水電工程變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)探討

李海波，朱圣敏

（葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，湖北 宜昌 443002）

水電工程變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)探討

李海波，朱圣敏

（葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文結(jié)合某大型水電站工程，通過正交試驗(yàn)，并結(jié)合碾壓混凝土、凈漿及變態(tài)混凝土三者之間的關(guān)系來探討變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)。考慮了凈漿水膠比、摻合料摻量、加漿量及外加劑摻量對(duì)變態(tài)混凝土的影響，以保證碾壓與加漿變態(tài)兩類混凝土在強(qiáng)度、變形等性能上的匹配性，滿足壩體材料及結(jié)構(gòu)的要求，旨在探索和完善變態(tài)混凝土的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

變態(tài)混凝土；凈漿；正交試驗(yàn)；配合比設(shè)計(jì)

0 概述

水利水電工程中運(yùn)用碾壓混凝土筑壩技術(shù)發(fā)展迅速。目前我國水利水電工程中對(duì)碾壓混凝土技術(shù)的運(yùn)用范圍已經(jīng)從重力壩階段發(fā)展至拱壩階段，甚至是薄拱壩，筑壩質(zhì)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(zhì)摻合料、水、外加劑、砂和分級(jí)控制的粗骨料拌制成無坍落度的干硬性混凝土；變態(tài)混凝土是在已經(jīng)攤鋪的碾壓混凝土中，摻加一定比例的凈漿后振搗密實(shí)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(nèi)廊道的結(jié)合部位等均采用變態(tài)混凝土，這已經(jīng)是當(dāng)今目前碾壓混凝土工程普遍采用的施工技術(shù)。對(duì)采用加漿變態(tài)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(tài)混凝土性能的優(yōu)劣決定了該類防滲結(jié)構(gòu)的整體效能，而凈漿特性又是決定加漿變態(tài)混凝土品質(zhì)的關(guān)鍵因素。通過漿材配合比設(shè)計(jì)，可制取抗裂性好的變態(tài)混凝土，大幅度提高面層防滲結(jié)構(gòu)的整體耐久性。

現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中無變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范中僅對(duì)變態(tài)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(duì)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(shí)際可指導(dǎo)性差。本文結(jié)合某大型水電站工程，通過碾壓混凝土、凈漿及變態(tài)混凝土三者之間的關(guān)系，來探討變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)。考慮到凈漿水膠比、摻合料摻量、加漿量及外加劑摻量對(duì)變態(tài)混凝土的影響，采取正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)，以保證碾壓與加漿變態(tài)兩類混凝土在強(qiáng)度、變形等性能上的匹配，滿足壩體材料及結(jié)構(gòu)的要求，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 變態(tài)混凝土的特點(diǎn)

從壩體結(jié)構(gòu)分析，全碾壓壩橫縫較少，因而對(duì)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(tài)兩類混凝土在變形性能上匹配性較差，前者膠體含量少、變形量小；后者膠體含量高、變形量較大。基于上述原因，增大了該類防滲體產(chǎn)生裂縫的可能性。一旦裂縫產(chǎn)生，必然影響大壩的整體性及抗凍防滲效果，甚至?xí)绊懙浇ㄖ锏恼＿\(yùn)行，造成難以估量的重大損失。

變態(tài)混凝土的加漿是一道極其關(guān)鍵的施工工序，直接影響到變態(tài)混凝土的質(zhì)量。因此，需對(duì)變態(tài)混凝土所用凈漿進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出凈漿的配合比參數(shù)及加漿量等參數(shù)。優(yōu)選原材料并優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，可制取高性能加漿變態(tài)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(bǔ)縮效應(yīng)，對(duì)加漿變態(tài)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(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 碾壓及變態(tài)混凝土設(shè)計(jì)要求

變態(tài)混凝土試驗(yàn)包括基材（碾壓混凝土和變態(tài)漿液）和碾壓混凝土后加漿液變態(tài)過程兩部分。碾壓混凝土已有相應(yīng)的試驗(yàn)和施工規(guī)范可供參考，變態(tài)漿液及加漿變態(tài)過程尚無相關(guān)的試驗(yàn)和規(guī)范可供參考。本文通過某大型水電工程為例，探討變態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)要求見表 1。

表1　碾壓和變態(tài)混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 變態(tài)混凝土配合比試驗(yàn)

根據(jù) DL/T 5112—2009《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》要求，變態(tài)混凝土的水膠比應(yīng)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(tài)的碾壓混凝土，通過變態(tài)混凝土性能試驗(yàn)來確定漿液配合比及適宜的加漿量，使變態(tài)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(yàn)成果

本體碾壓混凝土配合比及試驗(yàn)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(yàn)成果表

2.2.2 凈漿配合比設(shè)計(jì)

采用中熱 42.5 水泥，減水劑摻量為 0.6%，Ⅱ級(jí)粉煤灰、ZB-1RCC15 減水劑和 UEA 膨脹劑進(jìn)行凈漿配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)方案采用正交設(shè)計(jì)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(gè)影響因素進(jìn)行變態(tài)性能試驗(yàn)研究（表 5）。

表4　凈漿配合比正交試驗(yàn) 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(jié)石強(qiáng)度均大幅降低。綜合各項(xiàng)指標(biāo)的影響及規(guī)范要求，認(rèn)為不超過同種碾壓混凝土的水膠比為宜，這樣變態(tài)混凝土的強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。故選用 0.40、0.45、0.50 三個(gè)水膠比。

（2）粉煤灰的摻量選擇

根據(jù) DL/T 5112—2009《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》要求，變態(tài)混凝土的凈漿粉煤灰摻量不宜大于擬變態(tài)的碾壓混凝土，可適當(dāng)減小。粉煤灰摻量可根據(jù)漿液的流動(dòng)性及強(qiáng)度來確定，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的摻量。根據(jù)碾壓混凝土的摻量選擇 0%、25%、50%。

（3）減水劑的摻量選擇

根據(jù) DL/T 5433—2009《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求，變態(tài)混凝土漿液所用的減水劑摻量應(yīng)與擬變態(tài)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(chǎn)生一定量的膨脹，從而彌補(bǔ)了水泥石的收縮，達(dá)到防治裂縫，提高變態(tài)混凝土抗裂性能的作用。膨脹劑摻量超過 10%，凈漿結(jié)石強(qiáng)度明顯降低，由此可見，加漿變態(tài)混凝土中的膨脹劑摻量以不超過 10% 為宜。故選擇三個(gè)摻量 0%、4%、8%。

（5）加漿量選擇

以加漿后變態(tài)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(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.3 變態(tài)混凝土性能試驗(yàn)成果

2.2.3.1 不同凈漿配比拌制變態(tài)混凝土性能

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

表6　變態(tài)混凝土拌合物性能試驗(yàn)成果表

表7　變態(tài)混凝土正交試驗(yàn) L9(34) 性能成果表

極差 R 的大小用來衡量試驗(yàn)中相應(yīng)因素作用的大小。極差大的因素，說明它的三個(gè)水平對(duì)其指標(biāo)所造成的差別大，通常是重要因素。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，影響泌水率的因素大小順序?yàn)椋核z比＞粉煤灰摻量＞膨脹劑摻量＞加漿量；影響抗壓強(qiáng)度因素大小順序?yàn)椋核z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?yàn)椋核z比＞加漿量＞粉煤灰摻量＞膨脹劑摻量。

從表6試驗(yàn)成果可以看出，當(dāng)凈漿加入量為 6% 時(shí)，變態(tài)混凝土坍落度在 10～30mm 范圍內(nèi)，混凝土含氣量在5%～6%之間。因此，三級(jí)配變態(tài)混凝土合適加漿量為 6%。

從表7試驗(yàn)成果可以看出，隨著凈漿水膠比的降低，變態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)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(shí)，凈漿泌水率較小，其對(duì)應(yīng)的變態(tài)混凝土 28d 和 90d 抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值與原三級(jí)配碾壓混凝土強(qiáng)度接近，且都滿足變態(tài)混凝土設(shè)計(jì)要求，故采用此凈漿配合比配制三級(jí)配變態(tài)混凝土。

2.2.3.2 變態(tài)混凝土抗凍、抗?jié)B性能

采用凈漿水膠比采用 0.40 時(shí)，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進(jìn)行變態(tài)混凝土抗凍和抗?jié)B試驗(yàn)，具體試驗(yàn)成果見表 8。

表8　變態(tài)混凝土抗凍和抗?jié)B性能試驗(yàn)成果表

從試驗(yàn)成果看，三級(jí)配變態(tài)混凝土 90d 齡期抗凍等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且抗凍抗?jié)B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(shí)，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進(jìn)行變態(tài)混凝土自生體積變形試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見圖

圖1　變態(tài)混凝土自生體積變形與齡期關(guān)系曲線

從試驗(yàn)成果看，三級(jí)配變態(tài)混凝土自生體積變形呈膨脹趨勢(shì)，最大變形值為 22×10-6，能很好地補(bǔ)償混凝土收縮，預(yù)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(shí)，粉煤灰摻量 50%，膨脹劑摻量 8%，進(jìn)行變態(tài)混凝土絕熱溫升試驗(yàn)，具體成果見表 9，混凝土絕熱溫升與齡期關(guān)系見圖 2。

從上述試驗(yàn)成果可以看出，三級(jí)配變態(tài)混凝土的溫升值較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，有利于大體積混凝土溫控。

2.3 推薦變態(tài)混凝土凈漿配合比

根據(jù)上述試驗(yàn)成果，推薦變態(tài)混凝土凈漿配合比見表10，凈漿加入量為 6%。

表9　變態(tài)混凝土絕熱溫升公式表

圖2　變態(tài)混凝土絕熱溫升值與齡期關(guān)系圖

表10　推薦變態(tài)混凝土凈漿配合比表

3 結(jié)語

（1）變態(tài)混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合碾壓混凝土、凈漿及變態(tài)混凝土三者之間的關(guān)系，以保證碾壓與加漿變態(tài)兩類混凝土在強(qiáng)度、變形等性能上匹配性，滿足壩體材料及結(jié)構(gòu)的要求。

（2）變態(tài)混凝土凈漿性能是決定變態(tài)混凝土品質(zhì)的關(guān)鍵因素，凈漿配合比設(shè)計(jì)可采取正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）優(yōu)選原材料并優(yōu)化配合比，可制取高性能加漿變態(tài)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(bǔ)縮效應(yīng)，對(duì)加漿變態(tài)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(bào)告[D]．1998．

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

[3] DL/T5112-2009．水工碾壓混凝土施工規(guī)范[S]．

[4] DL/T5443—2009．水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

［通訊地址］湖北省宜昌市西陵區(qū)清波小區(qū) 25 號(hào) 葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jīng)理 高級(jí)工程師，從事混凝土及原材料檢測(cè)及研究工作。