變態混凝土配合比設計及性能研究

任喜平 張 樂 楊軍超

(陜西引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

變態混凝土配合比的設定和現場試驗在碾壓混凝土大壩建設中起著舉足輕重的作用。經過多年的水利工程建設，我國在變態混凝土配合比方面已積累了很多經驗，但變態混凝土在特殊地區大壩建設中的施工經驗仍較少[1]，在秦嶺腹地這種介于南方和北方之間的氣候區域，幾乎沒有成熟的變態混凝土配合比的試驗成果可以作為參考依據。三河口大壩變態混凝土試驗立足于實用、簡便和理論聯系實際，在工地現場進行本地區變態混凝土配合比試驗研究，并在三河口水利樞紐工程中成功運用，為引漢濟渭黃金峽碾壓混凝土大壩建設提供了混凝土配比依據，也為變態混凝土在秦嶺腹地這一特殊氣候區域的推廣應用做好了鋪墊。

1 工程概況

三河口水利樞紐大壩位于陜西省漢中市佛坪縣與寧陜縣交界處境內的子午河上，該地區的平均溫度多年維持在12.3℃左右，高溫季節的最高溫度可達37.4℃左右，低溫季節最低溫度可達-16.4℃左右，當地氣溫驟降現象也比較明顯。三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，河床段壩體的最高高度為141.5m，大壩壩體的上游防滲面、下游側表面及碾壓混凝土壩體自身與岸坡段巖體結合部位都采用變態混凝土，結合三河口水利樞紐大壩工程特殊情況，從變態混凝土配合比設計入手，在大壩右岸壩肩布置獨立制漿系統、流量計量裝置。對壩體寬1m變態區的施工嚴格按照《大壩變態混凝土專項施工方案》通過人工方式在每層碾壓混凝土鋪設完成后開挖兩道深和寬各15cm的溝槽，然后按照設計要求注入相應的凈漿，采用功率比較大的機械振搗器對壩體碾壓混凝土和漿液混合的變態區進行振搗，達到密實要求，變態區和碾壓混凝土施工區采取同步上升的施工方案。

2 變態混凝土設計指標

根據大壩工程招標投標文件和設計圖紙的內容，大壩變態混凝土主要設計指標見表1。

表1 大壩變態混凝土主要設計指標

3 變態混凝土配合比參數確定

根據三河口碾壓混凝土大壩設計文件中對變態混凝土配合比試驗材料特性的要求，在施工現場的第三方實驗室通過室內試拌及試驗研究，三河口水利樞紐壩體變態混凝土經過優化后的配合比參數見表2。

表2 大壩變態混凝土配合比的試驗參數

4 大壩變態混凝土配合比研究試驗

變態混凝土是由碾壓混凝土摻加水泥、粉煤灰、外加劑、水按一定比例組合而成的灰漿，形成具有坍落度的特殊混凝土。變態混凝土經濟、實用、澆筑工藝簡便[2]，在碾壓混凝土中普遍使用，具有常態混凝土的坍落度、流動性，正常振搗即可泛漿，一般作為碾壓混凝土邊界、建筑物表面和防滲性混凝土，使壩體表面光潔、平整、美觀，具有較好的結合及抗滲性能[3]。根據引漢濟渭三河口大壩設計的變態混凝土配合比試驗的相應參數值，對壩體上、下游變態混凝土的拌和材料變形、力學特性等物理性能進行分析研究。

4.1 壩體變態混凝土拌和物各性能參數

三河口大壩變態混凝土配合比試驗按照相應的變態混凝土試驗規程進行，壩體上、下游區變態混凝土各性能參數值見表3。

表3 壩體上、下游區變態混凝土各性能參數值

4.2 大壩變態混凝土力學、變形性能

抗壓強度、劈拉強度是大壩變態混凝土的主要力學性能指標，變態混凝土強度試驗過程是將拌和物裝入標準實驗模型(分兩層)，裝入后每層混凝土需要進行25次插搗，按照相應的試驗操作規程在標養室養護至齡期后進行相應的加荷試驗[4]，大壩變態混凝土的力學及變形性能試驗結果見表4和表5。

表4 壩體上、下游區變態混凝土力學性能參數

表5 壩體上、下游區變態混凝土變形參數

4.3 壩體變態區混凝土耐久性的數值

判斷壩體變態區混凝土耐久性的標準主要體現在抗凍、抗滲性方面[5]，三河口大壩變態區混凝土抗凍等級為F200，抗滲等級為W8，試驗過程采用三河口大壩混凝土施工現場實驗室的混凝土凍融試驗機，對每組選取的6個試件分別進行加壓，不斷地循序穩定加壓達到設計水壓力抗滲等級8h后，表面出現滲水現象的數量小于3個，說明變態混凝土的抗凍、抗滲等級超過設計標準。壩體上、下游變態區混凝土耐久性數值見表6。

表6 壩體上、下變態區混凝土耐久性數值

從上述試驗結果可以看出三河口壩體變態混凝土配合比試驗設計參數科學合理，能夠滿足試驗規程和設計的相關要求，試驗結果表明：

二級配變態混凝土水膠比0.46，粉煤灰摻量50%、55%、60%的90天齡期抗壓強度均滿足配置強度要求；三級配變態混凝土水膠比0.46，粉煤灰摻量50%、55%、60%的90天齡期抗壓強度均滿足配置強度要求；三級配變態混凝土水膠比0.49，粉煤灰摻量50%、55%、60%的90天齡期抗壓強度均滿足配置強度要求；二、三級配變態混凝土90天齡期極限拉伸值均滿足設計要求。

變態混凝土隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土抗凍性能逐漸降低，當粉煤灰摻量達到55%時，二、三級配碾壓混凝土抗凍性能已接近臨界值。當粉煤灰摻量達到60%時，摻兩種外加劑的二、三級配混凝土抗凍性能均小于F200，變態混凝土二、三級配抗滲指標均都大于設計標準。

4.4 變態混凝土配合比

綜合以上的試驗成果，變態混凝土的組成及配合比見表7。

表7 變態混凝土的配合比

5 變態混凝土的效果評價

5.1 檢測成果

5.1.1 凈漿的檢測結果

在三河口大壩2017年的施工過程中，通過科學地統計梳理變態混凝土的凈漿比重，得出比重的最大值和最小值分別為1.86和1.64，滿足設計要求。在現場實際施工時，凈漿強度的平均值為24.2MPa，全部達到設計標準。

5.1.2 過渡區壓實情況的檢測結果

在三河口大壩施過程中，試驗方嚴格按照《大壩過渡區試驗檢測技術要求》及時做好了過渡區的壓實度檢測工作，其壓實容重共檢測1123次，最大值為2583kg/m3，最小值為2411kg/m3，平均值為2467kg/m3，壓實度平均值為2467kg/m3，壓實度平均數值為103.4%。

5.1.3 力學檢測結果

在大壩變態區域共抽取6批混凝土進行相關性能檢測，結果見表8和表9。

表8 大壩變態混凝土抗壓強度檢測結果

表9 三河口大壩變態混凝土性能檢測結果

5.2 效果評價

引漢濟渭三河口大壩變態混凝土區是混凝土質量控制的關鍵環節，在現場施工中通過優化施工工藝、做好養護和溫控等質量控制措施，使得變態混凝土結構致密、表面光滑，變態區和碾壓區的膠結情況良好，其試驗成果在工程建設中達到了預期效果，確保了工程實體各項質量指標達到設計和規范要求。

6 結 語

三河口水利樞紐工程大壩地處秦嶺腹地特殊氣候地帶，對壩體變態混凝土的抗滲、抗凍、極限拉伸值要求高。根據現場變態混凝土配合比試驗結論，并通過在施工過程不斷總結和分析，選擇最優的水膠比、合理補充一定的高效減水劑和引氣劑、適當增加粉煤灰添加量、采取恰當的措施做好變態混凝土含氣量的控制，可加強變態混凝土的抗裂和耐久性能。根據《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)、《水工混凝土施工規范》(SL 677—2014)、設計圖紙和相關技術要求，可以看出三河口碾壓混凝土大壩中變態混凝土配合比試驗設計參數都能達到規范和設計的標準。變態混凝土施工過程中所采用的灰漿的水膠比要小于壩體碾壓混凝土灰漿的水膠比，實際使用中也不宜過于黏稠，為方便現場施工，所有碾壓混凝土中均摻入同一種灰漿。在碾壓混凝土中摻入占其體積4%～6%的灰漿，使碾壓混凝土變成具有2～4cm坍落度的變態混凝土，可使其具有良好的和易性。