三河口大壩碾壓混凝土配合比參數(shù)優(yōu)選研究

任喜平 李元來(lái) 張永強(qiáng) 楊瑞

摘?要：針對(duì)秦嶺腹地南北氣候分界線特殊區(qū)域的碾壓混凝土大壩中混凝土配合比參數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)較少。通過(guò)三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩中混凝土配合比的試驗(yàn)研究，總結(jié)了該特殊地區(qū)碾壓混凝土大壩中配合比設(shè)計(jì)中各原材料參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果表明：優(yōu)化組合大壩碾壓混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等主要參數(shù)可提高混凝土各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求的條件下，保證混凝土質(zhì)量，降低水泥用量，可達(dá)到節(jié)省成本的目的。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土;優(yōu)選;參數(shù);配合比;試驗(yàn);三河口大壩

中圖分類號(hào)：TV53?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.025

Optimization of RCC Mix Ratio Parameters in Sanhekou Dam

REN Xiping， LI Yuanlai， ZHANG Yongqiang， YANG Rui

（Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：At present， there is little experience in determining the concrete mixture ratio parameters of RCC dams in the special zone of climate boundary between north and south in the hinterland of Qinling Mountains. Based on the experimental study of the concrete mixture ratio in the RCC dam of Sanhekou Water Control Project， the experience of selecting the raw material parameters in the mixture ratio design of RCC dam in this special area was summarized. The results show that the optimization of the mix proportioning of the combination of RCC dam， fly ash and admixture of cement， aggregate and unit water consumption can improve the main concrete parameters， such as the physical performanceindex， satisfythe requirement of related design documents and specifications in condition， ensure the quality of concrete， reduce the dosage of cement and can achieve the purpose of saving cost. The experimental results have been successfully applied to Sanhekou Water Control Project， which can be used as a reference for the selection of RCC mixture ratio parameters in Jinxia Dam of Yinhan and Weiwei project.

Key words： roller compacted concrete; optimization; parameters; mixture ratio; test; Sanhekou Dam

碾壓混凝土大壩作為三河口水利樞紐工程的主要建筑物，其混凝土的澆筑過(guò)程是影響工期和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。而三河口水利樞紐地處南北氣候分界區(qū)域特殊環(huán)境中，其碾壓混凝土大壩的澆筑施工存在一系列的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如干硬性貧水泥混凝土運(yùn)輸方式、拌制和入倉(cāng)手段、碾壓時(shí)的錯(cuò)振和漏振等[1]。這就要求在大壩碾壓混凝土施工過(guò)程中，必須保證碾壓混凝土自身的質(zhì)量，對(duì)碾壓混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿足現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和特殊環(huán)境要求的混凝土，并經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)和選取施工組織措施，在二者合理配合的條件下完成壩體碾壓混凝土施工。碾壓混凝土配合比的確定是通過(guò)試驗(yàn)研究，得到單位體積碾壓混凝土中各原材料用量，使混凝土的各項(xiàng)物理性能參數(shù)滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和施工工藝要求，其中碾壓混凝土配合比的優(yōu)化是經(jīng)過(guò)優(yōu)化組合大壩碾壓混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、水等主要參數(shù)[2]，提高混凝土各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求的條件下，保證混凝土質(zhì)量，降低水泥用量，確定最終碾壓混凝土配合比。

筆者對(duì)三河口大壩

碾壓混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、水等原材料的配制、試調(diào)、優(yōu)化進(jìn)行了分析研究。

1?工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內(nèi)距大河壩鎮(zhèn)上游3.8 km的子午河大峽谷，水庫(kù)總庫(kù)容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.5億m3，壩體高度為141.5 m，居國(guó)內(nèi)同類壩型第二，壩頂高程和寬度分別為646 m和9 m。在壩體高程588.0～646.0 m間設(shè)置三孔15 m×15 m溢流表孔;在壩體高程534.0～540.0 m間設(shè)置兩孔4 m×5 m底孔。大壩、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土約為90.68萬(wàn)m3。該工程基礎(chǔ)層碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑面積大，混凝土基礎(chǔ)容許溫差約束應(yīng)力與基礎(chǔ)塊混凝土尺寸成比例增加，碾壓混凝土拱壩大體積混凝土施工過(guò)程溫控難度大、要求高。

2?原材料試驗(yàn)

2.1?水?泥

水泥選用陜西堯柏水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽P.O42.5水泥，其物理力學(xué)性能參數(shù)、化學(xué)試驗(yàn)測(cè)試成果都滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）標(biāo)準(zhǔn)，具體值見(jiàn)表1、表2。

2.2?粉煤灰

粉煤灰選用陜西華西電力有限公司生產(chǎn)的F類分選Ⅱ級(jí)粉煤灰，參數(shù)見(jiàn)表3。

2.3?骨?料

細(xì)骨料采用人工砂外摻原狀砂石粉與砂混合構(gòu)成，在生產(chǎn)過(guò)程中可把石粉含量控制在13.5%～17.6%之間，粉煤灰代替砂量的4%進(jìn)行大壩碾壓混凝土配合比試驗(yàn)，滿足相關(guān)配合比試驗(yàn)規(guī)程要求。粗骨料采用三河口柳木溝砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的花崗巖碎石，在對(duì)骨料篩分后進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)，超遜徑按零考慮，粗骨料各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果都在相關(guān)規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

2.4?外加劑

碾壓混凝土的質(zhì)量、耐久性等一系列的性能對(duì)拌和過(guò)程中添加的外加劑質(zhì)量和水泥品種的適應(yīng)性起到關(guān)鍵作用，三河口水利樞紐大壩混凝土配合比試驗(yàn)采用的外加劑為山西康力公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑KLN-3、引氣劑KLAE，配制的混凝土各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均滿足《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）規(guī)定。

3?配合比中各參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)

碾壓混凝土配合比試驗(yàn)參數(shù)主要有水膠比、單位用水量、砂率、粉煤灰添加量等，這些參數(shù)對(duì)混凝土各項(xiàng)物理特性有著直接的影響[3]。在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求的條件下，碾壓混凝土二、三級(jí)配試驗(yàn)的水膠比取0.45、粉煤灰摻量分別取50%和55%、KLN-3減水劑摻量1.0%、KLAE引氣劑摻量分別取0.15%和0.12%、用水量分別取97 kg/m3和86 kg/m3。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，達(dá)到工程建設(shè)中節(jié)省成本的目的。

3.1?骨料級(jí)配選擇

從抗分離性、均勻性等碾壓混凝土自身的特性方面分析，試驗(yàn)過(guò)程中采取的二級(jí)配骨料中、小石之間的比例為45∶55，三級(jí)配骨料大、中、小石之間的比例為30∶40∶30。

3.2?最優(yōu)砂率選擇

配合比中的砂率關(guān)系到混凝土的單位用水量、和易性及凝固后各項(xiàng)物理特征，所以經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選取最優(yōu)砂率后，試樣會(huì)有較好的泛漿效果、最小的單位用水量等優(yōu)良特征。在確定水膠比、粉煤灰添加量、單位用水量的條件下進(jìn)行砂率最優(yōu)選取試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中不斷改變砂率值，通過(guò)對(duì)試樣在規(guī)定振動(dòng)頻率、振幅及表面壓強(qiáng)下，振至表面泛漿所需的時(shí)間VC值進(jìn)行全面評(píng)定，得到相應(yīng)最優(yōu)砂率[5]。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，碾壓混凝土三級(jí)配砂率為33%時(shí)出機(jī)VC值最小，二級(jí)配砂率為37%時(shí)出機(jī)VC值最小，碾壓混凝土砂率與VC值關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

3.3?單位用水量和VC值的變化規(guī)律

在確定水膠比、粉煤灰摻量、砂率的條件下通過(guò)試驗(yàn)選取最優(yōu)單位用水量[4-5]，在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)對(duì)單位用水量的改變，觀測(cè)VC值的變化特點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在碾壓混凝土水膠比、砂率、級(jí)配確定的情況下，VC值每增大1 s，用水量相應(yīng)減小1.5～2.0 kg/m3。碾壓混凝土單位用水量與VC值的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

3.4?水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

確定用水量和砂率，選取恰當(dāng)?shù)乃z比、粉煤灰添加量，開(kāi)展水膠比和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律試驗(yàn)，能夠?yàn)槟雺夯炷僚浜媳鹊脑O(shè)計(jì)起到一定的參考作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同粉煤灰摻量條件下，碾壓混凝土水膠比與抗壓強(qiáng)度有較好的相關(guān)性。碾壓混凝土水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖3。

3.5?抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)

粉煤灰摻量不同的同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)存在差異。把混凝土齡期28 d的抗壓強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，得到各齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)，見(jiàn)表4。

3.6?最優(yōu)石粉含量的選擇

人工骨料中石粉含量關(guān)系到碾壓混凝土的各項(xiàng)物理性能，合理的石粉含量直接關(guān)系到碾壓混凝土的均勻、抗分離、易密等特性，最優(yōu)石粉含量的選擇是在配合比中水膠比、砂率、粉煤灰摻量固定的條件下，經(jīng)過(guò)石粉含量的改變，對(duì)試樣的和易性、VC值進(jìn)行對(duì)比，以便最終選取石粉含量，在具體試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)添加花崗巖石粉取代一定量的人工砂來(lái)改變石粉含量。

試驗(yàn)結(jié)果表明：砂石骨料中石粉含量達(dá)18%時(shí)，混凝土試樣的觀感、骨料包裹狀態(tài)逐步變好。通過(guò)試驗(yàn)得到VC值后，從容器中取出的拌和物試樣表面密實(shí)、光滑，同時(shí)漿體特別充足，在不斷增大石粉含量時(shí)，試樣的黏聚性不斷增強(qiáng)，相應(yīng)混凝土中物質(zhì)的總表面積也在不斷增大。人工砂石粉含量每增加1%，碾壓混凝土用水量相應(yīng)增加約1 kg/m3。石粉含量為16%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，但和易性較差;石粉含量為18%時(shí)的抗壓強(qiáng)度比石粉含量為16%時(shí)的稍低，但碾壓混凝土拌和物性能較好。綜上所述，配合比試驗(yàn)選擇的人工砂中石粉含量選擇16%～18%比較合理。

3.7?優(yōu)化后的配合比

通過(guò)對(duì)三河口水利樞紐碾壓混凝土試驗(yàn)參數(shù)選取開(kāi)展試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算分析，優(yōu)化后的配合比見(jiàn)表5。

4?碾壓混凝土性能試驗(yàn)及碾壓效果

4.1?性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)配合比試驗(yàn)優(yōu)化后碾壓混凝土容重、凝結(jié)時(shí)間、含氣量、VC值、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B和抗凍等性能見(jiàn)表6。可以看出，優(yōu)化后混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2?現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓效果

三河口水利樞紐大壩施工過(guò)程采用振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，振動(dòng)碾在碾壓過(guò)程中的行走速度為1.25 km/h，每個(gè)碾壓層厚0.3 m，先2遍靜碾進(jìn)行封閉，再進(jìn)行6遍振動(dòng)碾壓，對(duì)倉(cāng)面壓實(shí)后，試驗(yàn)人員在監(jiān)理工程師的監(jiān)督下采用核子密度進(jìn)行實(shí)際密度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表7?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)碾壓混凝土的配合比參數(shù)優(yōu)化后倉(cāng)面混凝土碾壓性能較好，碾壓層表層的泛漿效果、密實(shí)度等質(zhì)量特性有了很大改變，各點(diǎn)位所測(cè)壓實(shí)度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求且分布均勻。

5?結(jié)?語(yǔ)

本次試驗(yàn)為三河口大壩碾壓混凝土配合比參數(shù)的選擇提供了合理的依據(jù)，也為引漢濟(jì)渭黃金峽碾壓混凝土大壩配合比參數(shù)的優(yōu)選起到借鑒作用。碾壓混凝土配合比的水膠比、砂率、單位用水量以及粉煤灰摻量等參數(shù)與混凝土的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)之間有著密切的關(guān)系，經(jīng)過(guò)優(yōu)化組合大壩碾壓混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等參數(shù)，使混凝土質(zhì)量得到了保證，降低了水泥用量，達(dá)到了工程建設(shè)中節(jié)省成本的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]?王澤秀.碾壓混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2007，48（1）：21-23.

[2]?孔佑鵬，周學(xué)友，何延平.淺談官地水電站碾壓壩混凝土配合比參數(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)西部科技，2011，24（12）：87-89.

[3]?郭紅偉，高真奎.官地水電站碾壓混凝土配合比試驗(yàn)研究[J].水利水電施工，2012，35（7）：123-125.

[4]?朱大勇.白蓮崖碾壓混凝土拱壩施工的溫控措施[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，49（11）：57-59.

[5]?汪永劍，丁仕輝，謝祥明.大摻量高鈣粉煤灰碾壓混凝土配合比試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2008，32（8）：167-169.

【責(zé)任編輯?張華巖】