高寒地区筑坝碾压混凝土配合比优化设计方法研究

刘 丹，孙西欢，2，李永业，石继忠

（1．太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2．山西水利职业技术学院山西运城 044004）



高寒地区筑坝碾压混凝土配合比优化设计方法研究

刘 丹1，孙西欢1，2，李永业1，石继忠1

（1．太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2．山西水利职业技术学院山西运城 044004）

摘 要：碾压混凝土配合比参数优化是保障筑坝安全的重要技术措施。依托高原区碾压混凝土筑坝工程，重点探讨了外加剂掺量和粉煤灰品质在碾压混凝土配合比设计中的控制机理，拟合了不同工况下碾压混凝土胶水比与抗压强度的关系曲线。结果表明：在不影响碾压混凝土品质的情况下，提高外加剂掺量可以有效降低胶凝材料的用量；粉煤灰的等级对混凝土用水量有很大的影响；碾压混凝土胶水比与抗压强度有较好的线性相关性，其各龄期抗压强度发展系数先增长较快，后增速放缓并趋于平稳。该设计经验可为类似工程的碾压混凝土配合比优化设计提供参考。

关键词：碾压混凝土；配合比参数优化；胶水比；抗压强度；粉煤灰品质；外加剂掺量

1 研究背景

除造价较高的新能源外，水电站依旧是当今适应建筑工程快速发展、用电量需求剧增现状的首选工程项目。特别是各种优势凸显的碾压混凝土快速筑坝技术将成为未来中、小型水电站的首选［1－2］。众多学者对碾压混凝土筑坝技术参数和施工工艺做了研究总结［3－5］，但是如何在高寒地区实现碾压混凝土的设计施工依旧是困扰工程界的难题［6－11］。

本文结合实际工程，针对胶水比、抗压强度、用水量、粉煤灰品质、外加剂掺量5个参数，从碾压混凝土用水量与外加剂掺量关系、碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系、碾压混凝土胶水比与抗压强度关系、碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数4个方面对配合比参数特性进行研究；重点总结了碾压混凝土用水量调节中的控制机理，旨在为类似工程设计碾压混凝土最优配合比提供参考。

2 工程规模

该枢纽工程地处云贵高原，具有典型的高原气候特点，昼夜温差大、光照强烈、气候干燥、蒸发量大，混凝土的温控和抗裂要求是大坝混凝土配合比设计的主要指标。作为目前国内已建和在建RCC重力坝中规模较大工程之一，坝体混凝土工程量为：常态混凝土约201万m3、碾压混凝土约250万m3。混凝土施工计划工期为3 a。

3 技术难题

优良的筑坝混凝土施工配合比是混凝土施工浇筑质量进度的基础保证。混凝土施工材料中的成品玄武岩粗骨料粒形差且玄武岩人工砂的石粉含量偏低；攀枝花Ⅱ级粉煤灰需水量比也较高；碾压混凝土单位用水量也较高。这些在以往的工程中十分少见。前期采用的玄武岩骨料人工砂石粉含量偏低，新拌碾压混凝土拌和物工作性能差，经计算浆砂体积比均在0．38以下，明显小于一般碾压混凝土浆砂比的理论值（约0．42）。由于石粉含量低，碾压混凝土浆体明显不足，造成碾压混凝土液化泛浆差，对层间结合十分不利。

4 试验方案

常态混凝土配合比设计已经非常成熟，本文作者仅对碾压混凝土配合比进行设计和试验。针对碾压混凝土用水量偏高，试验采用相同的配合比试验参数，调整外加剂掺量和选取不同的粉煤灰品种，进行对照，研究外加剂不同掺量及不同粉煤灰品种对混凝土单位用水量的影响。试验选材条件如下。

原材料：永保42．5中热水泥；攀枝花Ⅱ级粉煤灰；需水量比102%；前期加工的玄武岩人工骨料、砂细度模数FM＝2．56，石粉含量按20%控制；缓凝高效减水剂ZB－1RCC15按0%（不含减水剂的情况），0．5%，1．0%控制；引气剂为ZB－1G，按0．2%～0．25%控制。

级配：二级配（小石∶中石＝45∶55）；三级配（小石∶中石∶大石＝30∶40∶30）。密度：二级配2 600 kg／m3；三级配2 630 kg／m3。温度：气温25～27℃；混凝土温度25℃。

浆砂体积比值是碾压混凝土配合比设计的重点，提高人工砂石粉含量的技术措施在胶凝材料用量较少且一定范围的情况下，可以增大砂浆比值。其他相关参数见表1。

表1　碾压混凝土胶水比与抗压强度关系试验参数Table 1 Parameters of test on the relationship between RCC water⁃binder ratio and compressive strength

5 结果分析

5．1 碾压混凝土用水量与外加剂掺量关系

碾压混凝土单位用水量与胶材用量的关系见图1。试验编号①—③的参数：三级配，胶水比0．55，粉煤灰掺量65%，砂率35%，ZB－1G为0．25%，ZB－1RCC15依次为0%，0．5%，1．0%；试验编号④—⑥的参数：三级配，胶水比0．50，粉煤灰掺量60%，砂率34%，ZB－1G为0．30%，ZB－1RCC15依次为0%，0．5%，1．0%；试验编号⑦—⑨的参数：二级配，胶水比0．50，粉煤灰掺量55%，砂率38%，ZB－1G为0．30%，ZB－1RCC15依次为0%，0．5%，1．0%。

分析表明：碾压混凝土随外加剂掺量提高，单位用水量及胶凝材料用量显著降低。当ZB－1RCC15掺量从0．5%提高到1．0%时：胶凝材料用量相应降低20～22 kg／m3。由于碾压混凝土粉煤灰掺量较高，而粉煤灰具有极强炭吸附作用，对含气量影响极大，同时碾压混凝土引气也是比较困难的。所以，为了达到碾压混凝土需要的含气量，引气剂掺量很高。由于玄武岩骨料的特性，导致碾压混凝土的用水量急剧增加。从降低混凝土温度、提高抗裂性能和防止大坝裂缝考虑，提高外加剂掺量是降低胶材用量和温控最有效的技术措施。

图1　不同外加剂掺量下的碾压混凝土单位用水量与胶材用量关系Fig．1 Relationship between per unit amount of RCC wa⁃ter consumption and dosage of rubber material in the pres⁃ence of different amounts of admixture

5．2 碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系

碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系试验结果见表2。编号A系列采用红塔42．5中热水泥，宣威I级粉煤灰；编号B系列采用永保42．5中热水泥，宣威I级粉煤灰；编号C系列采用永保42．5中热水泥，攀枝花Ⅱ级粉煤灰。

分析表明采用宣威I级粉煤灰，同级配的碾压混凝土在水胶比相同时其单位用水量明显降低，充分说明不同等级的粉煤灰对混凝土用水量有很大的影响，但对碾压混凝土的品质影响不大。这是由于攀枝花Ⅱ级粉煤灰的吸附作用和玄武岩人工骨料特性的影响，致使混凝土单位用水量、减水剂和引气剂掺量都相应增加。特别是高掺量Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土，对引气剂的引气效果影响尤为明显。

表2　碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系试验Table 2 Result of test on the relationship between RCC water consumption and fly ash quality

5．3 碾压混凝土胶水比与抗压强度关系

试验水泥采用永保中热42．5，粉煤灰为攀枝花Ⅱ级，ZB－1RCC15掺量1．0%，ZB－1G掺量0．20%～0．25%（按含气量确定），用水量：二级配用水量（110±5）kg／m3、三级配用水量（100±5）kg／m3，试验龄期7，28，90，180 d。碾压混凝土试拌过程中发现采用外掺石粉含量7%～9%，人工砂石粉含量提高到18% ～20%，碾压混凝土的砂浆比提高到0．42时以上，其工作性能明显得到改善。此后对混凝土抗压强度进行测试，试验测得的碾压混凝土胶水比与抗压强度关系曲线见图2。

结果表明：对于不同胶水比和粉煤灰掺量的条件下，最小的决定系数为0．936，碾压混凝土胶水比与抗压强度有较好的相关性。

5．4 碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数

根据胶水比与抗压强度关系试验结果对碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数进行统计，见表3。分析表明：混凝土抗压强度以28 d龄期为基准，随粉煤灰掺量的不同，不同龄期混凝土抗压强度与28 d抗压强度百分比：7 d为37%～48%；56 d为120%～136%；90 d为128%～156%；180 d为161%～184%；粉煤灰掺量对不同龄期混凝土抗压强度的影响不大。

图2　碾压混凝土胶水比与抗压强度关系曲线Fig．2 Curves of RCC water⁃binder ratio vs．compressive strength

表3　碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数Table 3 Development coefficient of the compressive strength of RCC of different ages

6 结 论

（1）由于该大坝混凝土采用玄武岩人工骨料以及Ⅱ级粉煤灰，导致混凝土单位用水量高。为了有效降低单位用水量，掺入缓凝高效减水剂ZB－1RCC15和引气剂ZB－1G，通过试验可知，该方法是降低单位用水量有效的技术措施。

（2）针对碾压混凝土浆体明显不足，造成碾压混凝土液化泛浆差，层间结合不利的情况，采用外掺石粉7%～9%，将人工砂石粉含量提高到18%～20%时，碾压混凝土工作性能明显得到改善。

（3）对于不同胶水比和粉煤灰掺量的条件下，碾压混凝土胶水比与抗压强度有较好的相关性。

（4）根据气候特点，该设计经验可为类似碾压混凝土工程提供参考。但是对于全国涉及到昼夜温差大、冬季施工期短等问题的中小型工程来说，仍需进一步研究。

参考文献：

［1］ 蔡胜华，杨华全，王晓军，等．碾压混凝土施工工艺试验研究［J］．长江科学院院报，2010，27（2）：50－53，59．

［2］ 张建龙，田育功，马伶俐．金安桥大坝碾压混凝土快速施工关键技术［J］．水力发电，2011，37（1）：42－45．

［3］ 杨华全，陈如华，王仲华．三峡工程大坝混凝土的配合比设计［J］．长江科学院院报，2001，18（5）：41－45．

［4］ 石 妍，彭尚仕，董 芸，等．骨料品种对等强度水工混凝土的性能影响研究［J］．长江科学院院报，2013，30（13）：83－85，90．

［5］ 王述银，郭文康，覃理利．粉煤灰品质对碾压混凝土性能的影响［J］．长江科学院院报，2012，29（12）：88－93．

［6］ 刘洪超．金安桥水电站大坝碾压混凝土温度控制初步分析［J］．水力发电，2008，34（6）：45－47，58．

［7］ 孙根民，徐进忠．北疆某碾压混凝土坝施工配合比中掺合料的试验研究［J］．水利水电技术，2011，42（11）：79－81．

［8］ 李苓宏，田育功．金安桥水电站玄武岩骨料碾压混凝土特性研究［J］．水利水电技术，2009，40（5）：47－50．

［9］ 王立华，杨永民，刘 佳，等．人工砂碾压混凝土配合比设计研究［J］．混凝土，2010，（5）：124－127，132．

［10］危加阳．惠州抽水蓄能电站大坝碾压混凝土配合比设计［J］．人民长江，2013，44（1）：48－51．

［11］高 珍，曾 力，吐尔洪．旬阳水电站混凝土配合比及性能试验［J］．混凝土，2010，（5）：89－91．

（编辑：姜小兰）

Method of Optimization Design of Mix Ratio of RCC Dam in Cold Areas

LIU Dan1，SUN Xi⁃huan1，2，LI Yong⁃ye1，SHI Ji⁃zhong1
（1．School of Water Conservancy Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2．Shanxi Water Conservancy Technical College，Yuncheng 044004，China）

Abstract：Optimizing the mix ratio of RCC（rolled compacted concrete）is an important technical measure to protect dam safety．With RCC dam project in cold area as an example，we discuss the dosage of admixture and quality of fly ash affecting the mix proportion design，and obtain the fitted relationship curves between RCC binder⁃water ratio and compressive strength under different working conditions．Results show that increasing the dosage of admixture could effectively reduce the plastic material dosage without affecting the quality of roller compacted concrete；fly ash of different grades has great effect on the water use of concrete；the water⁃binder ratio has good linear correlation with compressive strength．The variation of compressive strength development coefficient leveled off after the first in⁃crease．

Key words：roller compacted concrete；mix ratio optimization；binder⁃water ratio；compressive strength；quality of fly ash；dosage of admixture

通讯作者：孙西欢（1960－），男，山西运城人，教授，博士生导师，研究方向为水力学及河流动力学，（电话）13513600012（电子信箱）sunxihuan ＠tyut．edu．cn。

作者简介：刘 丹（1989－），女，山西太原人，硕士研究生，研究方向为水利工程，（电话）15135155548（电子信箱）liudan0378＠link．tyut．edu．cn。

基金项目：国家自然科学基金项目（51109155，51179116）；太原理工大学研究生创新基金项目（S2014108）

收稿日期：2014－11－26；修回日期：2015－01－06

中图分类号：TV42

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0137－04