水利水电工程施工手册 第1卷 地基与基础工程06第五节墙体材料.docx
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水利水电工程施工手册第1卷地基与基础工程06第五节墙体材料
第五节墙体材料
防渗墙墙体材料根据其抗压强度和弹性模量，可以分为刚性材料和柔性材料。
刚性材料一般抗压强度大于5MPa，弹性模量大于2000MPa，有普通混凝土（包括钢筋混凝土）、粘土混凝土、粉煤灰混凝土等；柔性材料一般抗压强度小于5MPa，弹性模量小于2000MPa，有塑性混凝土、自凝灰浆、固化灰浆等。
1防渗墙混凝土的特点
防渗墙混凝土除应具备一般混凝土的性能外，还应符合防渗墙的使用及施工要求。
防渗墙混凝土一般具有下列特点：
（1）适宜的强度。
防渗墙混凝土是在泥浆下浇筑的，墙体混凝土的强度要比机口取样的试件强度有所降低，因此在进行混凝土配合比设计时，应适当提高混凝土的配制强度；根据经验，提高幅度以20%～25%为宜。
防渗墙不宜使用速凝和早强型混凝土，以免给混凝土浇筑和墙段连接施工造成困难。
（2）较低的弹性模量。
防渗墙应能较好地适应地基或坝（堰）体的变形，因此，当强度一定时，防渗墙混凝土的弹性模量原则上越低越好，也即弹性模量与抗压强度的比值越小越好。
（3）良好的抗渗性能。
早期采用的防渗墙混凝土抗渗等级常常达到W4～W8，相当于渗透系数小于10-8cm/s。
近些年来，随着塑性混凝土的使用，一般要求渗透系数为10-7cm/s～10-6cm/s级即可。
（4）较好的抗侵蚀性能，以保证防渗墙能有足够的使用寿命。
（5）重度不小于2100kg/m3，不要采用表观密度过小的骨料。
（6）混凝土拌合物应具有良好的工作性能。
包括：
1）较大的流动性。
一般要求防渗墙混凝土的入孔坍落度为18～22cm，扩散度34～40cm；坍落度保持15cm以上的时间不小于1h。
2）较好的粘聚性和保水性。
混凝土在浇筑过程中能保持均匀，不离析。
施工中一般要求在2h内泌水量不大于混凝土体积的1.5%。
3）初凝时间不小于6h，终凝时间不宜大于24h。
凝结缓慢有利于槽孔混凝土的连续浇筑。
2混凝土的原材料
2.1水泥
在一般条件下的混凝土防渗墙，凡符合现行国家质量标准的各种水泥均可应用。
当环境水具有侵蚀性时，应选用抗侵蚀性特种水泥。
由于防渗墙混凝土的坍落度大，水泥用量大，强度等级一般较低，所以不必使用强度等级很高的水泥。
2.2细骨料（砂）
应尽量选用石英含量较高、颗粒浑圆、具有平滑筛分曲线的河砂，也可选用人工砂，其细度模数宜为2.4～2.8。
各项质量技术指标宜符合表7-5-1和表7-5-2的要求。
表7-5-1砂的质量技术要求
项目
指标
备注
天然砂中的粘土、淤泥及细屑含量（%）
其中粘土含量（%）
＜3
＜1
不应含有粘土团粒
云母含量（%）
＜2
表观密度（t/m3）
＞2.5
轻物质含量（%）
＜1
硫化物和硫酸盐（以SO3含量计）（%）
＜1
有机质
浅于标准色
表7-5-2砂的最佳级配范围
筛孔（mm）
5
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
累计筛余（%）
0～15
10～30
20～40
40～60
80～90
90～100
2.3粗骨料（石子）
为提高混凝土的流动性，应尽量采用天然骨料。
人工骨料母岩的抗压强度应不小于混凝土设计强度的1.5倍。
石子的粒径由大到小应连续，最大粒径应不超过40mm，且不得大于钢筋净距的1/4；条件允许时，采用最大粒径为20～32mm的一级骨料更好。
采用二级配骨料时，小石与中石的比例不宜小于4∶6。
其它技术质量要求见表7-5-3。
表7-5-3粗骨料的质量技术要求
项目
指标
备注
含泥量（%）
＜1
不应含有粘土团块
硫化物和硫酸盐（以SO3含量计）（%）
＜0.5
表观密度（t/m3）
＞2.6
针片状颗粒含量（%）
＜15
软弱颗粒含量（%）
＜5
有机质
浅于标准色
2.4拌合水
符合饮用水条件的江、河、库水均可用于拌制混凝土。
采用其它水源时，应符合《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）中的有关规定。
2.5掺和料
防渗墙混凝土的掺和料主要有粘土、膨润土和粉煤灰。
用作护壁泥浆的粘土、膨润土均可作为防渗墙混凝土的掺和料，其质量技术要求见本章第四节。
粉煤灰的质量技术要求见表7-5-4。
在实际应用中，当Ⅱ级粉煤灰的烧失量指标达不到要求时，其超出数值应不大于指标要求的25%，同时细度和烧失量的乘积小于160时，可视作Ⅱ级粉煤灰使用。
防渗墙混凝土使用的粉煤灰最好采用Ⅱ级及以上的。
当水泥强度等级与混凝土强度等级比值较大，以及用于临时建筑物时，可采用Ⅲ级粉煤灰。
表7-5-4粉煤灰的品质指标和等级
序号
指标
等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
1
细度（45µm方孔筛筛余%）
≤12
≤20
≤45
2
烧失量（%）
≤5
≤8
≤15
3
需水量比（%）
≤95
≤105
≤115
4
三氧化硫（%）
≤3
≤3
≤3
2.6外加剂
防渗墙混凝土一般选用普通型或高效型的减水剂，有时也用缓凝型或引气型的减水剂，或同时加入引气剂。
在没有特殊要求的情况下，一般不选用速凝剂、抗冻剂和膨胀剂。
各种外加剂的检验方法、掺外加剂的混凝土的性能要求参见《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T5100-1999）。
普通型减水剂，常用木质素磺酸钙（MG），掺量一般为水泥重量的0.2%～0.3%，减水率为10%左右。
高效型减水剂，常用主要成分为β-萘磺酸甲醛缩合物的FDN、NF、UNF-5等。
这些减水剂的掺量一般为0.5%左右，减水率为12%～25%。
一般防渗墙混凝土常用普通型减水剂，强度较高的防渗墙混凝土常选用高效减水剂。
它们的主要技术指标和掺入外加剂后混凝土的主要性能见表7-5-5、表7-5-6。
3墙体材料的种类、性能和配制要求
防渗墙的墙体材料多种多样，性能各异。
不同种类的墙体材料有不同的性能适用范围，其材料组成、施工方法及造价也各不相同，应根据具体用途和工程条件选择墙体材料。
墙体材料各项性能指标之间的匹配应合理，否则在施工中难以兼顾各项性能要求，既造成资源浪费，也不利于工程质量评定。
各种墙体材料性能的一般适用范围参见表7-5-7。
表7-5-5混凝土减水剂质量标准
减水剂类别
试验项目
普通型
高效型
早强型
缓凝型
引气型
减水率（%）
泌水率比（%）
含气量（绝对值）（%）
≥5
≤100
≤3.0
≥12
≤100
≤3.0
≥5
≤100
≤3.0
≥5
≤100
≤3.0
≥10
≤950
3.0～5.5
凝结时间之差
（h∶min）
初凝
终凝
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
-2∶00～+6∶00
-2∶00～+6∶00
-1∶00～+2∶00
-1∶00～+2∶00
抗压强度比
（%）
1d
3d
7d
28d
90d
—
≥110
≥110
≥110
≥100
≥135
≥125
≥120
≥115
≥100
≥125
≥125
≥115
≥110
≥100
≥100
≥100
≥110
≥110
≥110
≥110
≥110
≥100
收缩（三个月）增加不大于
（mm/m）
0.1
0.1
0.1
0.1
注：
表中所列数据为试验混凝土与基准混凝土的差值或比值。
表7-5-6防渗墙混凝土常用外加剂的主要性能
类型
名称
主要成份
掺量
（按水泥重）
（%）
产品技术指标
形态
pH
硫酸盐（%）
氯化物（%）
普
通
型
木钙（MG）
WN-1
TRB
木质素磺酸钙
木质素磺酸钠
木质素、半纤维素
0.2～0.3
0.25～0.3
0.5～0.75
固
固
粉
4～6
12.5
8.5～10.5
0.75～1.30
13～19
＜1.7
高
效
型
FDN
NF
UNF-2
MF
β-萘磺酸甲醛缩合物
萘磺酸甲醛缩合物
β-萘磺酸甲醛缩合物
萘磺酸盐
0.2～1.0
0.5～1.5
0.3～0.7
0.3～0.7
粉
固
粉
粉
7～9
11～12
7～9
7～9
≤25
＜5
1.60
0.99
缓凝
引气
减水剤
DH5
801
MY
萘磺酸盐
聚次甲基多环芳烃磺酸钠
木钙衍生物
0.1～0.25
0.5
0.2～0.5
固
固
9±1
7～9
8～9
＜25
表7-5-7防渗墙墙体材料性能的一般适用范围
墙体材料
种类
坍落度
（cm）
扩散度
（cm）
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（MPa）
抗渗
等级
渗透系数
（cm/s）
允许渗
透坡降
密度
（t/m3）
普通混凝土
18～22
34～40
15.0～35.0
22000～31500
≥W8
≤4.19×10-9
150～250
2.4～2.5
粘土混凝土
18～22
34～40
7.0～12.0
14000～18000
W4～W8
≤7.8×10-9
80～150
2.3～2.4
塑性混凝土
18～22
34～40
1.5～5.0
300～2000
——
n×10-6～n×10-9
50～80
2.1～2.3
固化灰浆
——
——
0.3～1.0
50～200
——
n×10-6～n×10-8
30～50
1.4～1.7
自凝灰浆
——
——
0.1～0.5
10～50
——
n×10-6～n×10-7
20～30
1.3～1.4
3.1普通混凝土
防渗墙用普通混凝土是指胶凝材料除水泥外，原则上不加掺和料的高流动性混凝土。
配制这种混凝土的水泥用量一般不小于350kg/m3，水灰比不宜大于0.6，砂率以35%～40%为宜。
随着技术的发展，为节省水泥或改善混凝土的性能，现在也有在普通混凝土中加入粉煤灰等活性掺和料的。
普通混凝土经常用在除防渗以外还兼有挡土、承重等作用的防渗墙工程上。
表7-5-8为我国若干普通混凝土防渗墙工程实例。
3.2粘土混凝土
为降低弹性模量，在胶凝材料中掺用了一定数量粘土的高流动性混凝土叫粘土混凝土。
粘土的掺加量一般为水泥和粘土总重量的12%～20%，最多不大于30%。
粘土混凝土的早期强度较低，后期强度增长较多，通常180天强度可达到28天强度的1.5倍。
粘土混凝土拌和物具有良好的和易性。
配制粘土混凝土的水泥用量不宜小于300kg/m3，水灰比不宜大于0.65。
一般要求所掺粘土的塑性指数不小于17，粘粒含量不低于40%，含砂量小于5%，有机物含量小于3%。
粘土混凝土对砂石料的含泥量要求可适当放宽，砂的含泥量不大于8%即可。
我国已修建的防渗墙中约有76%的工程用的是粘土混凝土。
表7-5-9列出了密云水库等若干防渗墙工程所使用的粘土混凝土的配合比及性能指标。
3.3塑性混凝土
以粘土、膨润土等混合材料取代普通混凝土中大部分水泥的低强度、低变形模量和大极限变形的高流动性水下浇筑混凝土，称塑性混凝土。
塑性混凝土拌和物的密度一般为2100～2300kg/m3，泌水率不超过3%，和易性很好，坍落度和扩散度随时间的增长而减少，但在3h内变化不大。
初凝8h左右，终凝48h左右。
塑性混凝土抗压强度的设计值一般不大于5MPa，早期强度增长较慢，后期增长速率较高，通常60天和180天强度可达28天强度的1.5和1.8倍；其抗拉强度一般为抗压强度的1/7～1/12。
塑性混凝土的变形模量一般不超过2000MPa，与抗压强度基本上呈直线关系；其无侧限极限应变可达到0.33%～0.70%（普通混凝土的极限应变为0.08%～0.3%）；其破坏渗透比降可达300以上；其渗透系数随时间的增长而降低。
塑性混凝土的水泥用量为80～150kg/m3，膨润土用量不宜小于40kg/m3，胶凝材料总用量（包括土料、粉煤灰等）不宜小于240kg/m3，砂率不宜小于45%；宜采用一级配骨料，当采用二级配骨料时，小石与中石的用量比不宜小于1.0。
评价塑性混凝土配合比设计的标准是：
在强度一定的条件下，弹性模量与抗压强度的比值（弹强比）大小，比值越小越好。
塑性混凝土的弹强比一般为200～400，大大低于普通混凝土。
国内外若干塑性混凝土防渗墙工程的有关情况见表7-5-10。
3.4自凝灰浆和固化灰浆
自凝灰浆和固化灰浆都是以护壁泥浆为基本浆材，在泥浆中加入水泥等固化材料后凝固而成防渗墙墙体材料。
所不同的是，自凝灰浆在制浆时就加入了固化材料和缓凝剂，在造孔挖槽时它起护壁作用，在造孔结束后的一定时间内自行凝固成墙；而固化灰浆是在单槽造孔结束后才在护壁泥浆中加入固化材料。
为了不影响造孔，对自凝灰浆的稠度有所限制；因此其密度和强度也相对较小。
自凝灰浆和固化灰浆具有水泥土的性质。
使用自凝灰浆和固化灰浆作为防渗墙墙体材料，省去或简化了浇筑工序，具有泥浆废弃少、墙段连接施工简便、接缝质量高、造价较低、便于拆除等优点。
3.4.1自凝灰浆
自凝灰浆常用的配合比是：
每1m3固化体用水泥200～300kg、膨润土30～60kg、水850kg左右，也有加掺合料（如砂、粉煤灰、石粉等）的，缓凝剂一般采用糖蜜或木质素磺酸盐类材料。
自凝灰浆凝固后的无侧限抗压强度为0.2～0.4MPa。
当灰水比为0.2～0.4时，变形模量为40～300MPa，无侧限极限应变为0.6%～1.0%，当侧限压力为0.1～0.3MPa时，极限应变为3%～5%，这与土层和砂砾石层十分接近。
自凝灰浆的渗透系数为10-5～10-7cm/s，破坏渗透比降大于200。
自凝灰浆在低水头堤、坝基础防渗工程和临时围堰防渗工程中应用较多。
国外使用该种材料的最大墙深已达50m。
自凝灰浆还可用于配合装配式钢筋混凝土防渗墙和钢板桩防渗墙施工。
即在槽孔完成后插入预制的墙板或钢板桩，墙板或钢板桩与槽壁之间的空隙由自凝灰浆所充填，使预制墙或钢板桩与地层紧密连接，预制墙板或钢板桩之间的接缝防渗也由自凝灰浆承担。
表7-5-8国内部分防渗墙工程普通混凝土基本配合比及性能情况表
工程名称
坝高
（m）
防渗墙
深度（m）
混凝土配合比（kg/m3）
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（GPa）
抗渗
等级
完工
年份
水泥
粉煤灰
砂
小石
中石
水
钢筋
四川映秀湾水电站
17.0
14.9
368
565
534
534
254
有
15.5～20.0
19.0
W8
1966
贵州窄巷口水电站
39.5
28.3
336
742
1067
235
有
16.9
28.5
W9
1967
四川渔子溪水电站
27.8
32.0
410
764
401
602
221
20.0
W8
1969
葛洲坝二期上游围堰
I墙
47.0
47.5
350
950
900
200
30.1
30.8
W9
1982
II墙
245
105
900
900
212
20.3
26.6
河北岳城水库防冲墙
32.5
15.3
305
671
1200
184
有
20.0
1989
河南小浪底主坝
154.0
81.9
400
904
905
180
有
35.0
30.0
W8
1994
表7-5-9国内部分防渗墙工程粘土混凝土基本配合比及性能情况表
工程名称
坝高
（m）
防渗墙
深度（m）
混凝土配合比（kg/m3）
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（GPa）
抗渗
等级
完工
年份
水泥
粘土
砂
小石
中石
水
北京密云水库
66.0
44.0
375
57
580
1075
240
10.0
20.0
W8
1960
云南毛家村电站
80.5
40.0
378
94.5
534
1083
260
8.5～11.0
21.4
W8
1962
金川峡坝体加固
21.0
38.0
330
80
605
1100
240
8.0～10.9
W8
1966
北京十三陵水库
29.0
60.0
320
80
595
1028
260
8.0～10.0
17.0
W8
1970
甘肃碧口电站宽墙
101.0
37.8
366
92
566
922
274
11.12
22.0
W8
1971
甘肃碧口电站深墙
101.0
65.5
246
105
670
600
490
229
9.52
16.0
W6
1973
广西澄碧水库
70.0
55.2
310
55
580
545
545
250
10.0
24
W8
1974
葛洲坝一期纵向围堰
30.0
230
98
613
1245
213
10.0～11.8
21.5
W4
1976
江西柘林水库
63.5
61.2
294
73
599
649
433
235
9.0～10.0
15.0
W8
1977
河北邱庄水库
24.5
58.7
400
59
518
1000
247
8.95
16.0
W6
1983
浙江牛头山水库
49.3
62.0
322
80
630
567
378
233
11.9
16.0
W8
1984
云南松花坝水库
62.0
53.2
351
88
598
414
622
250
13.1
26.3
W8
1990
云南瑞丽姐勒水库
40.0
49.0
342
85
499
594
396
265
10.36
13.9
W6～W8
1993
山东太河水库
48.5
51.9
245
95
696
516
516
234
10.0
15.0
W8
1997
河北黄壁庄水库
30.7
60.0
318
粉煤灰51
膨润土31
657
492
492
237
10.0
17.5
W8
2002
表7-5-10国内外部分防渗墙工程塑性混凝土基本配合比及性能情况表
工程名称
坝高
（m）
防渗墙
深度（m）
混凝土配合比（kg/m3）
抗压强度
R28（MPa）
弹性模量
（MPa）
渗透系数10-7cm/s
完工
年份
水泥
粘土
膨润土
砂
（卵）石
水
国
外
巴尔德赫德坝（英）
48.0
46.4
200
41.7
1425
333.3
278～826
0.6～2.0
1968
坎文托·维约坝（智利）
37.0
55.0
82
75
25
850
850
300
0.50
75.0
31.0
1977
孔本托·别霍坝（智利）
55.0
84
92
8
1740
320
0.4～0.6
300～600
10～30
1977
维尔尼坝（法）
40.0
50.0
47.7
117
11
994
662
312
1.2～1.3
200～300
0.1～10
1982
科尔文坝（智利）
116.0
68.0
75
121
19
1483
423
1.40
320～650
1982
只见坝（日）
24.0
20.0
125
——
25
792
928
279
2.10
500
4.40
1987
佛朗西斯科坝（西班牙）
88.0
40.0
150
40
1170
700
372
2.0～3.0
100.0
10.00
1993
布龙巴赫（德国）
39.0
100
160
石粉160
750
450
400
国
内
福建水口电站主围堰
44.5
44.0
170
85
40
748
888
275
4.58
823.2
0.06
1990
册田水库（副坝）
41.5
33.0
80
140
50
700
740
370
1.20
379
0.20
1990
十三陵抽水蓄能尾水围堰
20.0
31.6
120
240
40
770
630
360
2.32
560
7.00
小浪底上游围堰
60.0
73.4
150
80
40
760
910
230
3.80
221.6
0.30
1994
山东太河水库
48.5
51.9
95
195
829
899
238
1.60
400～500
2.00
1997
岭澳核电站防波堤
24.0
125
125
886
725
310
2.10
250～500
0.10
1998
三峡二期上游围堰
82.5
73.5
180
粉煤灰80
100
1341
72
282
5.19
1032.7
0.76
1998
三峡二期下游围堰
65.5
68.0
200
40
850
750
260
4～5
500～700
0.10
1998
广东英德市防洪堤
10.8
13.0
158
84
916
800
242
5.10
566.4
0.042
1999
高坝洲电站一期围堰
10.0
210
128
1300
378
2.61
302.5
0.44
1999
武汉长江干堤鹦鹉堤
15.0
100
110
20
1670
300
2.00
1000
1.00
2001
1985年，在深圳大亚湾核电站，由法国地基公司施工，做成了我国第一道自凝灰浆防渗墙。
该墙长约1004m，平均深度12.5m，最大深度16m，墙厚0.8m。
自凝灰浆的28d抗压强度不低于0.2MPa，渗透系数为n×10-6cm/s。
2002年11月，自凝灰浆防渗墙成功地应用于三峡三期围堰防渗工程中。
该段墙长144.51m，最大深度26.1m，墙厚0.8m，其配合比见表7-5-11。
自凝灰浆的28d抗压强度为0.42～0.47MPa，弹性模量为83～231MPa，渗透系数为（2.39～9.22）×10-7cm/s，允许渗透比降大于40。
表7-5-11三峡三期围堰
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