变态混凝土配合比设计及性能研究

任喜平 张 乐 杨军超

(陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100)

变态混凝土配合比的设定和现场试验在碾压混凝土大坝建设中起着举足轻重的作用。经过多年的水利工程建设，我国在变态混凝土配合比方面已积累了很多经验，但变态混凝土在特殊地区大坝建设中的施工经验仍较少[1]，在秦岭腹地这种介于南方和北方之间的气候区域，几乎没有成熟的变态混凝土配合比的试验成果可以作为参考依据。三河口大坝变态混凝土试验立足于实用、简便和理论联系实际，在工地现场进行本地区变态混凝土配合比试验研究，并在三河口水利枢纽工程中成功运用，为引汉济渭黄金峡碾压混凝土大坝建设提供了混凝土配比依据，也为变态混凝土在秦岭腹地这一特殊气候区域的推广应用做好了铺垫。

1 工程概况

三河口水利枢纽大坝位于陕西省汉中市佛坪县与宁陕县交界处境内的子午河上，该地区的平均温度多年维持在12.3℃左右，高温季节的最高温度可达37.4℃左右，低温季节最低温度可达-16.4℃左右，当地气温骤降现象也比较明显。三河口水利枢纽大坝为碾压混凝土双曲拱坝，河床段坝体的最高高度为141.5m，大坝坝体的上游防渗面、下游侧表面及碾压混凝土坝体自身与岸坡段岩体结合部位都采用变态混凝土，结合三河口水利枢纽大坝工程特殊情况，从变态混凝土配合比设计入手，在大坝右岸坝肩布置独立制浆系统、流量计量装置。对坝体宽1m变态区的施工严格按照《大坝变态混凝土专项施工方案》通过人工方式在每层碾压混凝土铺设完成后开挖两道深和宽各15cm的沟槽，然后按照设计要求注入相应的净浆，采用功率比较大的机械振捣器对坝体碾压混凝土和浆液混合的变态区进行振捣，达到密实要求，变态区和碾压混凝土施工区采取同步上升的施工方案。

2 变态混凝土设计指标

根据大坝工程招标投标文件和设计图纸的内容，大坝变态混凝土主要设计指标见表1。

表1 大坝变态混凝土主要设计指标

3 变态混凝土配合比参数确定

根据三河口碾压混凝土大坝设计文件中对变态混凝土配合比试验材料特性的要求，在施工现场的第三方实验室通过室内试拌及试验研究，三河口水利枢纽坝体变态混凝土经过优化后的配合比参数见表2。

表2 大坝变态混凝土配合比的试验参数

4 大坝变态混凝土配合比研究试验

变态混凝土是由碾压混凝土掺加水泥、粉煤灰、外加剂、水按一定比例组合而成的灰浆，形成具有坍落度的特殊混凝土。变态混凝土经济、实用、浇筑工艺简便[2]，在碾压混凝土中普遍使用，具有常态混凝土的坍落度、流动性，正常振捣即可泛浆，一般作为碾压混凝土边界、建筑物表面和防渗性混凝土，使坝体表面光洁、平整、美观，具有较好的结合及抗渗性能[3]。根据引汉济渭三河口大坝设计的变态混凝土配合比试验的相应参数值，对坝体上、下游变态混凝土的拌和材料变形、力学特性等物理性能进行分析研究。

4.1 坝体变态混凝土拌和物各性能参数

三河口大坝变态混凝土配合比试验按照相应的变态混凝土试验规程进行，坝体上、下游区变态混凝土各性能参数值见表3。

表3 坝体上、下游区变态混凝土各性能参数值

4.2 大坝变态混凝土力学、变形性能

抗压强度、劈拉强度是大坝变态混凝土的主要力学性能指标，变态混凝土强度试验过程是将拌和物装入标准实验模型(分两层)，装入后每层混凝土需要进行25次插捣，按照相应的试验操作规程在标养室养护至龄期后进行相应的加荷试验[4]，大坝变态混凝土的力学及变形性能试验结果见表4和表5。

表4 坝体上、下游区变态混凝土力学性能参数

表5 坝体上、下游区变态混凝土变形参数

4.3 坝体变态区混凝土耐久性的数值

判断坝体变态区混凝土耐久性的标准主要体现在抗冻、抗渗性方面[5]，三河口大坝变态区混凝土抗冻等级为F200，抗渗等级为W8，试验过程采用三河口大坝混凝土施工现场实验室的混凝土冻融试验机，对每组选取的6个试件分别进行加压，不断地循序稳定加压达到设计水压力抗渗等级8h后，表面出现渗水现象的数量小于3个，说明变态混凝土的抗冻、抗渗等级超过设计标准。坝体上、下游变态区混凝土耐久性数值见表6。

表6 坝体上、下变态区混凝土耐久性数值

从上述试验结果可以看出三河口坝体变态混凝土配合比试验设计参数科学合理，能够满足试验规程和设计的相关要求，试验结果表明：

二级配变态混凝土水胶比0.46，粉煤灰掺量50%、55%、60%的90天龄期抗压强度均满足配置强度要求；三级配变态混凝土水胶比0.46，粉煤灰掺量50%、55%、60%的90天龄期抗压强度均满足配置强度要求；三级配变态混凝土水胶比0.49，粉煤灰掺量50%、55%、60%的90天龄期抗压强度均满足配置强度要求；二、三级配变态混凝土90天龄期极限拉伸值均满足设计要求。

变态混凝土随着粉煤灰掺量的提高，混凝土抗冻性能逐渐降低，当粉煤灰掺量达到55%时，二、三级配碾压混凝土抗冻性能已接近临界值。当粉煤灰掺量达到60%时，掺两种外加剂的二、三级配混凝土抗冻性能均小于F200，变态混凝土二、三级配抗渗指标均都大于设计标准。

4.4 变态混凝土配合比

综合以上的试验成果，变态混凝土的组成及配合比见表7。

表7 变态混凝土的配合比

5 变态混凝土的效果评价

5.1 检测成果

5.1.1 净浆的检测结果

在三河口大坝2017年的施工过程中，通过科学地统计梳理变态混凝土的净浆比重，得出比重的最大值和最小值分别为1.86和1.64，满足设计要求。在现场实际施工时，净浆强度的平均值为24.2MPa，全部达到设计标准。

5.1.2 过渡区压实情况的检测结果

在三河口大坝施过程中，试验方严格按照《大坝过渡区试验检测技术要求》及时做好了过渡区的压实度检测工作，其压实容重共检测1123次，最大值为2583kg/m3，最小值为2411kg/m3，平均值为2467kg/m3，压实度平均值为2467kg/m3，压实度平均数值为103.4%。

5.1.3 力学检测结果

在大坝变态区域共抽取6批混凝土进行相关性能检测，结果见表8和表9。

表8 大坝变态混凝土抗压强度检测结果

表9 三河口大坝变态混凝土性能检测结果

5.2 效果评价

引汉济渭三河口大坝变态混凝土区是混凝土质量控制的关键环节，在现场施工中通过优化施工工艺、做好养护和温控等质量控制措施，使得变态混凝土结构致密、表面光滑，变态区和碾压区的胶结情况良好，其试验成果在工程建设中达到了预期效果，确保了工程实体各项质量指标达到设计和规范要求。

6 结 语

三河口水利枢纽工程大坝地处秦岭腹地特殊气候地带，对坝体变态混凝土的抗渗、抗冻、极限拉伸值要求高。根据现场变态混凝土配合比试验结论，并通过在施工过程不断总结和分析，选择最优的水胶比、合理补充一定的高效减水剂和引气剂、适当增加粉煤灰添加量、采取恰当的措施做好变态混凝土含气量的控制，可加强变态混凝土的抗裂和耐久性能。根据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)、《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)、设计图纸和相关技术要求，可以看出三河口碾压混凝土大坝中变态混凝土配合比试验设计参数都能达到规范和设计的标准。变态混凝土施工过程中所采用的灰浆的水胶比要小于坝体碾压混凝土灰浆的水胶比，实际使用中也不宜过于黏稠，为方便现场施工，所有碾压混凝土中均掺入同一种灰浆。在碾压混凝土中掺入占其体积4%～6%的灰浆，使碾压混凝土变成具有2～4cm坍落度的变态混凝土，可使其具有良好的和易性。