高摻粉煤灰碾壓混凝土在筑壩工程中的應(yīng)用

張漢濤，蔡杰龍，饒宇豪

(1.梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設(shè)管理處，廣東 梅州 514021；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635；4.廣東省水利重點(diǎn)科研基地，廣東 廣州 510635；5.梅州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣東 梅州 514021)

1 概述

近些年，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，大量的民生水利工程，特別是水庫(kù)大壩的建設(shè)如火如荼。其中，碾壓混凝土筑壩技術(shù)作為最常用的施工技術(shù)在全國(guó)各地得到了廣泛應(yīng)用。碾壓混凝土又稱“貧水泥混凝土”，是一種干硬性無(wú)坍落度的混凝土，具有施工快、水化熱低、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在筑壩工程中發(fā)揮著極其重要的作用。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)在建設(shè)水庫(kù)大壩的過(guò)程中，已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，其中，碾壓混凝土的原材料和配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)是筑壩工程施工能否成功的關(guān)鍵。包括摻合料、外加劑使用技術(shù)等。

粉煤灰作為一種活性摻合料，在節(jié)約水泥用量、改善碾壓混凝土性能、降低水化溫升方面發(fā)揮著積極的作用。近十幾年來(lái)，大量的粉煤灰應(yīng)用于混凝土工程中，特別是水利水電工程中，幾乎沒(méi)有不摻粉煤灰的大壩混凝土[3-5]。不同的碾壓混凝土壩粉煤灰的摻量不同，一般摻量占總膠凝材料用量的30%～60%，具體摻量通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。如三峽工程3期碾壓混凝土圍堰工程中粉煤灰的摻量為50%，觀音閣水庫(kù)碾壓混凝土粉煤灰摻量最高達(dá)60%，棉花灘工程3級(jí)碾壓混凝土粉煤灰摻量為65%，石門子工程3級(jí)配碾壓混凝土中粉煤灰摻量為63%。為了發(fā)揮粉煤灰在碾壓混凝土筑壩工程中獨(dú)特的優(yōu)越性，同時(shí)滿足施工及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)碾壓混凝土的技術(shù)性能要求，本工程有必要進(jìn)行高摻粉煤灰碾壓混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性能試驗(yàn)及其在工程中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)綠色工程目標(biāo)，同時(shí)為國(guó)內(nèi)外同類筑壩工程提供重要參考。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)材料

1) 水泥

采用華潤(rùn)水泥有限公司生產(chǎn)的“潤(rùn)豐牌”P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 華潤(rùn)P·O42.5物理力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2) 粉煤灰

采用福建省龍巖龍能粉煤灰綜合利用有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其品質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

3) 天然河砂

采用韓江河砂，其品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 天然河砂品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

4) 碎石

采用當(dāng)?shù)厥蠄?chǎng)生產(chǎn)的碎石，粒徑規(guī)格為：5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm(品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4)。

表4 碎石品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

5) 其他材料

本試驗(yàn)中使用的氧化鎂采用武漢某公司生產(chǎn)的MAG型混凝土氧化鎂膨脹劑，各項(xiàng)指標(biāo)符合《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5296—2013)；HWR-R型緩凝高效減水劑和AE-TD05型引氣劑各項(xiàng)性能指標(biāo)分別符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)標(biāo)準(zhǔn)中緩凝型高效減水劑(HWR-R)和引氣劑(AE)的技術(shù)要求。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本工程設(shè)計(jì)的碾壓混凝土為3級(jí)配，最大水灰比不得大于0.65，總膠凝材料用量不宜低于130 kg/m3，氧化鎂摻量為總膠凝材料的5.0%，混凝土中需摻入一定比例引氣劑，含氣量宜控制在2.0%～3.5%，初凝時(shí)間不宜小于6 h，終凝時(shí)間不宜大于10 h；混凝土設(shè)計(jì)表觀密度宜大于等于2 250 kg/m3，強(qiáng)度等級(jí)為C9010，且強(qiáng)度保證率不得低于80%，90 d抗?jié)B等級(jí)為W2，90 d抗凍等級(jí)為F50。碾壓混凝土拌合物在倉(cāng)面的VC值宜控制在3～8 s，碾壓后的混凝土相對(duì)密實(shí)度應(yīng)達(dá)到97%以上。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次3種不同粉煤灰摻量的混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5所示。

表5 碾壓混凝土配合比

2.3 碾壓混凝土性能測(cè)試

本次碾壓混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試均參照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)施工工藝包括原材料計(jì)量、攪拌、運(yùn)輸、卸料、平倉(cāng)和碾壓等?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓時(shí)對(duì)碾壓混凝土的工作性能包括Vc值和表觀密度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，施工后達(dá)到一定設(shè)計(jì)齡期，鉆孔取芯對(duì)混凝土芯樣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 碾壓混凝土工作性能

本次對(duì)碾壓混凝土的Vc值、含氣量和凝結(jié)時(shí)間3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)表6所示)。

表6 碾壓混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土的Vc值逐漸減小，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到74%時(shí)，碾壓混凝土工作性能最好。同時(shí)，含氣量和凝結(jié)時(shí)間均能滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰摻量增加到一定程度(74%)對(duì)碾壓混凝土工作性能具有改善作用。

3.2 碾壓混凝土力學(xué)性能

本次對(duì)碾壓混凝土14 d、28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果示意

圖2 碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果示意

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定程度的提高。究其原因，主要是粉煤灰具有的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)共同作用的結(jié)果，其摻量的增加對(duì)硬化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能具有一定程度的改善作用。

3.3 碾壓混凝土耐久性能

本次對(duì)碾壓混凝土90 d的抗?jié)B等級(jí)和抗凍等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)表7所示)。

表7 碾壓混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，不同粉煤灰摻量下的3種碾壓混凝土90 d抗?jié)B等級(jí)和抗凍等級(jí)均能滿足設(shè)計(jì)要求，其中隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土經(jīng)25次和50次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量均有提高，質(zhì)量損失率均有降低，即抗凍性能整體有所提高，主要源于粉煤灰摻量的增加使碾壓混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)有關(guān)。

3.4 碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量評(píng)價(jià)

本工程選用了PH-3#碾壓混凝土配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。具體施工工藝為：采用大倉(cāng)面薄層連續(xù)鋪筑，鋪筑方法為平層通倉(cāng)法，采用20 t自卸車進(jìn)倉(cāng)及退鋪法卸料，卸料后推土機(jī)平倉(cāng)，再采用BW203-AD 振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，碾壓遍數(shù)控制為“2(靜碾)+6(振碾)+2(靜碾)”，振動(dòng)碾行走速度控制在1.0～1.5 km/h，混凝土拌合物從拌和到碾壓完畢歷時(shí)控制在2 h以內(nèi)。鋪筑層以固定方向逐條帶鋪筑，每個(gè)碾壓條帶作業(yè)結(jié)束后，按網(wǎng)格布點(diǎn)檢測(cè)混凝土的表觀密度。具體施工質(zhì)量評(píng)價(jià)如下。

1) 碾壓混凝土工作性能

經(jīng)測(cè)試倉(cāng)面的碾壓混凝土Vc值為4.5～6.0 s，倉(cāng)面整體表面濕潤(rùn)，漿體均勻，骨料未出現(xiàn)分離，混凝土可碾性良好。碾壓混凝土條帶作業(yè)結(jié)束，經(jīng)布點(diǎn)檢測(cè)碾壓混凝土表觀密度為2 365～2 410 kg/m3，相對(duì)密實(shí)度為98%～100%，滿足設(shè)計(jì)要求(如圖3所示)。

圖3 碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工示意

2) 碾壓混凝土力學(xué)性能和耐久性能

本次通過(guò)鉆孔取芯綜合評(píng)價(jià)碾壓混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，鉆取碾壓混凝土芯樣共14.6 m，鉆孔直徑為219 mm，芯樣直徑為193 mm。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)芯樣進(jìn)行分析可知，芯樣表面光滑、致密、骨料分布均勻，達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。芯樣斷口吻合，各碾壓層的層間結(jié)合良好(見(jiàn)圖4)。經(jīng)截取標(biāo)準(zhǔn)芯樣對(duì)自然狀態(tài)下的表觀密度、抗壓強(qiáng)度(高徑比1:1)、抗?jié)B等級(jí)和抗凍等級(jí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試齡期為635 d，每個(gè)指標(biāo)各測(cè)試3組，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8所示。

圖4 碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)芯樣示意

表8 碾壓混凝土芯樣測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，施工后的碾壓混凝土表觀密度、芯樣抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)和抗凍等級(jí)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上測(cè)試結(jié)果分析可知，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到74%時(shí)，碾壓混凝土的施工質(zhì)量包括工作性能、力學(xué)性能和耐久性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 高摻粉煤灰對(duì)碾壓混凝土工作性能具有改善作用，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定程度的提高，90 d的抗?jié)B性能和抗凍性能均有一定幅度的提升。摻量達(dá)到74%的高摻粉煤灰碾壓混凝土室內(nèi)各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求，可為現(xiàn)場(chǎng)施工提供重要參考依據(jù)。

2) 現(xiàn)場(chǎng)碾壓混凝土性能測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)成型的混凝土試件性能基本一致。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到74%時(shí)，碾壓混凝土可碾性和抗離析性良好，鉆孔取芯結(jié)果證明力學(xué)性能和耐久性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。高摻粉煤灰碾壓混凝土在本筑壩工程中的成功應(yīng)用，可為國(guó)內(nèi)外同類工程提供借鑒與參考。