2.3 变态混凝土配合比与特性研究

龙滩水电站大坝上游面的变态混凝土作为防渗体的一部分，参考常态混凝土坝的上游面外部混凝土分区要求，提出变态混凝土的主要设计指标：强度等级为C₉₀25；抗渗等级为W12（龄期90d）；抗冻等级为F150（龄期90d）；极限拉伸值为85×10^-6（龄期28d）；坍落度为3～5cm；最大水胶比不大于0.45。

2.3.1 原材料试验方案

试验研究采用广西鱼峰水泥股份有限公司生产的鱼峰牌52.5R中热硅酸盐水泥，试验用的粉煤灰有两种，即贵州凯里灰及云南宣威灰，试验用粗、细骨料为龙滩麻村料场砂石系统生产的石灰岩人工骨料，试验采用外加剂包括高效减水剂（ZB-1Rcc15，ZB-1，FDN-04，JM-2）和引气剂（ZB-1G，DH₉，AE，JM-2000）两类。

变态混凝土浆液中掺合料还采用了高性能掺合料，该掺合料比表面积大，就28d强度比结果看，其有增强效果，并且强度高于粉煤灰。在变态混凝土浆液中使用的外加剂增加了改性剂，通过在普通外加剂中增加改性剂，以改善“水、水泥、粉煤灰”组成的变态混凝土浆液性能。

2.3.2 改性外加剂型变态混凝土配合比研究

2.3.2.1 浆液配合比及浆液质量控制研究

根据对浆液进行大量流变性能、稳定性和仿真试验结果，并对外加剂进行了各类组合试验，经筛选选定的外加剂组合和浆液配合比见表2.30。

变态混凝土加浆浆液必须具有良好的流变性、体积稳定性和抗离析性，控制浆液流动度是保证浆液流变性能稳定和变态混凝土质量的必要条件，浆液流变性能中一个指标是流动度。

浆液流动度测定常用水泥净浆流动度测定方法：《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077—2000），这种方法一般适用于稠度较稠的浆液，净浆流动度大约在130～180mm。变态混凝土用浆液一般稠度较稀，净浆流动度在250mm以上，超出净浆流动度的精度测试范围，不能真实反映变态混凝土浆液的流动性能，为此，专门研制了一种新的锥体流动度仪，又称Marsh流动度仪，用来测量浆液流动度。

2.3.2.2 浆液性能试验

（1）浆液的强度。浆液制成4cm×4cm×16cm试件，测定其抗压强度和抗折强度，试验结果见表2.31。

（2）浆液的凝结时间和静置稳定性。浆液的凝结时间测定执行《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2001），静置稳定性用浆液的Marsh流动度与历时的关系表示，即拌制好的浆液静置不同时间后重新搅拌测定其Marsh流动度，试验结果见表2.32。

2.3.2.3 变态混凝土加浆方式和加浆率试验

在碾压混凝土配合比和浆液配合比确定的情况下，现场加浆方式和加浆率是影响变态混凝土配合比和质量的重要因素。采用实验室仿真试验研究变态混凝土加浆方式、加浆率和变态混凝土振动液化形态，并为变态混凝土施工加浆方式提供试验依据。

图2.14 变态混凝土仿真模型示意图（尺寸：cm）

（1）仿真试验模型。仿真试验模型见图2.14，仿真试件高0.3m，相当于一层碾压混凝土层厚，插入式振动器采用ZX-50型振动器。

（2）不同加浆方法和加浆率仿真试验。从国内各工程已采用的加浆方法中筛选出底层、中间层和造孔加浆3种加浆方法进行仿真试验。不同加浆方法和加浆率仿真试验结果见表2.33。

在仿真试验中，由观察窗可以清楚观察到振动液化后浆液上浮和碾压混凝土颗粒排列整个过程的形态变化。

仿真试验表明，从振动液化机理考虑，3种加浆方法中以底层加浆最好，从简化施工工艺考虑，底层加浆方法最简便；合适的加浆率（体积%）可以从仿真试件表面泛浆分析判断，加浆率为4%～5%，表面全部泛浆，振动时间大约30s；浆液Marsh流动度为9±3s的浆液与其相适应的加浆率为4%～5%；加浆率过高，会在顶面上形成一层浮浆，如果浆液泌水，稳定性差，浮浆表面会出现一层粉煤灰浆，将降低层缝的抗拉强度和抗剪黏聚力，也易形成渗漏通道；不论是底层加浆还是造孔加浆，加浆率5%（体积百分比）时3种优化浆液的6个配比7d龄期抗压强度差异不大，振实容重达到2450kg/m³以上，满足设计规定值。

2.3.2.4 变态混凝土拌和物配合比

（1）试验室拌制成型变态混凝土试件方法。在试验室模拟变态混凝土形成过程制作混凝土试件，除采用仿真试验方法外，也可将拌制好的碾压混凝土摊铺成一定厚度（10～15cm），在其上洒铺已拌制好浆液，其量按已设定的加浆率（体积比）计算，然后人工翻拌两次，装入试模，按水工混凝土试验规程规定的成型方法成型试件。

采用仿真试件抗压强度与试验室拌制成型试件抗压强度的对比表明：试验室成型试件的抗压强度比仿真试件抗压强度值高，平均约高6%；从试件尺寸效应考虑，高出不超过10%是合理的。由此说明试验室成型的变态混凝土试件能够反映出变态混凝土的本质和性能。

（2）变态混凝土拌和物配合比及性能。优选并用于性能试验的配合比见表2.34，变态混凝土凝结时间试验结果见表2.35。

2.3.2.5 变态混凝土物理力学性能

（1）抗压强度。抗压强度试验结果见表2.36。试验表明：变态混凝土90d龄期抗压强度均大于35MPa，超过设计抗压强度规定。

（2）轴向抗拉强度。轴拉强度试验结果见表2.37。

（3）压缩弹性模量和极限拉伸。压缩弹性模量和极限拉伸试验结果见表2.38，28d极限拉伸偏小。

（4）体积变形。试验结果表明：变态混凝土的自生体积变形皆为膨胀，28d龄期自生体积变形为（20～25）×10^-6，90d龄期后仍维持不变或略有增长；膨胀（20～25）×10^-6相当于抵消2～3℃温差所引起的拉应力。

28d龄期后干缩值基本稳定，后龄期略有增加，至90d龄期干缩值在（160～200）×10^-6范围内（图2.15）。龙滩水电站变态混凝土用水量只有102kg/m³，故其干缩值比常态混凝土小，但比二级配碾压混凝土的干缩值高出10%～15%。

图2.15 变态混凝土自生体积变形

（5）耐久性。抗渗性试验结果见表2.39。5种变态混凝土的抗渗性全部超过设计要求W12（90d）。抗冻性试验结果表明，除LTG2-23配合比不能满足抗冻性要求外，其余3种变态混凝土抗冻性均满足F150设计规定。

（6）热学性能。

1）热线胀系数。热胀系数测定结果见表2.40。

2）绝热温升。变态混凝土LTG2-21的绝热温升过程曲线见图2.16。采用最小二乘法进行曲线拟合，得出混凝土的绝热温升-历时最优拟合表达式见表2.41。

2.3.3 高性能掺合料型变态混凝土配合比研究

2.3.3.1 变态混凝土加浆浆液配合比及浆液质量控制研究

图2.16 龙滩水电站变态混凝土绝热温升过程曲线和拟合曲线

已建碾压混凝土坝中变态混凝土施工，主要采用水泥浆或水泥粉煤灰浆。为满足龙滩水电站碾压混凝土重力坝防渗要求，在常用的水泥浆和水泥粉煤灰浆加入高性能掺合料，以提高变态混凝土的浆液性能。

通过试验分析了粉煤灰对纯水泥浆液的影响、外加剂对变态材料性能的影响以及高性能掺合料对浆材性能的影响，综合以上变态材料对变态浆液的影响，选取了6种改性变态浆液作为推荐的变态材料配合比进行重点研究，在其基础上检验变浆材料的性能。选取的浆液黏度（用普里帕克漏斗测定）范围为19～29s，配合比见表2.42。

在试验研究中浆液质量主要采用锥形漏斗法对浆液的表观黏度采用普里帕克漏斗进行控制。控制浆液流出时间在22～32s范围内，以5%的掺量，掺入二级配碾压混凝土中，可获得满足设计要求的变态混凝土。

2.3.3.2 浆液性能试验

（1）变态浆液的凝结时间、强度、干缩性能。推荐配合比的强度以水泥粉煤灰浆最低，水泥高性能掺合料浆最高，见表2.43。

表2.43表明，初凝时间在23.28～31.18h范围内。水泥高性能掺合料浆的干缩率略高于水泥粉煤灰（宣威灰）高性能浆，水泥粉煤灰浆干缩率最小。

（2）变态浆液的工作性。由试验结果可知：推荐的浆体在温度20℃的条件下，工作性至少可保持在1h内，变态浆液的黏度随温度变化，温度升高使胶凝材料水化加快，水分散失较多，因此变态浆液的可用时间将随温度的升高而减小。

2.3.3.3 变态混凝土加浆率试验

掺浆量选择了3%、4%、5%、6%、7%5个掺浆比例，以机口变态方式进行试验，研究成果表明：随着掺浆量的增加，变态混凝土坍落度变大，含气量增大，混凝土的体积密度降低。掺浆量为5%时，拌和物坍落度55mm，含气量2.88%，容重2425kg/m³，各项指标较为理想，据此确定变态混凝土掺浆量采用5%。

2.3.3.4 变态混凝配合比选择试验研究

配合比选择试验用推荐的6种变态浆液配合比进行变态混凝土拌和物的坍落度、含气量、容重等的基本性能的测试，以及硬化变态混凝土的抗压、劈拉、轴拉强度、极限拉伸值等性能的试验，通过对试验成果进行分析，推荐变态混凝土的基本配合比进行重点研究。

变态混凝土性能研究确定针对编号为BTO（宣威灰）和BTR（凯里灰）两个配合比，配合比参数及拌和物性能见表2.44，掺浆量为5%。

2.3.3.5 变态混凝土物理力学性能

对BTO（宣威灰）和BTR（凯里灰）两个配合比的变态混凝土进行了抗压强度、劈拉强度、抗剪断、弹性模量、极限拉伸、抗冻、抗渗、自生体积变形、线膨胀、绝热温升、干缩等物理力学性能试验。

1.抗压强度、劈拉强度

变态混凝土立方体抗压强度和劈拉强度试验成果及强度随龄期的增长率见表2.45，变态混凝土拉压强度比值列于表2.46。

试验结果表明：变态混凝土的抗压强度和劈拉强度都随龄期的增大而增长；变态混凝土拉压强度比值在0.09～0.13范围内，符合混凝土强度特性的一般规律，变态混凝土的拉压比值较碾压混凝土有所提高。

对变态混凝土及基准碾压混凝土抗压强度与龄期τ的函数关系采用双曲线式和复合指数式两种数学关系进行拟合表明，用双曲线式及复合指数式拟合的数据与试验数据复合得很好，相关系数高，变态混凝土采用双曲线式拟合精度稍高。

2.抗剪断性能

变态混凝土抗剪断试验采用尺寸为15cm×15cm×15cm立方体试件，水平荷载施力的剪切面为变态混凝土的一次加浆位置，试验分为0.75MPa、1.50MPa、2.25MPa、3.0MPa四级施加法向荷载。试验成果见表2.47，抗剪应力与位移的关系见图2.17及图2.18。变态混凝土抗剪断试验剪应力与法向应力关系见图2.19。

图2.17 2.25MPa法向应力下抗剪应力与位移图（BTR）

图2.18 3.0MPa法向应力下抗剪应力与位移图（BTO）

图2.19 变态混凝土抗剪断试验剪应力与法向应力关系图

试验成果表明，两个配比的变态混凝土的抗剪断指标都能满足龙滩水电站的设计要求。

3.弹性模量与极限拉伸性能

各龄期的轴心抗压强度、抗压弹模和极限拉伸值试验成果见表2.48，增长系数见表2.49。对于抗压弹性模量和极限拉伸值随龄期变化的函数关系，仍采用双曲线式和复合指数式拟合，方程式及相关系数见表2.50。

试验成果显示：各龄期的轴心抗拉强度与标准立方体抗压强度比值在0.10～0.13范围内，并且不随龄期增长而变化；抗拉弹模略高于抗压弹模；对于抗压弹模和极限拉伸与龄期的关系，用双曲线公式拟合的计算精度较用复合指数公式高。

4.变态混凝土变形性能

（1）自生体积变形。自生体积变形随龄期变化曲线见图2.20。

图2.20 变态混凝土（BTO）自生体积变形随龄期变化过程曲线图

由变化曲线可以看到：BTO是早期膨胀，后期收缩型，28d后趋于平稳；二级配碾压混凝土均为收缩变形；膨胀性自生体积变形对混凝土结构在降温过程中的拉应力能产生一定的补偿作用。

（2）干缩性能。干缩率与龄期的关系曲线图见图2.21，变态混凝土干缩较上游面二级配碾压混凝土略大。

图2.21 变态混凝土（BTO）干缩率随龄期变化曲线图

5.耐久性

抗冻性性能试验成果表明：变态混凝土抗冻性能较上游面二级配碾压混凝土提高，BTO（宣威灰）的试件能满足设计的F150抗冻要求。混凝土抗渗性试验成果表明：抗渗等级大于W12，均能满足设计的抗渗要求，且渗透系数较小，且较使用同种缓凝高效减水剂的碾压混凝土有所提高。

6.热学性能

（1）线膨胀系数。编号为BTO混凝土，线膨胀系数a=4.24×10^-6/℃；编号为BTR混凝土，线膨胀系数a=3.47×10^-6/℃；碾压混凝土线膨胀系数a=3.75×10^-6/℃。试验成果说明两种变态混凝土线膨胀系数均较小；同种骨料的变态混凝土与碾压混凝土线膨胀系数相差不大。

（2）绝热温升。试验结果表明：28d时BTO配比每千克胶凝材料产生的温度值为0.09℃，BTR配比每千克胶凝材料产生的温度值为0.088℃，两者很接近；编号为BTO的变态混凝土，最终绝热温升为26.65℃，编号为BTR的变态混凝土最终绝热温升为25.8℃，均较低，有利于大坝的温控防裂；变态混凝土绝热温升值略高于碾压混凝土，较常态混凝土低很多，这也证明了采用推荐的浆液配合比不至于给混凝土带来过多的绝热温升。采用双曲线式、指数式、复合指数式对试验结果进行拟订，用指数式和复合指数式拟合的值与试验数据很接近，精度很高，拟订的方程见表2.51。

2.3.4 变态混凝土掺浆方式及均匀性影响室内试验研究

为研究变态混凝土掺浆方式和均匀性对混凝土性能的影响，开展了相应的室内试验工作。试验采用与龙滩三级配碾压混凝土相同的原材料，基本配合比见表2.52，试验中考虑不同的变态方法，即一次变态和二次变态，并考虑10s、30s和50s 3种不同的成型振动时间。一次变态指碾压混凝土一次装模，然后在其顶部掺浆并插捣振动成型；二次变态指碾压混凝土分两次装模，水泥浆也相应地分两次分别在试件中部和顶部掺入并插捣，然后振动成型。

显然，采用二次变态的浆液在碾压混凝土内的均匀程度比一次变态更好，上述试验成果见表2.53和表2.54。

从试验结果可知，无论强度还是抗渗指标，变态混凝土室内成型试件均以二次装模为好，即与掺浆的均匀程度关系密切，表层掺浆不利于浆液在碾压混凝土内充分扩散，对变态混凝土性能有一定影响。

2.3.5 变态混凝土推荐配合比

通过对各类浆材改性的变态混凝土进行的大量试验研究，根据设计要求和试验研究成果，推荐满足龙滩大坝上游防渗结构要求的变态混凝土配合比如下。

2.3.5.1 高性能掺合料型变态混凝土

高性能掺合料型变态混凝土推荐配合比见表2.55。

编号BTR的变态混凝土由于采用的凯里粉煤灰烧失量较大，引气效果较差，使抗冻等级不满足设计要求。需适当增加引气剂掺量，使变态混凝土拌和物含气量达到3%左右，可满足抗冻要求。

2.3.5.2 普通水泥粉煤灰浆材变态混凝土

普通水泥粉煤灰浆材变态混凝土推荐配合比见表2.56。