高壩堆石混凝土綜合性能及適用性研究

陳文輝

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

為降低大體積混凝土，特別是大壩混凝土的水化熱和成本需要降低水泥用量，一般而言，可以采用減少用水量或采用大粒徑骨料以增加骨料用量的方法。前者，如碾壓混凝土，即是采用干硬混凝土的方法，選擇合適的碾壓混凝土分層厚度[1]，依靠強(qiáng)大的機(jī)械力量使混凝土密實(shí)[2]，降低大體積混凝土由于水泥水化熱的影響。在常態(tài)混凝土中，如大壩混凝土常采用四級配骨料，骨料最大粒徑可達(dá)到150mm，受到拌和與振搗能力的限制，難以使用更大的骨料[4]?；炷疗鍪痆5]、毛石混凝土[6]、埋石混凝土[7]等方式也較為普遍用于筑壩，但這種筑壩方式需要較多的技術(shù)工人，實(shí)際工程中往往難以保證質(zhì)量，再加上近年來人工費(fèi)用的不斷上漲，傳統(tǒng)筑壩技術(shù)正面臨越來越大的困難。

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，簡稱RFC)技術(shù)具有低碳環(huán)保、低水化熱、工藝簡便、造價(jià)低廉、施工速度快等特點(diǎn)[8]。大壩施工時首先將滿足一定粒徑要求的大塊石直接入倉，形成有空隙的堆石體，然后在堆石體表面澆注高流動性自密實(shí)混凝土，依靠自重，填充堆石空隙，形成完整、密實(shí)、滿足強(qiáng)度要求的混凝土。堆石混凝土可簡化溫控，節(jié)約人工，減少設(shè)備投入，充分利用當(dāng)?shù)貕K石料。堆石混凝土發(fā)展至今，已經(jīng)在國內(nèi)水利工程中有了大量實(shí)際應(yīng)用[8- 10]。截至2018年，國內(nèi)在建堆石混凝土高壩有云南省彝良縣松林水庫堆石混凝土重力壩最大壩高90.0m[11]，青海民和縣滿坪水庫堆石混凝土重力壩最大壩高77.0m，均取得較好效果。由于堆石混凝土具有塊石含量高、膠凝材料用量低等特點(diǎn)，使其在綜合性能方面與常規(guī)混凝土有著較大的差異。以曲溪水庫混凝土重力壩為例，根據(jù)現(xiàn)場材料的性能情況推薦了對專用自密實(shí)混凝土的參考配合比，研究使用當(dāng)?shù)貕K石料作為堆石料的C15等級堆石混凝土的力學(xué)性能、熱學(xué)絕熱溫升性能及抗?jié)B性能等綜合性能，對工程的大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)具有重要意義。

1 研究對象及方法

曲溪水庫大壩為堆石混凝土重力壩，上游壩坡上部為垂直，下部為1∶0.2，下游壩坡取1∶0.75。最大壩高80.0m，壩長405.3m。壩體自左岸至右岸依次為左岸擋水壩段、泄洪閘中孔壩段、溢流壩壩段、右岸擋水壩段，右岸天生壩段，樞紐布置如圖1所示。堆石料場距離壩址區(qū)約800m，場區(qū)基巖為中泥盆統(tǒng)混合巖化片巖，巖體較完整?；旌蠋r化片巖密度2.68～2.76g/cm3，單軸飽和抗壓強(qiáng)度51.5～82.1MPa，軟化系數(shù)0.78～0.86，凍融損失率0.02～0.04，變形模量5.32～8.34GPa，屬中硬～堅(jiān)硬巖石。質(zhì)量指標(biāo)可滿足堆石混凝土重力壩堆石料對原巖的技術(shù)要求。

圖1 堆石混凝土重力壩樞紐布置圖

堆石混凝土技術(shù)是一種新型的混凝土施工工藝和材料，它充分利用了自密實(shí)混凝土充填堆石縫隙，最終形成完整密實(shí)的混凝土。堆石混凝土具有塊石含量高、膠凝材料用量低的特點(diǎn)，使其在綜合性能方面與常規(guī)混凝土有著較大的差異[12- 13]。堆石混凝土大壩是在上游面支立模板，在模板和堆石體之間預(yù)留50cm的間距用于布置防滲層和溫度鋼筋，將滿足一定粒徑要求的塊石自然堆滿倉面，然后在堆石體表面澆注高流動性自密實(shí)混凝土，無需振搗僅依靠其自重將防滲層澆滿的同時流動充填堆石空隙，用自密實(shí)混凝土從防滲層處開始澆筑，與堆石混凝土一體澆筑成型，堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)示意見如圖2所示。

圖2 堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場材料的性能情況推薦了對專用自密實(shí)混凝土的參考配合比，研究使用當(dāng)?shù)貕K石料作為堆石料的C15等級堆石混凝土的力學(xué)性能、熱學(xué)絕熱溫升性能及抗?jié)B性能等綜合性能。

自密實(shí)混凝土是堆石混凝土工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有性能優(yōu)良、價(jià)格合理的自密實(shí)混凝土才能滿足堆石混凝土施工的要求。結(jié)合曲溪水庫現(xiàn)場附近堆石料情況，C15等級堆石混凝土采用的專用自密實(shí)混凝土推薦參考配合比見表1。

表1 自密實(shí)混凝土配合比與基本性能

2 綜合性能研究

2.1 力學(xué)性能

堆石混凝土內(nèi)含有大量大粒徑塊石，因此無法使用常規(guī)的混凝土力學(xué)性能檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，通常采用150mm粒徑的塊石作為堆石體，制作大于3倍骨料粒徑的500mm大試件進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示，針對完整的堆石混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量等性能檢測。相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)成果見表2。

圖3 力學(xué)性能試驗(yàn)

試件名稱抗壓強(qiáng)度/MPa抗壓彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa150mm SCC標(biāo)準(zhǔn)試件23.521.01.62500mm SCC大試件14.527.90.92500mm RFC大試件19.138.50.88

抗壓試驗(yàn)結(jié)果表明：自密實(shí)混凝土的抗壓試驗(yàn)存在著試件尺寸效應(yīng)的影響，例如，通過試驗(yàn)所得到的試件尺寸影響系數(shù)是：500mm立方體試件是150mm立方體試件抗壓強(qiáng)度的61.7%左右?？紤]到大小試件在養(yǎng)護(hù)上的差異，大試件的養(yǎng)護(hù)水平低于標(biāo)準(zhǔn)試件，所以在同等養(yǎng)護(hù)條件下，大試件的尺寸影響系數(shù)應(yīng)高于試驗(yàn)所得數(shù)值。在相同的試件尺寸和同等養(yǎng)護(hù)條件下，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于自密實(shí)混凝土，約為自密實(shí)混凝土1.3倍左右?？箟簭椥阅Ａ吭囼?yàn)表明堆石混凝土的彈模比自密實(shí)混凝土高30%以上。

抗拉試驗(yàn)結(jié)果表明：自密實(shí)混凝土的抗拉試驗(yàn)存在著試件尺寸效應(yīng)的影響，試驗(yàn)所得到的試件尺寸影響系數(shù)為：500mm立方體試件是150mm立方體試件抗壓強(qiáng)度的56.8%左右。在相同的試件尺寸和同等養(yǎng)護(hù)條件下，堆石混凝土的抗拉強(qiáng)度與自密實(shí)混凝土非常接近。

壩基下伏基巖主要為混合巖化片巖和云母角閃片巖，壩基置于弱分化層下帶基巖上，壩址區(qū)巖體物理力學(xué)、混凝土/巖體抗剪(斷)試驗(yàn)成果見表3。施工過程中，由于澆筑層厚的限制，會在硬化成型

表3 壩址區(qū)巖體物理力學(xué)、混凝土/巖體抗剪(斷)試驗(yàn)成果表

表4 堆石混凝土冷縫抗剪斷參數(shù)

后的大體積堆石混凝土中存在施工冷縫，從而形成堆石混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱面，冷縫是指兩層混凝土澆筑間隔時間超過了混凝土的初凝時間，從而在兩層混凝土中形成的施工縫，施工過程中需要對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，但它仍舊是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)[14]，為了研究堆石混凝土的強(qiáng)度及其抗?jié)B性能，本試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際施工過程，設(shè)計(jì)并澆筑了帶有施工冷縫的堆石混凝土試塊，兩次堆石混凝土澆筑倉面塊石露出面積約50%，露出高度5～15cm，堆石混凝土冷縫直剪試驗(yàn)成果見表4。壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′為0.95，壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力0.7MPa，堆石混凝土冷縫處抗剪斷摩擦系數(shù)f′為1.71，壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力1.59MPa，均大于壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用壩體混凝土與壩基接觸面參數(shù)，表明堆石混凝土冷縫處由于裸露塊石的原因使得其具有良好的抗剪斷能力。

2.2 熱力學(xué)性能

工程實(shí)例證明堆石混凝土具有很低的水化熱，這使得在應(yīng)用堆石混凝土技術(shù)時具備了簡化甚至取消溫控措施的可能性，為簡化大體積混凝土施工奠定了基礎(chǔ)。堆石混凝土的熱學(xué)性能取決于自密實(shí)混凝土和巖石的熱學(xué)性能。C15等級堆石混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 堆石混凝土絕熱溫升試驗(yàn)實(shí)測值與指數(shù)式擬合值匯總曲線

根據(jù)自密實(shí)混凝土的絕熱溫升值和水泥發(fā)熱速率參數(shù)m值，推求出堆石率55%的普通堆石混凝土各時刻絕熱溫升值以及m值，其絕熱溫升曲線公式為θ(τ)=14.2×(1-e-0.442τ)。由此可見，堆石率為55%的堆石混凝土最高絕熱溫升值為14.2℃，明顯低于普通混凝土。堆石混凝土絕熱溫升速率明顯低于自密實(shí)混凝土，且隨著堆石率的增加，絕熱溫升速率逐漸降低。

2.3 抗?jié)B性能

自密實(shí)混凝土自身具有卓越的抗?jié)B性能，當(dāng)其與大塊堆石共同形成堆石混凝土后其抗?jié)B性能是值得關(guān)注的重要問題。通過對大尺寸完整的堆石混凝土試件進(jìn)行抗?jié)B性能的試驗(yàn)研究才能夠客觀真實(shí)的評價(jià)堆石混凝土的抗?jié)B性能。通過全尺寸堆石混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)和堆石混凝土切塊(本體、施工熱縫、施工冷縫)標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B試驗(yàn)均證明了堆石混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能。實(shí)際工程中的鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果也證明了堆石混凝土具有良好的抗?jié)B性能，抗?jié)B性能數(shù)據(jù)見表5。大壩混凝土的抗?jié)B等級要求一般為W2～W12。對于普通部位和熱縫處的堆石混凝土而言，其抗?jié)B等級分別達(dá)到了W37、W32，均在W30以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般水工建筑物的標(biāo)準(zhǔn)；即使是抗?jié)B相對薄弱的冷縫處其抗?jié)B等級也達(dá)到了W15，亦能夠滿足一般水工建筑物要求。這充分表明填充良好的堆石混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能。

表5 堆石混凝土切塊抗?jié)B試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 適用性評價(jià)

曲溪水庫最大壩高為80m，澆筑方量約54.3萬m3，當(dāng)?shù)囟咽县S富，料場距壩址約800m，運(yùn)距短，開采運(yùn)輸方便，堆石料飽和抗壓強(qiáng)度51.5～82.1MPa，根據(jù)堆石混凝土原材料和堆石混凝土的綜合性能分析，堆石混凝土中自密實(shí)混凝土和石塊之間具有良好的膠結(jié)能力，堆石混凝土中石塊所形成的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可有效提高其抗壓強(qiáng)度，使其強(qiáng)度高于澆筑時所使用的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度。壩體內(nèi)部混凝土主要起到提供壓重的作用，保證壩體抗滑穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求，對抗?jié)B、抗凍等性能無特殊需求。采用堆石混凝土對其整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全性均不會產(chǎn)生負(fù)面影響，并且采用堆石混凝土還能夠增加壓重提高壩體結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性。

曲溪水庫壩體堆石混凝土性能綜合試驗(yàn)成果表明，采用堆石混凝土筑壩方案，可以明顯降低壩體混凝土開裂可能性。堆石混凝土除水泥用量少，水化熱溫升低，塊石用量大，密實(shí)度高(密度一般均超過2.5t/m3)的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有體積穩(wěn)定性好，層間抗剪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于重力式結(jié)構(gòu)。在施工過程中，堆石混凝土除混凝土拌合與運(yùn)輸設(shè)備需要規(guī)模小，極大簡化溫控措施等優(yōu)點(diǎn)以外，堆石混凝土施工進(jìn)度主要由堆石入倉速度確定，在施工道路條件相對較好的工程中，能夠充分發(fā)揮堆石混凝土施工速度快的優(yōu)勢，必要時，可以加速施工，加快施工工期，有利于加快施工進(jìn)度，降低導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)，降低工程總造價(jià)，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

堆石混凝土水泥用量少，水化熱溫升低，塊石用量大，可極大簡化溫控措施，降低工程投資，與碾壓混凝土比較，采用堆石混凝土可節(jié)省投資約4100萬元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。經(jīng)綜合分析，堆石混凝土技術(shù)適用于曲溪水庫工程。

4 結(jié)論

結(jié)合曲溪水庫當(dāng)?shù)囟咽锨闆r，采用150mm粒徑的塊石作為堆石體，制作大于3倍骨料粒徑的500mm大試件進(jìn)行試驗(yàn)，對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量等性能檢測，主要結(jié)論如下：

(1)在相同的試件尺寸和同等養(yǎng)護(hù)條件下，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度約為自密實(shí)混凝土1.3倍左右，明顯高于自密實(shí)混凝土，抗拉強(qiáng)度與自密實(shí)混凝土非常接近，且由于裸露塊石的原因使得堆石混凝土冷縫處具有良好的抗剪斷能力。

(2)堆石混凝土綜合性能成果表明，堆石混凝土強(qiáng)度、彈模等基本力學(xué)性能與普通大體積混凝土相近，抗?jié)B性能優(yōu)良，水化熱溫升遠(yuǎn)低于常態(tài)混凝土，可以顯著降低回填混凝土開裂可能性。采用堆石混凝土作為壩體材料的堆石混凝土壩體內(nèi)部溫度和應(yīng)力滿足大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

(3)堆石混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，對于普通部位和熱縫處的堆石混凝土而言，其抗?jié)B等級均在W30以上，即使是在冷縫處其抗?jié)B等級也達(dá)到了W15，滿足一般水工建筑物要求。

(4)從建筑材料、施工進(jìn)度等方面與原碾壓混凝土比較，采用堆石混凝土筑壩方案可充分利用當(dāng)?shù)貕K石料，簡化溫控，節(jié)約人工，減少設(shè)備投入，采用堆石混凝土可節(jié)省投資約4100萬元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯，堆石混凝土技術(shù)適用于曲溪水庫工程。