高寒地區(qū)筑壩碾壓混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

劉 丹，孫西歡，2，李永業(yè)，石繼忠

（1．太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2．山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西運(yùn)城 044004）

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高寒地區(qū)筑壩碾壓混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

劉 丹1，孫西歡1，2，李永業(yè)1，石繼忠1

（1．太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2．山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西運(yùn)城 044004）

摘 要：碾壓混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化是保障筑壩安全的重要技術(shù)措施。依托高原區(qū)碾壓混凝土筑壩工程，重點(diǎn)探討了外加劑摻量和粉煤灰品質(zhì)在碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)中的控制機(jī)理，擬合了不同工況下碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：在不影響碾壓混凝土品質(zhì)的情況下，提高外加劑摻量可以有效降低膠凝材料的用量；粉煤灰的等級(jí)對(duì)混凝土用水量有很大的影響；碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度有較好的線性相關(guān)性，其各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)先增長(zhǎng)較快，后增速放緩并趨于平穩(wěn)。該設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程的碾壓混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；配合比參數(shù)優(yōu)化；膠水比；抗壓強(qiáng)度；粉煤灰品質(zhì)；外加劑摻量

1 研究背景

除造價(jià)較高的新能源外，水電站依舊是當(dāng)今適應(yīng)建筑工程快速發(fā)展、用電量需求劇增現(xiàn)狀的首選工程項(xiàng)目。特別是各種優(yōu)勢(shì)凸顯的碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)將成為未來(lái)中、小型水電站的首選［1－2］。眾多學(xué)者對(duì)碾壓混凝土筑壩技術(shù)參數(shù)和施工工藝做了研究總結(jié)［3－5］，但是如何在高寒地區(qū)實(shí)現(xiàn)碾壓混凝土的設(shè)計(jì)施工依舊是困擾工程界的難題［6－11］。

本文結(jié)合實(shí)際工程，針對(duì)膠水比、抗壓強(qiáng)度、用水量、粉煤灰品質(zhì)、外加劑摻量5個(gè)參數(shù)，從碾壓混凝土用水量與外加劑摻量關(guān)系、碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質(zhì)關(guān)系、碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系、碾壓混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)4個(gè)方面對(duì)配合比參數(shù)特性進(jìn)行研究；重點(diǎn)總結(jié)了碾壓混凝土用水量調(diào)節(jié)中的控制機(jī)理，旨在為類似工程設(shè)計(jì)碾壓混凝土最優(yōu)配合比提供參考。

2 工程規(guī)模

該樞紐工程地處云貴高原，具有典型的高原氣候特點(diǎn)，晝夜溫差大、光照強(qiáng)烈、氣候干燥、蒸發(fā)量大，混凝土的溫控和抗裂要求是大壩混凝土配合比設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。作為目前國(guó)內(nèi)已建和在建RCC重力壩中規(guī)模較大工程之一，壩體混凝土工程量為：常態(tài)混凝土約201萬(wàn)m3、碾壓混凝土約250萬(wàn)m3?；炷潦┕び?jì)劃工期為3 a。

3 技術(shù)難題

優(yōu)良的筑壩混凝土施工配合比是混凝土施工澆筑質(zhì)量進(jìn)度的基礎(chǔ)保證?；炷潦┕げ牧现械某善沸鋷r粗骨料粒形差且玄武巖人工砂的石粉含量偏低；攀枝花Ⅱ級(jí)粉煤灰需水量比也較高；碾壓混凝土單位用水量也較高。這些在以往的工程中十分少見(jiàn)。前期采用的玄武巖骨料人工砂石粉含量偏低，新拌碾壓混凝土拌和物工作性能差，經(jīng)計(jì)算漿砂體積比均在0．38以下，明顯小于一般碾壓混凝土漿砂比的理論值（約0．42）。由于石粉含量低，碾壓混凝土漿體明顯不足，造成碾壓混凝土液化泛漿差，對(duì)層間結(jié)合十分不利。

4 試驗(yàn)方案

常態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，本文作者僅對(duì)碾壓混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。針對(duì)碾壓混凝土用水量偏高，試驗(yàn)采用相同的配合比試驗(yàn)參數(shù)，調(diào)整外加劑摻量和選取不同的粉煤灰品種，進(jìn)行對(duì)照，研究外加劑不同摻量及不同粉煤灰品種對(duì)混凝土單位用水量的影響。試驗(yàn)選材條件如下。

原材料：永保42．5中熱水泥；攀枝花Ⅱ級(jí)粉煤灰；需水量比102%；前期加工的玄武巖人工骨料、砂細(xì)度模數(shù)FM＝2．56，石粉含量按20%控制；緩凝高效減水劑ZB－1RCC15按0%（不含減水劑的情況），0．5%，1．0%控制；引氣劑為ZB－1G，按0．2%～0．25%控制。

級(jí)配：二級(jí)配（小石∶中石＝45∶55）；三級(jí)配（小石∶中石∶大石＝30∶40∶30）。密度：二級(jí)配2 600 kg／m3；三級(jí)配2 630 kg／m3。溫度：氣溫25～27℃；混凝土溫度25℃。

漿砂體積比值是碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，提高人工砂石粉含量的技術(shù)措施在膠凝材料用量較少且一定范圍的情況下，可以增大砂漿比值。其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of test on the relationship between RCC water?binder ratio and compressive strength

5 結(jié)果分析

5．1 碾壓混凝土用水量與外加劑摻量關(guān)系

碾壓混凝土單位用水量與膠材用量的關(guān)系見(jiàn)圖1。試驗(yàn)編號(hào)①—③的參數(shù)：三級(jí)配，膠水比0．55，粉煤灰摻量65%，砂率35%，ZB－1G為0．25%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%；試驗(yàn)編號(hào)④—⑥的參數(shù)：三級(jí)配，膠水比0．50，粉煤灰摻量60%，砂率34%，ZB－1G為0．30%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%；試驗(yàn)編號(hào)⑦—⑨的參數(shù)：二級(jí)配，膠水比0．50，粉煤灰摻量55%，砂率38%，ZB－1G為0．30%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%。

分析表明：碾壓混凝土隨外加劑摻量提高，單位用水量及膠凝材料用量顯著降低。當(dāng)ZB－1RCC15摻量從0．5%提高到1．0%時(shí)：膠凝材料用量相應(yīng)降低20～22 kg／m3。由于碾壓混凝土粉煤灰摻量較高，而粉煤灰具有極強(qiáng)炭吸附作用，對(duì)含氣量影響極大，同時(shí)碾壓混凝土引氣也是比較困難的。所以，為了達(dá)到碾壓混凝土需要的含氣量，引氣劑摻量很高。由于玄武巖骨料的特性，導(dǎo)致碾壓混凝土的用水量急劇增加。從降低混凝土溫度、提高抗裂性能和防止大壩裂縫考慮，提高外加劑摻量是降低膠材用量和溫控最有效的技術(shù)措施。

圖1　不同外加劑摻量下的碾壓混凝土單位用水量與膠材用量關(guān)系Fig．1 Relationship between per unit amount of RCC wa?ter consumption and dosage of rubber material in the pres?ence of different amounts of admixture

5．2 碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質(zhì)關(guān)系

碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質(zhì)關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。編號(hào)A系列采用紅塔42．5中熱水泥，宣威I級(jí)粉煤灰；編號(hào)B系列采用永保42．5中熱水泥，宣威I級(jí)粉煤灰；編號(hào)C系列采用永保42．5中熱水泥，攀枝花Ⅱ級(jí)粉煤灰。

分析表明采用宣威I級(jí)粉煤灰，同級(jí)配的碾壓混凝土在水膠比相同時(shí)其單位用水量明顯降低，充分說(shuō)明不同等級(jí)的粉煤灰對(duì)混凝土用水量有很大的影響，但對(duì)碾壓混凝土的品質(zhì)影響不大。這是由于攀枝花Ⅱ級(jí)粉煤灰的吸附作用和玄武巖人工骨料特性的影響，致使混凝土單位用水量、減水劑和引氣劑摻量都相應(yīng)增加。特別是高摻量Ⅱ級(jí)粉煤灰的碾壓混凝土，對(duì)引氣劑的引氣效果影響尤為明顯。

表2　碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質(zhì)關(guān)系試驗(yàn)Table 2 Result of test on the relationship between RCC water consumption and fly ash quality

5．3 碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

試驗(yàn)水泥采用永保中熱42．5，粉煤灰為攀枝花Ⅱ級(jí)，ZB－1RCC15摻量1．0%，ZB－1G摻量0．20%～0．25%（按含氣量確定），用水量：二級(jí)配用水量（110±5）kg／m3、三級(jí)配用水量（100±5）kg／m3，試驗(yàn)齡期7，28，90，180 d。碾壓混凝土試拌過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用外摻石粉含量7%～9%，人工砂石粉含量提高到18% ～20%，碾壓混凝土的砂漿比提高到0．42時(shí)以上，其工作性能明顯得到改善。此后對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)得的碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

結(jié)果表明：對(duì)于不同膠水比和粉煤灰摻量的條件下，最小的決定系數(shù)為0．936，碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度有較好的相關(guān)性。

5．4 碾壓混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)

根據(jù)膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果對(duì)碾壓混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。分析表明：混凝土抗壓強(qiáng)度以28 d齡期為基準(zhǔn)，隨粉煤灰摻量的不同，不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度與28 d抗壓強(qiáng)度百分比：7 d為37%～48%；56 d為120%～136%；90 d為128%～156%；180 d為161%～184%；粉煤灰摻量對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大。

圖2　碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig．2 Curves of RCC water?binder ratio vs．compressive strength

表3　碾壓混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)Table 3 Development coefficient of the compressive strength of RCC of different ages

6 結(jié) 論

（1）由于該大壩混凝土采用玄武巖人工骨料以及Ⅱ級(jí)粉煤灰，導(dǎo)致混凝土單位用水量高。為了有效降低單位用水量，摻入緩凝高效減水劑ZB－1RCC15和引氣劑ZB－1G，通過(guò)試驗(yàn)可知，該方法是降低單位用水量有效的技術(shù)措施。

（2）針對(duì)碾壓混凝土漿體明顯不足，造成碾壓混凝土液化泛漿差，層間結(jié)合不利的情況，采用外摻石粉7%～9%，將人工砂石粉含量提高到18%～20%時(shí)，碾壓混凝土工作性能明顯得到改善。

（3）對(duì)于不同膠水比和粉煤灰摻量的條件下，碾壓混凝土膠水比與抗壓強(qiáng)度有較好的相關(guān)性。

（4）根據(jù)氣候特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似碾壓混凝土工程提供參考。但是對(duì)于全國(guó)涉及到晝夜溫差大、冬季施工期短等問(wèn)題的中小型工程來(lái)說(shuō)，仍需進(jìn)一步研究。

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（編輯：姜小蘭）

Method of Optimization Design of Mix Ratio of RCC Dam in Cold Areas

LIU Dan1，SUN Xi?huan1，2，LI Yong?ye1，SHI Ji?zhong1
（1．School of Water Conservancy Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2．Shanxi Water Conservancy Technical College，Yuncheng 044004，China）

Abstract：Optimizing the mix ratio of RCC（rolled compacted concrete）is an important technical measure to protect dam safety．With RCC dam project in cold area as an example，we discuss the dosage of admixture and quality of fly ash affecting the mix proportion design，and obtain the fitted relationship curves between RCC binder?water ratio and compressive strength under different working conditions．Results show that increasing the dosage of admixture could effectively reduce the plastic material dosage without affecting the quality of roller compacted concrete；fly ash of different grades has great effect on the water use of concrete；the water?binder ratio has good linear correlation with compressive strength．The variation of compressive strength development coefficient leveled off after the first in?crease．

Key words：roller compacted concrete；mix ratio optimization；binder?water ratio；compressive strength；quality of fly ash；dosage of admixture

通訊作者：孫西歡（1960－），男，山西運(yùn)城人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)，（電話）13513600012（電子信箱）sunxihuan ＠tyut．edu．cn。

作者簡(jiǎn)介：劉 丹（1989－），女，山西太原人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ?，（電話?5135155548（電子信箱）liudan0378＠link．tyut．edu．cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51109155，51179116）；太原理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（S2014108）

收稿日期：2014－11－26；修回日期：2015－01－06

中圖分類號(hào)：TV42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0137－04