水工碾壓混凝土配合比試驗及工程應用

李方杰，溫明益，馮 浩，唐顯鵬

(四川國檢檢測有限責任公司，瀘州 646000)

從20世紀60年代開始，國際上開始碾壓混凝土的試驗研究，20世紀70年代開始應用于臨時工程和修復工程。我國于20世紀80年代初開始探索使用碾壓混凝土修筑大壩的技術[1]。我國對碾壓混凝土修筑大壩技術的研究和運用雖然起步較晚但發(fā)展速度比較快。我國在借鑒外國碾壓混凝土筑壩技術的基礎上根據(jù)實際情況加以突破。至今，我國采用碾壓混凝土筑壩技術已建成或在建的大壩已達數(shù)十座。根據(jù)所掌握的資料和取得的研究成果，總結碾壓混凝土配合比設計原則，并結合工程應用實例，進行碾壓混凝土配合比設計及試驗研究。

1 工程背景

江西洪屏抽水蓄能電站裝機容量為1 200 MW(4×300 MW)，安裝四臺單機容量為300 MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組。此工程屬大(1)型一等工程，主要永久性建筑物按1級建筑物設計，次要永久性建筑物按3級建筑物設計。樞紐主要包括上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關站及下水庫等工程項目。下水庫：下水庫工程主要包括大壩、壩頂溢洪道及庫區(qū)庫岸處理等，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程185.5 m，壩頂長度181.3 m，最大壩高77.5 m；壩頂設3孔溢洪道，每孔單寬13.0 m×12.5 m。

2 混凝土設計指標

江西洪屏抽水蓄能電站工程下水庫土建工程大壩上游混凝土防滲透層采用二級配碾壓混凝土；設計齡期為90 d，強度等級為C20，抗?jié)B等級W8，抗凍等級F100，90 d極限拉伸值為不小于0.75×10-4，粉煤灰摻量為45%～55%，拌合物工作度VC值為1～3 s，容重不小于2 400 kg/m3。

3 混凝土配合比設計原則

與常態(tài)混凝土相比，碾壓混凝土骨料單位用量較多，水泥單位用量較少，摻合料摻量較大[2]。拌合物不具有流動性，坍落度幾乎為零，一般情況下無泌水，粘聚性較差。由于碾壓混凝土拌合物稠度小，屬于超干硬性混凝土，須采用振動碾壓的方式進行施工，施工方式與常態(tài)混凝土有較大差別。通常碾壓混凝土的配合比設計應遵循以下原則：1)選擇優(yōu)質(zhì)的原材料，包括水泥品種、摻合料品種、外加劑品種、粗細骨料的品種及規(guī)格級配。2)根據(jù)設計提出的施工要求、混凝土強度及耐久性要求選擇合理的水膠比、合理的摻合料摻量、最優(yōu)骨料比例、最優(yōu)砂率及適量的外加劑摻量。3)混凝土拌合物應具有良好的可碾性，滿足施工振動碾壓的要求。4)硬化后混凝土相關性能應滿足設計要求。5)具有合理的經(jīng)濟性[3]。

4 原材料

4.1 水泥

水泥采用河南省同力水泥有限公司生產(chǎn)的強度等級為42.5的中熱硅酸鹽水泥(P·MH42.5)，水泥密度為3 210 kg/m3，3 d、7 d和28 d抗壓強度分別為26.0 MPa、35.7 MPa、47.0 MPa，各項檢測指標均符合《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》GB 200—2003標準要求。

4.2 摻合料

摻合料采用江西益材粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰密度為2 160 kg/m3，細度為6.6%，燒失量為2.22%，從檢測成果看，粉煤灰各項檢測指標均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596—2005中F類Ⅰ級粉煤灰要求。

4.3 外加劑

外加劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-II型緩凝高效減水劑和GYQⅠ型引氣劑，減水劑和引氣劑所檢各項指標均符合《水工混凝土外加劑技術規(guī)程》DL/T5100—1999標準的要求。

4.4 骨料

細骨料采用洪屏電站C3標生產(chǎn)的人工砂，砂細度模數(shù)為2.9，表觀密度為2 690 kg/m3，石粉含量為6.3%。粗骨料采用洪屏電站C3標生產(chǎn)的人工碎石。分5～20 mm和20～40 mm二級，原狀骨料運到試驗室，經(jīng)篩分洗凈后進行室內(nèi)試驗。砂石各項指標檢測結果均滿足相關標準要求。

5 混凝土配合比室內(nèi)試驗成果及分析

合適的砂率和粗骨料組合比例，是混凝土具有良好的和易性的前提，同時可提高混凝土的致密程度，降低單位用水量和膠材用量，提高施工質(zhì)量。合理的外加劑摻量，不僅可以提高混凝土拌合物的和易性，同時也可改善混凝土力學性能和耐久性能。室內(nèi)試驗時，首先對粗骨料進行組合密度試驗以確定粗骨料最佳組合比例，再進行最優(yōu)砂率優(yōu)選，同時根據(jù)拌合物狀態(tài)確定混凝土單位用水量、合理的引氣劑和減水劑摻量等基本參數(shù)。并根據(jù)基本參數(shù)在室內(nèi)對混凝土進行拌合試驗，以確定優(yōu)選配合比，優(yōu)選后的配合比及拌合物性能見表1，混凝土力學性能和耐久性能試驗結果見表2。

表1 混凝土配合比和拌合物性能試驗結果表

表2 混凝土力學性能和耐久性能試驗結果表

5.1 拌合物性能

工作度VC值是表示碾壓混凝土拌合物稠度大小的指標，是指碾壓混凝土拌和物在規(guī)定振幅、振動頻率和表面壓強下，從振動開始至拌合物表面泛漿所需的時間，以秒(s)為單位計，是碾壓混凝土可碾性的直觀體現(xiàn)。為了滿足現(xiàn)場施工碾壓的要求，試驗過程中碾壓混凝土VC值均控制在1～3 s之間，混凝土拌合物含砂狀態(tài)良好，拌合物具有良好的和易性。隨著水膠比的降低，碾壓混凝土的含氣量逐漸降低，為了保證混凝土含氣量在要求范圍內(nèi)，試驗過程中，隨著水膠比的降低，引氣劑摻量逐漸提高，拌合物容重均滿足設計容重的要求。

5.2 力學性能

從表2試驗成果看，隨著水膠比的降低，混凝土各個齡期抗壓強度和極限拉伸值均有一定幅度的增長，且強度增長規(guī)律率基本一致，在相同水膠比的情況下，粉煤灰摻量增加5%，7 d強度約降低15%左右，28 d強度約降低10%左右，90 d強度約降低7%左右，隨著齡期增加，抗壓強度的降幅減小；試驗編號N-1～N-3在粉煤灰摻量均為55%情況下，水膠比每減小0.05，90 d齡期抗壓強度相應提高5 MPa左右。試驗編號N-1在水膠比和粉煤灰摻量均最大的情況下，28 d和90 d齡期極限拉伸值已滿足混凝土技術要求。試驗編號N-2在水膠比為0.45，粉煤灰摻量為55%時，混凝土90 d齡期抗壓強度達到設計配制強度。

5.3 抗凍性能和抗?jié)B性能

從表2試驗結果看，試驗編號N-1在水膠比和粉煤灰摻量均最大的情況下，此時，混凝土抗凍性能和抗?jié)B性能均符合設計的要求。

6 工程混凝土配合比及其應用

通過一系列的試驗成果，綜合考慮骨料、混凝土耐久性要求、混凝土的使用部位的最大水膠比限制、水泥強度等因素，推薦混凝土配合比時適當降低了水膠比。推薦江西洪屏抽水蓄能電站工程下水庫土建工程大壩上游混凝土防滲透層碾壓混凝土配合比見表3。

表3 推薦碾壓混凝土配合比表

施工過程中，混凝土振動碾壓易泛漿，振動碾壓后混凝土表面光滑平整，可碾性良好，碾壓后密實度符合設計要求[4]。達到設計齡期后對混凝土進行鉆芯取樣評定，從芯樣外觀形態(tài)看，抽取芯樣外觀質(zhì)量良好，混凝土結構密實，粗細骨料分布均勻。經(jīng)檢測，混凝土力學性能和抗?jié)B性能等指標均滿足設計要求[5]。

7 結 語

通過對原材料的試驗選擇，采用符合標準要求的原材料進行碾壓混凝土配合比設計，對混凝土進行施工性能、力學性能、耐久性能試驗，最終推薦符合設計和施工要求的混凝土配合比，并具有合理的經(jīng)濟性。

實踐證明，將碾壓混凝土工作性、力學性能、耐久性能作為配合比設計的指標，經(jīng)過室內(nèi)試驗推薦配合比符合設計及現(xiàn)場使用的要求。

[1] 秦明慧.碾壓混凝土與普通混凝土異同探討[J].紅水河，2008，27(1)：54-57.

[2] 方坤河.中國碾壓混凝土壩的混凝土配合比研究[J].水力發(fā)電，2003，11：51-53.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水工混凝土配合比設計規(guī)：DL/T5330-2015[S].北京：中國電力出版社.2015：1-21.

[4] 康小春，張改香.金安橋水電站玄武巖骨料碾壓混凝土應用研究[J].水力發(fā)電,2011，37(1):55-59.

[5] 中華人民共和國國家能源局.水工碾壓混凝土施工規(guī)范：DL/T5112-2009[S].北京：中國電力出版社,2009:10-13.