變態(tài)混凝土配合比設(shè)計及性能研究

任喜平 張 樂 楊軍超

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

變態(tài)混凝土配合比的設(shè)定和現(xiàn)場試驗在碾壓混凝土大壩建設(shè)中起著舉足輕重的作用。經(jīng)過多年的水利工程建設(shè)，我國在變態(tài)混凝土配合比方面已積累了很多經(jīng)驗，但變態(tài)混凝土在特殊地區(qū)大壩建設(shè)中的施工經(jīng)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(qū)域，幾乎沒有成熟的變態(tài)混凝土配合比的試驗成果可以作為參考依據(jù)。三河口大壩變態(tài)混凝土試驗立足于實用、簡便和理論聯(lián)系實際，在工地現(xiàn)場進(jìn)行本地區(qū)變態(tài)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(jì)渭黃金峽碾壓混凝土大壩建設(shè)提供了混凝土配比依據(jù)，也為變態(tài)混凝土在秦嶺腹地這一特殊氣候區(qū)域的推廣應(yīng)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(nèi)的子午河上，該地區(qū)的平均溫度多年維持在12.3℃左右，高溫季節(jié)的最高溫度可達(dá)37.4℃左右，低溫季節(jié)最低溫度可達(dá)-16.4℃左右，當(dāng)?shù)貧鉁伢E降現(xiàn)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(cè)表面及碾壓混凝土壩體自身與岸坡段巖體結(jié)合部位都采用變態(tài)混凝土，結(jié)合三河口水利樞紐大壩工程特殊情況，從變態(tài)混凝土配合比設(shè)計入手，在大壩右岸壩肩布置獨立制漿系統(tǒng)、流量計量裝置。對壩體寬1m變態(tài)區(qū)的施工嚴(yán)格按照《大壩變態(tài)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(shè)完成后開挖兩道深和寬各15cm的溝槽，然后按照設(shè)計要求注入相應(yīng)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(tài)區(qū)進(jìn)行振搗，達(dá)到密實要求，變態(tài)區(qū)和碾壓混凝土施工區(qū)采取同步上升的施工方案。

2 變態(tài)混凝土設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)大壩工程招標(biāo)投標(biāo)文件和設(shè)計圖紙的內(nèi)容，大壩變態(tài)混凝土主要設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 大壩變態(tài)混凝土主要設(shè)計指標(biāo)

3 變態(tài)混凝土配合比參數(shù)確定

根據(jù)三河口碾壓混凝土大壩設(shè)計文件中對變態(tài)混凝土配合比試驗材料特性的要求，在施工現(xiàn)場的第三方實驗室通過室內(nèi)試拌及試驗研究，三河口水利樞紐壩體變態(tài)混凝土經(jīng)過優(yōu)化后的配合比參數(shù)見表2。

表2 大壩變態(tài)混凝土配合比的試驗參數(shù)

4 大壩變態(tài)混凝土配合比研究試驗

變態(tài)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(tài)混凝土經(jīng)濟(jì)、實用、澆筑工藝簡便[2]，在碾壓混凝土中普遍使用，具有常態(tài)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(jié)合及抗?jié)B性能[3]。根據(jù)引漢濟(jì)渭三河口大壩設(shè)計的變態(tài)混凝土配合比試驗的相應(yīng)參數(shù)值，對壩體上、下游變態(tài)混凝土的拌和材料變形、力學(xué)特性等物理性能進(jìn)行分析研究。

4.1 壩體變態(tài)混凝土拌和物各性能參數(shù)

三河口大壩變態(tài)混凝土配合比試驗按照相應(yīng)的變態(tài)混凝土試驗規(guī)程進(jìn)行，壩體上、下游區(qū)變態(tài)混凝土各性能參數(shù)值見表3。

表3 壩體上、下游區(qū)變態(tài)混凝土各性能參數(shù)值

4.2 大壩變態(tài)混凝土力學(xué)、變形性能

抗壓強度、劈拉強度是大壩變態(tài)混凝土的主要力學(xué)性能指標(biāo)，變態(tài)混凝土強度試驗過程是將拌和物裝入標(biāo)準(zhǔn)實驗?zāi)Ｐ?分兩層)，裝入后每層混凝土需要進(jìn)行25次插搗，按照相應(yīng)的試驗操作規(guī)程在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至齡期后進(jìn)行相應(yīng)的加荷試驗[4]，大壩變態(tài)混凝土的力學(xué)及變形性能試驗結(jié)果見表4和表5。

表4 壩體上、下游區(qū)變態(tài)混凝土力學(xué)性能參數(shù)

表5 壩體上、下游區(qū)變態(tài)混凝土變形參數(shù)

4.3 壩體變態(tài)區(qū)混凝土耐久性的數(shù)值

判斷壩體變態(tài)區(qū)混凝土耐久性的標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在抗凍、抗?jié)B性方面[5]，三河口大壩變態(tài)區(qū)混凝土抗凍等級為F200，抗?jié)B等級為W8，試驗過程采用三河口大壩混凝土施工現(xiàn)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(jìn)行加壓，不斷地循序穩(wěn)定加壓達(dá)到設(shè)計水壓力抗?jié)B等級8h后，表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象的數(shù)量小于3個，說明變態(tài)混凝土的抗凍、抗?jié)B等級超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。壩體上、下游變態(tài)區(qū)混凝土耐久性數(shù)值見表6。

表6 壩體上、下變態(tài)區(qū)混凝土耐久性數(shù)值

從上述試驗結(jié)果可以看出三河口壩體變態(tài)混凝土配合比試驗設(shè)計參數(shù)科學(xué)合理，能夠滿足試驗規(guī)程和設(shè)計的相關(guān)要求，試驗結(jié)果表明：

二級配變態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)混凝土90天齡期極限拉伸值均滿足設(shè)計要求。

變態(tài)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(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到55%時，二、三級配碾壓混凝土抗凍性能已接近臨界值。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)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(tài)混凝土二、三級配抗?jié)B指標(biāo)均都大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 變態(tài)混凝土配合比

綜合以上的試驗成果，變態(tài)混凝土的組成及配合比見表7。

表7 變態(tài)混凝土的配合比

5 變態(tài)混凝土的效果評價

5.1 檢測成果

5.1.1 凈漿的檢測結(jié)果

在三河口大壩2017年的施工過程中，通過科學(xué)地統(tǒng)計梳理變態(tài)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(shè)計要求。在現(xiàn)場實際施工時，凈漿強度的平均值為24.2MPa，全部達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.2 過渡區(qū)壓實情況的檢測結(jié)果

在三河口大壩施過程中，試驗方嚴(yán)格按照《大壩過渡區(qū)試驗檢測技術(shù)要求》及時做好了過渡區(qū)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(shù)值為103.4%。

5.1.3 力學(xué)檢測結(jié)果

在大壩變態(tài)區(qū)域共抽取6批混凝土進(jìn)行相關(guān)性能檢測，結(jié)果見表8和表9。

表8 大壩變態(tài)混凝土抗壓強度檢測結(jié)果

表9 三河口大壩變態(tài)混凝土性能檢測結(jié)果

5.2 效果評價

引漢濟(jì)渭三河口大壩變態(tài)混凝土區(qū)是混凝土質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場施工中通過優(yōu)化施工工藝、做好養(yǎng)護(hù)和溫控等質(zhì)量控制措施，使得變態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)致密、表面光滑，變態(tài)區(qū)和碾壓區(qū)的膠結(jié)情況良好，其試驗成果在工程建設(shè)中達(dá)到了預(yù)期效果，確保了工程實體各項質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求。

6 結(jié) 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(tài)混凝土的抗?jié)B、抗凍、極限拉伸值要求高。根據(jù)現(xiàn)場變態(tài)混凝土配合比試驗結(jié)論，并通過在施工過程不斷總結(jié)和分析，選擇最優(yōu)的水膠比、合理補充一定的高效減水劑和引氣劑、適當(dāng)增加粉煤灰添加量、采取恰當(dāng)?shù)拇胧┳龊米儜B(tài)混凝土含氣量的控制，可加強變態(tài)混凝土的抗裂和耐久性能。根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)、《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)、設(shè)計圖紙和相關(guān)技術(shù)要求，可以看出三河口碾壓混凝土大壩中變態(tài)混凝土配合比試驗設(shè)計參數(shù)都能達(dá)到規(guī)范和設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。變態(tài)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(xiàn)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(tài)混凝土，可使其具有良好的和易性。