水电工程变态混凝土配合比设计探讨

李海波，朱圣敏

（葛洲坝集团勘测设计有限公司，湖北 宜昌 443002）

水电工程变态混凝土配合比设计探讨

李海波，朱圣敏

（葛洲坝集团勘测设计有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文结合某大型水电站工程，通过正交试验，并结合碾压混凝土、净浆及变态混凝土三者之间的关系来探讨变态混凝土配合比设计。考虑了净浆水胶比、掺合料掺量、加浆量及外加剂掺量对变态混凝土的影响，以保证碾压与加浆变态两类混凝土在强度、变形等性能上的匹配性，满足坝体材料及结构的要求，旨在探索和完善变态混凝土的应用技术基础，以指导现场施工。

变态混凝土；净浆；正交试验；配合比设计

0 概述

水利水电工程中运用碾压混凝土筑坝技术发展迅速。目前我国水利水电工程中对碾压混凝土技术的运用范围已经从重力坝阶段发展至拱坝阶段，甚至是薄拱坝，筑坝质量越来越受到重视。

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺合料、水、外加剂、砂和分级控制的粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土；变态混凝土是在已经摊铺的碾压混凝土中，掺加一定比例的净浆后振捣密实的混凝土。碾压混凝土工程在迎水面防渗层，以及碾压混凝土坝体与岩体、坝体内廊道的结合部位等均采用变态混凝土，这已经是当今目前碾压混凝土工程普遍采用的施工技术。对采用加浆变态混凝土作为防渗层的碾压混凝土坝和全碾压面层加浆混凝土坝，加浆变态混凝土性能的优劣决定了该类防渗结构的整体效能，而净浆特性又是决定加浆变态混凝土品质的关键因素。通过浆材配合比设计，可制取抗裂性好的变态混凝土，大幅度提高面层防渗结构的整体耐久性。

现有行业标准中无变态混凝土配合比设计规范和施工规范中仅对变态混凝土的掺合料掺量、外加剂掺量、水胶比的大小提出要求；对掺合料种类、外加剂的具体掺量及水胶比的选取等无任何说明，实际可指导性差。本文结合某大型水电站工程，通过碾压混凝土、净浆及变态混凝土三者之间的关系，来探讨变态混凝土配合比设计。考虑到净浆水胶比、掺合料掺量、加浆量及外加剂掺量对变态混凝土的影响，采取正交设计方法进行试验，以保证碾压与加浆变态两类混凝土在强度、变形等性能上的匹配，满足坝体材料及结构的要求，以指导现场施工。

1 变态混凝土的特点

从坝体结构分析，全碾压坝横缝较少，因而对防渗体的变形性能提出较高的要求。从材料特性看，碾压与加浆变态两类混凝土在变形性能上匹配性较差，前者胶体含量少、变形量小；后者胶体含量高、变形量较大。基于上述原因，增大了该类防渗体产生裂缝的可能性。一旦裂缝产生，必然影响大坝的整体性及抗冻防渗效果，甚至会影响到建筑物的正常运行，造成难以估量的重大损失。

变态混凝土的加浆是一道极其关键的施工工序，直接影响到变态混凝土的质量。因此，需对变态混凝土所用净浆进行试验，设计出净浆的配合比参数及加浆量等参数。优选原材料并优化配合比设计，可制取高性能加浆变态混凝土。通过在净浆中掺加合适掺量的 UEA 膨胀剂和粉煤灰掺合料，使之具备了良好的补缩效应，对加浆变态混凝土起到了显著的改性作用，有效降低混凝土早期收缩，提高混凝土耐久性。

2 变态混凝土配合比设计

2.1 碾压及变态混凝土设计要求

变态混凝土试验包括基材（碾压混凝土和变态浆液）和碾压混凝土后加浆液变态过程两部分。碾压混凝土已有相应的试验和施工规范可供参考，变态浆液及加浆变态过程尚无相关的试验和规范可供参考。本文通过某大型水电工程为例，探讨变态混凝土配合比设计方法，其设计要求见表 1。

表1　碾压和变态混凝土设计指标

2.2 变态混凝土配合比试验

根据 DL/T 5112—2009《水工碾压混凝土施工规范》要求，变态混凝土的水胶比应不大于同种碾压混凝土的水胶比，粉煤灰掺量不宜大于拟变态的碾压混凝土，通过变态混凝土性能试验来确定浆液配合比及适宜的加浆量，使变态混凝土获得良好的可施工性，并与碾压混凝土的性能相匹配。

2.2.1 碾压混凝土配合比及试验成果

本体碾压混凝土配合比及试验成果见表2和表 3。

表2　碾压混凝土配合比材料用量表

表3　碾压混凝土性能试验成果表

2.2.2 净浆配合比设计

采用中热 42.5 水泥，减水剂掺量为 0.6%，Ⅱ级粉煤灰、ZB-1RCC15 减水剂和 UEA 膨胀剂进行净浆配合比设计。试验方案采用正交设计法，选用正交表见表 4。通过净浆水胶比、粉煤灰掺量、膨胀剂掺量、加浆量 4 个影响因素进行变态性能试验研究（表 5）。

表4　净浆配合比正交试验 L9(34) 因素水平表

表5　L9(34) 组合方案表

（1）水胶比的选择

水胶比增大，净浆泌水率显著增大，粘度、结石强度均大幅降低。综合各项指标的影响及规范要求，认为不超过同种碾压混凝土的水胶比为宜，这样变态混凝土的强度能满足设计要求。故选用 0.40、0.45、0.50 三个水胶比。

（2）粉煤灰的掺量选择

根据 DL/T 5112—2009《水工碾压混凝土施工规范》要求，变态混凝土的净浆粉煤灰掺量不宜大于拟变态的碾压混凝土，可适当减小。粉煤灰掺量可根据浆液的流动性及强度来确定，满足设计强度要求的掺量。根据碾压混凝土的掺量选择 0%、25%、50%。

（3）减水剂的掺量选择

根据 DL/T 5433—2009《水工碾压混凝土试验规程》规范要求，变态混凝土浆液所用的减水剂掺量应与拟变态的碾压混凝土相同，不掺加引气剂。减水剂掺量为 0.6%。

（4）膨胀剂掺量选择

在浆液中添加一定的膨胀剂，使水泥在水化期间能够依靠膨胀剂的作用而产生一定量的膨胀，从而弥补了水泥石的收缩，达到防治裂缝，提高变态混凝土抗裂性能的作用。膨胀剂掺量超过 10%，净浆结石强度明显降低，由此可见，加浆变态混凝土中的膨胀剂掺量以不超过 10% 为宜。故选择三个掺量 0%、4%、8%。

（5）加浆量选择

以加浆后变态混凝土的坍落度满足 10～30mm 来控制。净浆掺入量分别采用 4%、5% 和 6% 进行试验。

2.2.3 变态混凝土性能试验成果

2.2.3.1 不同净浆配比拌制变态混凝土性能

按表 4、表5的正交试验方案，将不同配方的净浆掺入到原碾压混凝土本体中，进行不同净浆配合比配制出的变态混凝土拌合物性能和硬化混凝土性能试验，通过浆液及变态混凝土性能试验，优选出变态混凝土净浆配合比及加浆量，其具体各项试验成果见表 6、7。

表6　变态混凝土拌合物性能试验成果表

表7　变态混凝土正交试验 L9(34) 性能成果表

极差 R 的大小用来衡量试验中相应因素作用的大小。极差大的因素，说明它的三个水平对其指标所造成的差别大，通常是重要因素。从上述试验结果可以看出，影响泌水率的因素大小顺序为：水胶比＞粉煤灰掺量＞膨胀剂掺量＞加浆量；影响抗压强度因素大小顺序为：水胶比＞粉煤灰掺量＞膨胀剂掺量＞加浆量；影响极限拉伸因素大小顺序为：水胶比＞加浆量＞粉煤灰掺量＞膨胀剂掺量。

从表6试验成果可以看出，当净浆加入量为 6% 时，变态混凝土坍落度在 10～30mm 范围内，混凝土含气量在5%～6%之间。因此，三级配变态混凝土合适加浆量为 6%。

从表7试验成果可以看出，随着净浆水胶比的降低，变态混凝土抗压强度提高。当加浆量为 6%，净浆水胶比采用0.40，粉煤灰掺量 50%，膨胀剂掺量 8% 时，净浆泌水率较小，其对应的变态混凝土 28d 和 90d 抗压强度、极限拉伸值与原三级配碾压混凝土强度接近，且都满足变态混凝土设计要求，故采用此净浆配合比配制三级配变态混凝土。

2.2.3.2 变态混凝土抗冻、抗渗性能

采用净浆水胶比采用 0.40 时，粉煤灰掺量 50%，膨胀剂掺量 8%，进行变态混凝土抗冻和抗渗试验，具体试验成果见表 8。

表8　变态混凝土抗冻和抗渗性能试验成果表

从试验成果看，三级配变态混凝土 90d 龄期抗冻等级和抗渗等级均达到设计要求，且抗冻抗渗性能良好。

2.2.3.3 混凝土自生体积变形

采用净浆水胶比采用 0.40 时，粉煤灰掺量 50%，膨胀剂掺量 8%，进行变态混凝土自生体积变形试验，试验成果见图

图1　变态混凝土自生体积变形与龄期关系曲线

从试验成果看，三级配变态混凝土自生体积变形呈膨胀趋势，最大变形值为 22×10-6，能很好地补偿混凝土收缩，预防混凝土开裂。

2.2.3.4 混凝土绝热温升

采用净浆水胶比采用 0.40 时，粉煤灰掺量 50%，膨胀剂掺量 8%，进行变态混凝土绝热温升试验，具体成果见表 9，混凝土绝热温升与龄期关系见图 2。

从上述试验成果可以看出，三级配变态混凝土的温升值较低，远远小于设计要求，有利于大体积混凝土温控。

2.3 推荐变态混凝土净浆配合比

根据上述试验成果，推荐变态混凝土净浆配合比见表10，净浆加入量为 6%。

表9　变态混凝土绝热温升公式表

图2　变态混凝土绝热温升值与龄期关系图

表10　推荐变态混凝土净浆配合比表

3 结语

（1）变态混凝土设计应结合碾压混凝土、净浆及变态混凝土三者之间的关系，以保证碾压与加浆变态两类混凝土在强度、变形等性能上匹配性，满足坝体材料及结构的要求。

（2）变态混凝土净浆性能是决定变态混凝土品质的关键因素，净浆配合比设计可采取正交设计方法进行试验。

（3）优选原材料并优化配合比，可制取高性能加浆变态混凝土。通过在净浆中掺加适量 UEA 膨胀剂及粉煤灰，使之具备了良好的补缩效应，对加浆变态混凝土起到了显著的改性作用，有效降低了混凝土早期收缩，温升较小，能提高混凝土的耐久性。

[1] 河北省水利工程局．全碾压面层加浆混凝土坝耐久性研究报告[D]．1998．

[2] 李鹤龄，王泽秀．高性能加浆变态混凝土研究[J]．水科学与工程技术，2010(3)．

[3] DL/T5112-2009．水工碾压混凝土施工规范[S]．

[4] DL/T5443—2009．水工碾压混凝土试验规程[S]．

［通讯地址］湖北省宜昌市西陵区清波小区 25 号 葛洲坝集团勘测设计有限公司（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，副总经理 高级工程师，从事混凝土及原材料检测及研究工作。