠比、粉煤灰摻量、膨脹劑摻量、加漿量 4 個影響因素進行變態性能試驗研究（表 5）。

表4　凈漿配合比正交試驗 L9(34) 因素水平表

表5　L9(34) 組合方案表

（1）水膠比的選擇

水膠比增大，凈漿泌水率顯著增大，粘度、結石強度均大幅降低。綜合各項指標的影響及規范要求，認為不超過同種碾壓混凝土的水膠比為宜，這樣變態混凝土的強度能滿足設計要求。故選用 0.40、0.45、0.50 三個水膠比。

（2）粉煤灰的摻量選擇

根據 DL/T 5112—2009《水工碾壓混凝土施工規范》要求，變態混凝土的凈漿粉煤灰摻量不宜大于擬變態的碾壓混凝土，可適當減小。粉煤灰摻量可根據漿液的流動性及強度來確定，滿足設計強度要求的摻量。根據碾壓混凝土的摻量選擇 0%、25%、50%。

（3）減水劑的摻量選擇

根據 DL/T 5433—2009《水工碾壓混凝土試驗規程》規范要求，變態混凝土漿液所用的減水劑摻量應與擬變態的碾壓混凝土相同，不摻加引氣劑。減水劑摻量為 0.6%。

（4）膨脹劑摻量選擇

在漿液中添加一定的膨脹劑，使水泥在水化期間能夠依靠膨脹劑的作用而產生一定量的膨脹，從而彌補了水泥石的收縮，達到防治裂縫，提高變態混凝土抗裂性能的作用。膨脹劑摻量超過 10%，凈漿結石強度明顯降低，由此可見，加漿變態混凝土中的膨脹劑摻量以不超過 10% 為宜。故選擇三個摻量 0%、4%、8%。

（5）加漿量選擇

以加漿后變態混凝土的坍落度滿足 10～30mm 來控制。凈漿摻入量分別采用 4%、5% 和 6% 進行試驗。

2.2.3 變態混凝土性能試驗成果

2.2.3.1 不同凈漿配比拌制變態混凝土性能

按表 4、表5的正交試驗方案，將不同配方的凈漿摻入到原碾壓混凝土本體中，進行不同凈漿配合比配制出的變態混凝土拌合物性能和硬化混凝土性能試驗，通過漿液及變態混凝土性能試驗，優選出變態混凝土凈漿配合比及加漿量，其具體各項試驗成果見表 6、7。

表6　變態混凝土拌合物性能試驗成果表

表7　變態混凝土正交試驗 L9(34) 性能成果表

極差 R 的大小用來衡量試驗中相應因素作用的大小。極差大的因素，說明它的三個水平對其指標所造成的差別大，通常是重要因素。從上述試驗結果可以看出，影響泌水率的因素大小順序為：水膠比＞粉煤灰摻量＞膨脹劑摻量＞加漿量；影響抗壓強度因素大小順序為：水膠比＞粉煤灰摻量＞膨脹劑摻量＞加漿量；影響極限拉伸因素大小順序為：水膠比＞加漿量＞粉煤灰摻量＞膨脹劑摻量。

從表6試驗成果可以看出，當凈漿加入量為 6% 時，變態混凝土坍落度在 10～30mm 范圍內，混凝土含氣量在5%～6%之間。因此，三級配變態混凝土合適加漿量為 6%。

從表7試驗成果可以看出，隨著凈漿水膠比的降低，變態混凝土抗壓強度提高。當加漿量為 6%，凈漿水膠比采用0.40，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8% 時，凈漿泌水率較小，其對應的變態混凝土 28d 和 90d 抗壓強度、極限拉伸值與原三級配碾壓混凝土強度接近，且都滿足變態混凝土設計要求，故采用此凈漿配合比配制三級配變態混凝土。

2.2.3.2 變態混凝土抗凍、抗滲性能

采用凈漿水膠比采用 0.40 時，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進行變態混凝土抗凍和抗滲試驗，具體試驗成果見表 8。

表8　變態混凝土抗凍和抗滲性能試驗成果表

從試驗成果看，三級配變態混凝土 90d 齡期抗凍等級和抗滲等級均達到設計要求，且抗凍抗滲性能良好。

2.2.3.3 混凝土自生體積變形

采用凈漿水膠比采用 0.40 時，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進行變態混凝土自生體積變形試驗，試驗成果見圖

圖1　變態混凝土自生體積變形與齡期關系曲線

從試驗成果看，三級配變態混凝土自生體積變形呈膨脹趨勢，最大變形值為 22×10-6，能很好地補償混凝土收縮，預防混凝土開裂。

2.2.3.4 混凝土絕熱溫升

采用凈漿水膠比采用 0.40 時，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進行變態混凝土絕熱溫升試驗，具體成果見表 9，混凝土絕熱溫升與齡期關系見圖 2。

從上述試驗成果可以看出，三級配變態混凝土的溫升值較低，遠遠小于設計要求，有利于大體積混凝土溫控。

2.3 推薦變態混凝土凈漿配合比

根據上述試驗成果，推薦變態混凝土凈漿配合比見表10，凈漿加入量為 6%。

表9　變態混凝土絕熱溫升公式表

圖2　變態混凝土絕熱溫升值與齡期關系圖

表10　推薦變態混凝土凈漿配合比表

3 結語

（1）變態混凝土設計應結合碾壓混凝土、凈漿及變態混凝土三者之間的關系，以保證碾壓與加漿變態兩類混凝土在強度、變形等性能上匹配性，滿足壩體材料及結構的要求。

（2）變態混凝土凈漿性能是決定變態混凝土品質的關鍵因素，凈漿配合比設計可采取正交設計方法進行試驗。

（3）優選原材料并優化配合比，可制取高性能加漿變態混凝土。通過在凈漿中摻加適量 UEA 膨脹劑及粉煤灰，使之具備了良好的補縮效應，對加漿變態混凝土起到了顯著的改性作用，有效降低了混凝土早期收縮，溫升較小，能提高混凝土的耐久性。

[1] 河北省水利工程局．全碾壓面層加漿混凝土壩耐久性研究報告[D]．1998．

[2] 李鶴齡，王澤秀．高性能加漿變態混凝土研究[J]．水科學與工程技術，2010(3)．

[3] DL/T5112-2009．水工碾壓混凝土施工規范[S]．

[4] DL/T5443—2009．水工碾壓混凝土試驗規程[S]．

［通訊地址］湖北省宜昌市西陵區清波小區 25 號 葛洲壩集團勘測設計有限公司（443002）

Discussion on mix proprotion design of abnormal concrete in hydropower project

Li Haibo, Zhu Shengmin
(Gezhouba Group survey & Design Co., Ltd., Yichang 443002)

In this paper, a large hydropower station project, by adopting the method of orthogonal design experiment, and combined with the relationship between RCC and paste and distorted concrete to investigate metamorphosis concrete mix proportion design. Taking into account the net slurry water glue ratio, blending material dosage, coupled with the influence of paste amount and the amount of admixture of normal concrete, in order to ensure the grinding slurry and the metamorphosis of the two kinds of concrete on the strength and deformation properties of matching, meet the requirements of the material and structure of the dam, aims to explore and improve the distorted concrete application technology, so as to guide the construction site.

abnormal concrete; paste; orthogonal experiment; mix proportion design

李海波，男，副總經理 高級工程師，從事混凝土及原材料檢測及研究工作。