碾压混凝土的研究现状与发展趋势

厍海鹏

1 概述

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺合料、水、外加剂、砂和粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备，用振动碾分层压实。

碾压混凝土筑坝技术于20世纪70年代兴起，我国80年代初开始研究。碾压混凝土坝具有混凝土体积小、工艺简单、上坝强度高、防渗性能好、坝身可溢流、工期短、造价低、适应性强、可使用大型通用机械等优点，能产生巨大的经济和环境效益，已广泛运用于道路、机场、大坝中。

2 碾压混凝土原材料

碾压混凝土是由水泥、掺合料、砂、石子及外加剂等六种材料组成，水泥和掺合料又称为胶凝材料。碾压混凝土形成机理与常态混凝土相同，但其水泥用量比常态混凝土小，用水量小。由于碾压混凝土掺入大量粉煤灰，拌和物流动性较差，粘聚性小，呈现干松状态，需碾压密实。

随着碾压混凝土技术的进步，外加剂，高掺粉煤灰，外掺料，混凝土配合比等方面的发展迅速，其原材料也越来越能符合不同工程需求。

2.1 粉煤灰

粉煤灰中含有大量的球状玻璃珠，能起到“滚珠轴承”和“解絮扩散”作用，可有效分散水泥颗粒，填充水泥浆体中的孔隙。粉煤灰活性较水泥低，可延缓水泥的水化速度，其火山灰效应产生的硅酸钙凝胶性物质随龄期增长而缓慢增多。粉煤灰取代部分水泥可有效降低水化热，有利于防止碾压混凝土裂缝发生，也可改善碾压混凝土的可塑性与稳定性，有效地提高碾压混凝土的密实度。碾压混凝土粉煤灰掺量高于常态混凝土，常态混凝土粉煤灰掺量一般为0%～40%，而碾压混凝土粉煤灰掺量一般为50%～70%，其中60%左右较多。

我国已建和在建的碾压混凝土坝广泛都采用低水泥用量高掺粉煤灰，例如广西岩滩水电站粉煤灰含量为66.1%，陕西蔺河口水电站粉煤灰含量为61.6%，云南彭水水电站粉煤灰含量为60%。

粉煤灰作为掺合材料的碾压混凝土抗压强度和劈拉强度均高于白云岩和花岗岩。对于掺粉煤灰的碾压混凝土，应充分利用其后期强度增长较快的特点，在不影响工程运行的前提下，可适当延长混凝土设计龄期。结合使用缓凝高效减水剂与引气剂，碾压混凝土掺加适量的粉煤灰，可使其具备良好的工作度、可塑性、易密性和稳定性，技术经济效果显著［1］。

2.2 石粉

石粉主要是指岩石经过机械加工后的粒径小于0.16 mm的微细颗粒，它包括人工砂中粒径小于0.16 mm的细颗粒和专门磨细的岩石粉末，为形状不规则的多棱体。石粉与掺合料细度相当，可替代砂浆中部分掺合料，与胶凝材料一起起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用，相当于增加了胶凝材料浆体，能在一定程度上改善碾压混凝土拌和物的和易性，增进混凝土的匀质性、密实性、抗渗性。同时可提高混凝土的强度及断裂韧性，改善施工层面的胶粘性能，减少胶凝材料用量，降低绝热温升［2］。

适当提高石粉含量，可降低成本，提高混凝土质量。随着石粉含量的增加，碾压混凝土中的空隙能得到填充，其振实容重也相应增大，密实性有所提高。石粉含量约为16%～18%范围时，碾压混凝土抗压强度值达到最高;石粉含量大于18%时，碾压混凝土抗压强度随石粉含量的增加逐渐降低。所以当粉煤灰供应紧张时，可用石粉替代粉煤灰作为掺合料［3，4］。试验研究表明，用石粉替代0%～20%的粉煤灰，可以显著提高碾压混凝土的可碾性，对碾压混凝土的拌合物性能和物理力学性能等基本无影响［5］。

2.3 双掺料

混凝土配合比设计时，为了改善碾压混凝土性能，节约水泥，降低水化热温升，添加两种不同掺合料称为双掺料。鲁少林［6］进行了锰铁矿渣和石灰岩粉各50%的掺合料(简称双掺料)的试验研究，结果表明:双掺料对水化热的降低程度较掺粉煤灰对水化热的降低程度低，双掺料较粉煤灰的活性大。双掺料粒形为不规则的菱形状，而粉煤灰粒形为玻璃珠状，掺用双掺料的碾压混凝土需要更多的能量才能达到设计要求的压实度，因此碾压混凝土掺用双掺料时需要更多的碾压遍数才能达到相同的压实度。在施工过程中，掺用粉煤灰的混凝土正常情况下碾压遍数2+6+2即可达到设计要求的压实度，而掺用双掺料的混凝土碾压遍数2+8+2才可达到设计要求的压实度。掺用双掺料的碾压混凝土碾压完后表面光泽、弹性比掺用粉煤灰的混凝土差。

双掺料的混凝土物理性能及耐久性能与掺粉煤灰混凝土没有变化，但掺用双掺料水化热较高，因此施工中应采取相应措施，控制混凝土裂缝。目前，国内水电工程使用双掺料的情况很少，相关的研究还不够深入，相应的规律需要更进一步深入的研究。

3 碾压混凝土试验研究

3.1 抗压强度

碾压混凝土的强度主要与密实度、水胶比、胶砂比(胶凝材料与砂之比)、骨料的级配等因素有关。

在水灰比相同的情况下，碾压混凝土比普通混凝土抗压强度有较大提高，掺粉煤灰后碾压混凝土强度有所降低，掺硅粉后碾压混凝土强度显著提高［7］。碾压混凝土强度与硅粉掺量有如下关系:

其中，f28为碾压混凝土28 d抗压强度;M为硅粉掺量。

李世绮认为碾压混凝土强度发展均符合鲍罗米定则，通过大量室内试验，回归分析水泥胶砂和混凝土28 d抗压强度(Rc，R28)试验结果，得到抗压强度鲍罗米经验式［8］，如下:

R28=0.327Rc(c/w+0.074)。

其中，R28为碾压混凝土28 d抗压强度;Rc为水泥胶砂抗压强度;c/w为灰水比。

3.2 抗拉弯强度

碾压混凝土抗拉弯强度主要与水灰比、水泥强度、砂率及粗骨料填充体积率有关。

3.2.1 水灰比

碾压混凝土抗弯拉强度与普通混凝土一样也服从阿布拉姆斯(D.A.Ablams)水灰比定则，水灰比对碾压混凝土3 d和28 d抗弯拉强度影响显著，对7 d抗弯拉强度影响较小。李世绮认为碾压混凝土抗折强度符合鲍罗米经验式［9］:

F28=0.213Fc(c/w+0.898)。

其中，F28为碾压混凝土28 d抗折强度;Fc为水泥胶砂抗折强度;c/w为灰水比。

3.2.2 砂率

砂率也是碾压混凝土抗弯拉强度的重要影响因素。当用水量和水泥用量一定时，砂率对7 d和28 d抗拉弯强度影响较明显。当砂率过小时，细集料比例不足，不能完全填充混凝土中的空隙，致使混凝土密实度降低;当砂率过大时，粗骨料用量相对减少，相对削弱了混凝土的密实骨架，抗拉弯强度也会降低。

3.2.3 粗骨料填充体积率

粗骨料填充体积率为单位混凝土中粗骨料所占体积百分比。可表示为:

其中，K为粗骨料填充体积率;Va为粗骨料振实后的体积，m3;Vc为混凝土体积，m3。

杨建，蔡良才进行了不同粗骨料填充体积率的碾压混凝土抗拉弯强度试验，对试验结果进行回归分析得到碾压混凝土抗拉弯强度与粗骨料填充体积率的关系为:

fc，28=3.293 －0.016 8w+0.012 8c+0.021Vg。

其中，c为水泥用量;w为用水量;Vg为粗骨料填充体积率。

可以看出，当水灰比相同时，碾压混凝土的抗拉弯强度随着粗骨料填充体积率的增大而增大。Vg在60%～75%之间时，混凝土的工作性能和开裂性能较好。

4 展望

碾压混凝土坝具有混凝土体积小、工期短、造价低、适应性强、可使用大型通用机械等优点，能产生巨大的经济效益和环境效益。

为了促进碾压混凝土更好地利用，应加强对其研究:

1)研究不同品质粉煤灰及其他掺合料的掺量对碾压混凝土性能的影响，进一步增大掺量，减少水泥用量;研究双掺料、多掺料沥青碾压混凝土的性能，进一步研究变态混凝土的砂浆掺量及施工工艺，选择适合不同工程施工的混凝土。

2)深入研究碾压混凝土动态力学性能，加强碾压混凝土抗渗性、耐久性、破坏机理及其在不同工作状态下的特性研究。

［1］ 魏光辉，曹 伟.掺粉煤灰碾压混凝土的配合比技术研究［J］.粉煤灰综合利用，2008(5):45-47.

［2］ 刘芝贵，王海生.石粉含量对碾压混凝土性能的影响［J］.人民长江，2007，38(8):108-109.

［3］ 纪 辉，陆采荣，王 珩.土卡河水电站混凝土新型复合掺合料研究与应用［J］.云南水力发电，2006，22(6):52-54.

［4］ 罗 伟，巩宁峰.石粉作为碾压混凝土掺合料的试验研究［J］.混凝土，2010，25(11):82-86.

［5］ 聂 强，陈 磊.大理岩石粉替代粉煤灰在碾压混凝土中的应用［J］.粉煤灰，2009(6):30-34.

［6］ 鲁少林.双掺料混凝土的研究与应用［J］.葛洲坝集团科技，2005，75(3):11-15.

［7］ 李建岭，罗昭鸿.碾压混凝土抗压强度试验研究［J］.深圳土木与建筑，2005，2(3):55-58.

［8］ 李世绮.路面碾压混凝土的性能及对施工的要求［J］.公路交通科技，1999，16(1):8-12.

［9］ 杨 健，蔡良才.碾压混凝土抗弯拉强度特性的试验研究［J］.混凝土，2007，18(12):7-9.