上游面防渗变态混凝土试验研究.doc

“九五”国家重点科技攻关项目
合同编号：96-220-01-02-02⑴分子题

高碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构的研究
上游面防渗变态混凝土试验研究

国家电力公司中南勘测设计研究院
1999年8月

15

审 核：孙君森
校 核：金双全
编 写：林长农
试验人员：林长农 金双全 刘汉庭
史武祥 何祖湘 梁 萍
黄东霞 陈瑞良 刘 蓉
成 方 李双艳 朱育岷

科研所编制

目 录

1 前 言………………………………………………………………1
2 试验用材料及基本试验资料………………………………………2
3 变态混凝土试验研究………………………………………………3
3.1 变态混凝土用变态材料…………………………………………4
3.2 变态混凝土变态方式……………………………………………4
3.3 变态混凝土成型工艺（室内试验）……………………………5
3.4 变态混凝土性能…………………………………………………7
4 结论与建议………………………………………………………14

1 前言
设计研究中的龙滩碾压混凝土重力坝，工程规模巨大，电站装机5400MW，最大坝高216.5m，上游迎水面面积7.71万m2，水库库容为272.7亿m3，是一个多年调节水库。由于库大水深，放空机会少，检修条件差，要求防渗结构可靠、耐久、简单、并且对施工进度影响最小。龙滩高RCC重力坝上游面拟采用的防渗结构方案有：⑴ 继续改善RCC性能的防渗方案，如对大坝迎水面高程300.00m以下的变态混凝土与二级配RCC作防渗体部分，建议掺BSⅡ等外加剂；⑵ 钢筋混凝土面板与三级配RCC组合防渗方案；⑶ 坝前迎水面变态混凝土内配筋作为防渗方案；⑷ 钢板护面防渗方案；⑸ 浇注式沥青混凝土防渗方案。龙滩大坝典型剖面及RCC材料分区图分别见图1及图2，RCC性能要求见表1。

图1 龙滩大坝典型剖面图 图2 坝体RCC材料分区图

本试验研究就是考虑上述第一种方案，即在上游面采用1.5m以上厚度的二级配变态混凝土的防渗方案。由于变态混凝土现阶段无国标或行业标准指导试验室试验工作，并且从最近召开的“RCC′99碾压混凝土筑坝技术国际研讨会”上也没有看到系统的试验资料，因此，我们针对变态混凝土做了初步室内试验研究。主要包括：变态混凝土的变态方式、变态混凝土用变态材料、变态混凝土成型工艺以及变态混凝土的强度、力学性能、耐久性能、绝热温升、抗剪断特性等。现将试验成果整理如下。

表1 龙滩碾压混凝土材料分区及其主要性能要求表
分区编号
RⅠ
RⅡ
RⅢ
RⅣ
使用部分
高程250.00m以下的坝体（下部）
高程250.00m至300.00m坝体(中部)
高程300.00m以上坝体 (上部)
坝体上游面防渗
混凝土
主要控制因素
层面结合、抗剪断强度、低热
层面结合、抗剪断强度、低热
层面结合、抗剪断强度、低热
层面结合、抗剪断强度、抗渗、抗冻
VC值（s）
5－7
5－7
5－7
5－7
建议胶材总量
≥200kg/m3
≥180kg/m3
≥160kg/m3
≤240kg/m3
骨料级配
三
三
三
二
密实度
≥98%
≥98%
≥98%
≥98%
容重 (kg/m3)
＞2400
＞2400
＞2400
＞2400
渗透系数 (cm/s)
7.8×10－8
7.8×10－8
1.0×10－7
1.8×10－9
强度等级
C25
C20
C15
C25
抗拉强度 (MPa)
2.0
1.8
1.4
2.0
极限拉伸
85×10－6
80×10－6
75×10－6
85×10－6
抗冻标号
D100
D100
D100
D150
抗剪断强度
f′
主体1.17
层面
1.05
主体
1.07
层面
0.93
主体
1.0
层面
0.90
主体
1.17
层面
1.05
C′ (MPa)
2.16
1.70
2.10
1.50
1.97
0.95
2.16
1.70

2 试验用材料及基本试验资料
2.1 原材料
水 泥：柳州525(R)普通硅酸盐水泥
粉煤灰：田东Ⅱ级粉煤灰
骨 料：大法坪灰岩料场人工砂及人工碎石
外加剂：ZB-IRCC15、DH9、BSⅡ（水剂）
2.2 混凝土配合比
本试验研究共考虑了二级配碾压混凝土和常态混凝土两个品种，由于试验研究的重点不是混凝土配合比设计，所以，对于变态混凝土用基本配合比资料参考原龙滩工程“八五”攻关成果，由于外加剂品种与过去有所不同，故采用上述各外加剂对配合比进行了调整。基本配合比资料分别见表2.2-1及表2.2-2。

表2.2-1 二级配碾压混凝土和常态混凝土参考配合比(“八五”攻关成果)
序

号
W
C＋F
SP

(%)
F
C＋F
(%)
每m3混凝土材料用量 (kg)
备 注
W
C
F
S
G小
G中
外加剂
1
0.50
38
20
140
224
56
730
600
600
木钙0.56, 801 0.084
常态混凝土
2
0.41
39
58
98
100
140
843
528
791
FDNM500(R) 0.72
碾压混凝土

表2.2-2 二级配碾压混凝土和常态混凝土使用配合比 (本试验研究成果)
序

号
试件

编号
W
C＋F
SP

(%)
F
C＋F
(%)
每m3混凝土材料用量 (kg)
备 注
C+F
W
C
F
S
G中
G小
外加剂
1
9902
0.410
38
20
280
115
224
56
730
600
600
ZB-1RCC15 1.12
DH9 0.028
常态
混凝土
2
9903
0.375
38
20
280
105
224
56
730
600
600
BSⅡ 8.4
3
9904
0.410
38
20
280
115
224
56
730
600
600
ZB-1RCC15 1.12
4
9905
0.410
38
20
280
115
224
56
730
600
600
ZB-1RCC15 1.12
DH9 0.011
5
9901
0.346
39
58
240
83
100
140
843
791
528
ZB-1RCC15 0.96
DH9 0.024
碾压
混凝土
6
9919’
0.304
39
58
240
73
100
140
843
791
528
BSⅡ 7.2

3 变态混凝土试验研究
变态混凝土目前没有规范可循，因此，本试验研究按以下基本试验原则进行：⑴ 变态混凝土是指在已拌制好的碾压混凝土的基础上，通过加入一定比例的水泥浆等，使其演变成具有一定塌落度的混凝土；⑵ 参照原龙滩工程“八五”攻关二级配常态混凝土和碾压混凝土配合比[C25(90d)]，改用ZB-1RCC15、DH9、BSⅡ(水剂)外加剂进行验证调整试拌工作，使常态混凝土拌和物塌落度达到6～10cm，碾压混凝土拌和物VC值达到3～６秒；⑶ 变态混凝土变态用胶材量按碾压混凝土与常态混凝土胶凝材料总量的差值控制；⑷ 变态混凝土变态用材料分别考虑了水泥浆和高性能掺合料浆两种；⑸ 变态混凝土的变态方式分别考虑了机口变态、一次装模变态和二次装模变态三种形式；⑹ 变态混凝土的成型工艺主要从不同的变态方式(一次装模变态和二次装模变态)和不同的成型振动时间(10秒、30秒、50秒)等方面进行考虑；⑺ 常态混凝土试验遵循SD105-82《水工混凝土试验规程》进行；⑻ 碾压混凝土试验遵循SL48-94《水工碾压混凝土试验规程》进行。
3.1 变态混凝土用变态材料
变态混凝土用变态材料比选试验，是在相对固定变态混凝土的变
态用浆量以及水灰比的情况下进行。成果见表3.1-1。

表3.1-1 变态混凝土用变态材料比选试验成果表
序

号
试件

编号
变态材料
90d
抗压
强度
(MPa)
90d
劈 拉
强 度 (MPa)
拉
压
比
(%)
成型工艺
胶材类型及用量(kg/m3)
用浆量
(kg/m3)
用水量
(kg/m3)
水胶比
1
9910
水泥(浆)
40.0
67.0
27.0
0.675
42.49
3.41
8.03
二次装模变态，振动10秒
2
9911
37.78
3.29
8.70
二次装模变态，振动30秒
3
9912
37.51
3.25
8.66
二次装模变态，振动50秒
4
9913
高性能掺合
料(浆)40.0
67.0
27.0
0.675
31.53
2.99
9.48
二次装模变态，振动10秒
5
9914
32.68
3.23
9.88
二次装模变态，振动30秒

试验成果表明，掺水泥浆比掺高性能掺合料浆，对于变态混凝土的抗压强度和劈拉强度均有所提高，但拉压比值要低些。使用这两种变态材料均可使变态混凝土的强度指标满足C25要求。由于高性能掺合料掺入不会引起水化热值升高，并且其价格比水泥便宜，故可进一步研究其用作变态混凝土变态材料的可行性。
3.2 变态混凝土变态方式
变态混凝土变态方式的比选试验，是在相对固定变态混凝土变态用材料的情况下，分别考虑机口变态、一次装模变态和二次装模变态三种变态方式的情况下进行的。试验成果见表3.2-1。
试验成果表明，从三种变态方式来看，二次装模变态的方式较好。

表3.2-1 变态混凝土变态方式比选试验成果表
序

号
试件

编号
变态材料
90d
抗压强度
(MPa)
90d
劈拉强度 (MPa)
拉压比

(%)
成型工艺
变态
方式
水泥用量
(kg/m3)
用水量
(kg/m3)
水胶比
1
9910
二次装模
变态
40.0
27.0
0.675
42.49
3.41
8.03
振动10秒
2
9911
37.78
3.29
8.70
振动30秒
3
9912
37.51
3.25
8.66
振动50秒
4
9920
一次装模
变态
40.0
27.0
0.675
36.30
2.92
8.04
振动10秒
5
9921
33.62
3.09
8.83
振动30秒
6
9922
34.34
3.37
9.81
振动50秒
7
9908
机口变态
40.0
32.0
0.80
34.61
－
－
振动10秒
8
9909’
29.0
0.725
37.60
－
－
振动30秒

3.3 变态混凝土成型工艺（室内试验）
变态混凝土的成型工艺选择试验主要从不同的变态方式，即一次装
模变态和二次装模变态；不同的成型振动时间，即振动10秒、15秒、30秒、50秒；不同的变态用材料等方面进行考虑的。试验还同时考虑了掺不同的外加剂的情况。试验成果见表3.3-1。
初步试验成果表明，由于变态混凝土的变态方式不同，成型振动时间不同，使用的变态材料等不同，都将直接影响变态混凝土的质量。
从选择的变态方式来看，成型插捣装模时变态方式以分二层为好，也就是说要控制变态混凝土的变态层厚度，初步试验认为以8cm左右为好，水泥浆易渗入混合，试体均匀性较好。
从选择的成型振动时间来看，以成型振动10秒左右为好，即控制在2倍VC值左右。
从碾压混凝土使用的两种外加剂配成的变态混凝土来看，在变态用浆量相近的情况下，它们使用效果不同，其中使用BSⅡ外加剂的变态混凝土的强度值略高。对使用两种外加剂配成的常态混凝土、碾压混凝土、变态混凝土的强度指标进行比较，发现变态混凝土的强度值接近常态混凝土而高于碾压混凝土，并且变态混凝土强胶比(抗压强度与胶凝材料总量的比值)与常态混凝土相近。

表3.3-1 变态混凝土成型工艺选择试验成果表
序

号
试件

编号
变态混凝土成型工艺
90d
抗压
强度
(MPa)
90d
劈拉
强度
(MPa)
拉压比
(%)
强
胶
比
碾压混凝土用外加剂
混凝土类型
成型

方式
水泥
用量(kg/m3)
用水量

(kg/m3)
水
胶
比
振动
时间
(秒)
1
9907
二次装模变态
40.0
32.0
0.80
10
36.50
3.42
9.37
0.130
二合一
变态混凝土
2
9909
40.0
28.5
0.713
15
39.58
3.43
8.66
0.141
3
9910
40.0
27.0
0.675
10
42.49
3.41
8.03
0.152
4
9911
40.0
27.0
0.675
30
37.78
3.29
8.70
0.135
5
9912
40.0
27.0
0.675
50
37.51
3.25
8.66
0.134
6
9918
40.0
28.5
0.713
10
42.52
3.53
8.30
0.152
BSⅡ
变态混凝土
7
9919
40.0
28.5
0.713
30
44.59
3.39
7.60
0.159
8
9906
一次装模变态
40.0
25.0
0.80
30
31.02
3.27
10.54
0.111
二合一
变态混凝土
9
9920
40.0
27.0
0.675
10
36.30
2.92
8.04
0.130
10
9921
40.0
27.0
0.675
30
33.62
3.09
8.83
0.120
11
9922
40.0
27.0
0.675
50
34.34
3.37
9.81
0.123
12
9901
一次装模成型
－
－
－
10
34.76
2.93
8.43
0.145
二合一
碾压混凝土
13
9902
－
－
－
30
36.98
3.35
9.06
0.132
二合一
常态混凝土
14
9919’
－
－
－
10
34.43
－
－
0.143
BSⅡ
碾压混凝土
15
9903
－
－
－
10
44.18
3.49
7.90
0.158
BSⅡ
常态混凝土
16
9904
－
－
－
30
47.38
4.29
9.05
0.169
ZB-1
常态混凝土
17
9905
－
－
－
15
48.36
3.85
7.96
0.173
ZB-1
常态混凝土
备注：⑴ 二合一为ZB-1RCC150.4%+DH90.01%；
⑵ 8#水泥浆不易渗入，故停留30分钟后振动成型；
⑶ 16＃和易性不好。

3.4 变态混凝土性能
为了探讨变态混凝土的性能，我们根据前述变态混凝土变态方式、
成型振动时间、变态用材料等初步试验研究成果，选择了不同的工况进行变态混凝土的抗渗等级与相对渗透系数比较试验(14组)；变态混凝土力学性能试验(2组)；变态混凝土绝热温升试验(1组)；变态混凝土抗剪断试验(2组)。由于时间和经费关系，试验组数有限，但还是能在一定程度上说明一些问题，为我们今后进一步研究变态混凝土成型工艺与性能奠定了基础。
3.4.1 变态混凝土的耐久性
根据前述变态混凝土变态方式等初步试验研究成果，选择了不同的
工况进行变态混凝土的抗渗等级与相对渗透系数比较试验。试验成果见表3.4.1-1。

表3.4.1-1 变态混凝土耐久性试验成果表
序号
试件
编号
抗渗等级
（龄期）
相对渗透系数
(cm/s)
容重
(kg/m3)
混凝土类型
备 注
1
9901
＞W20(90d)
4.16×10－10
2461
碾压混凝土
掺二合一
2
9902
＞W20(90d)
3.95×10－10
2272
常态混凝土
掺二合一
3
9903
＞W20(100d)
2.21×10－10
2472
常态混凝土
掺BSⅡ
4
9904
＞W20(100d)
2.32×10－10
2442
常态混凝土
掺2B－1RCC15
5
9905
＞W20(110d)
4.15×10－10
2472
常态混凝土
掺2B－1CC15
6
9909
＞W20(110d)
4.83×10－9
2461
变态混凝土
掺二合一
7
9915
＞W20(143d)
3.46×10－10
2461
变态混凝土
同9911工况
8
9916
＞W20(143d)
4.84×10－10
2461
变态混凝土
同9912工况
9
9917
＞W12(160d)
1.35×10－9
2461
变态混凝土
同9913工况
10
9918
＞W18(147d)
2.09×10－9
2491
变态混凝土
掺BSⅡ
11
9919
＞W18(147d)
2.53×10－9
2491
变态混凝土
掺BSⅡ
12
9920
＞W12(160d)
1.74×10－9
2461
变态混凝土
掺二合一
13
9921
W12(164d)
－
2461
变态混凝土
掺二合一
14
9922
＞W12(164d)
4.03×10－9
2461
变态混凝土
掺二合一

试验成果表明，变态混凝土的抗渗等级较高，同时相对渗透系数基本上与常态混凝土相近。
3.4.2 变态混凝土的力学性能
为了了解变态混凝土的弹性模量、极限拉伸值、泊松比等性能参数，
选择了9909#、9918#进行对比试验，成果见表3.4.2-1。试验成果表明，由于混凝土轴心抗拉强度较高而变形量相对较小，所以导致变态混凝土抗拉弹模较高，拉压弹模比值也高。

表3.4.2-1 变态混凝土力学性能试验成果表
项 目
试件编号
试件尺寸
9909
9918
抗压弹模(×104MPa)
3.87
3.62
φ150×300mm3
抗拉弹模(×104MPa)
4.36
4.62
100×100×515mm3
抗拉弹模／抗压弹模
1.13
1.28
－
泊松比
0.226
0.187
－
轴心抗压(MPa)
34.07
36.70
φ150×300mm3
轴心抗拉(MPa)
3.56
3.43
100×100×515mm3
轴心抗拉／轴心抗压(%)
10.45
9.35
－
极限拉伸值(×10-6)
94
80
100×100×515mm3
抗压强度(MPa)
39.58
42.52
150×150×150mm3
劈拉强度(MPa)
3.43
3.53
150×150×150mm3
劈拉强度／抗压强度(%)
8.66
8.30
－
轴心抗压／抗压强度(%)
86.08
86.31
－
外加剂
二合一
BSⅡ
－

3.4.3 变态混凝土的绝热温升
选取9909#作代表进行试验。试验初始温度值为20.1℃, 28d最高
温升值达到30.20℃,温度升高10.10℃。
绝热温升表达式为：T＝。
绝热温升过程曲线见图3.4.3－1.
试验成果表明，变态混凝土在28d时，每千克胶凝材料产生的温度升高值约为0.108℃，碾压混凝土为0.08℃(“八五”攻关成果)，常态
混凝土为0.119℃(“八五”攻关成果)，其介于两者之间。

3.4.4 变态混凝土抗剪断
变态混凝土抗剪断试验选取9915#（同9911#工况）和9916#（同9912
工况）两组，试验成果见表3.4.4-1及图3.4.4-1～图3.4.4-4。
试验成果表明，9915#的抗剪断强度指标F′和C′值均优于9916#，且都满足龙滩坝体上游面防渗混凝土要求，而9916# C′值达不到要求。

表3.4.4-1 变态混凝土抗剪断试验成果表
试件编号
抗剪断
抗剪
单点抗剪
F′
C′(MPa)
f
C (MPa)
f
c (MPa)
9915
1.69
3.39
0.96
0.67
1.35
0.25
9916
1.47
0.91
0.89
0.26
－
－

σ

图3.4.4-1 变态混凝土σ～τ关系曲线图

图3.4.4-2 变态混凝土τ～μ关系曲线图(9915)

图3.4.4-3 变态混凝土τ～μ关系曲线图(9915)

μ
mm

图3.4.4-4 变态混凝土τ～μ关系曲线图(9915)

4 结论与建议
通过对变态混凝土的初步试验研究，得出如下结论：
4.0.1 变态混凝土变态用材料，可以是水泥浆，也可以是高性能掺合料浆。为了减少浆液水胶比，提高变态混凝土的耐久性能，建议下步进一步做些试验研究工作，如考虑水泥粉煤灰浆、在浆液中掺加高效减水剂等。
4.0.2 变态混凝土的变态方式，采用装模时变态比在机口变态更接近实际情况，且以二次装模变态方式为好。
4.0.3 变态混凝土的成型振动时间不宜太长，还是控制在2倍左右VC值比较好。
4.0.4 对于变态混凝土的性能，按二次装模变态方式、2倍左右VC值的成型振动时间以及掺入水胶比为0.675～0.80的水泥浆等变态工艺配成的变态混凝土，其90d抗压强度、劈拉强度均可满足上游面防渗混凝土C25等级要求；变态混凝土的抗渗等级较高，相对渗透系数均可达到
10－9数量级。
4.0.5 关于变态混凝土的室内试验研究，目前尚属空白，对我们来说也是一种尝试，由于经费和时间关系，工作的深度和广度都受到限制，希望将来龙滩工程准备立项开工时，作更深入的工作。