水工碾压混凝土配合比试验及工程应用

李方杰，温明益，冯 浩，唐显鹏

(四川国检检测有限责任公司，泸州 646000)

从20世纪60年代开始，国际上开始碾压混凝土的试验研究，20世纪70年代开始应用于临时工程和修复工程。我国于20世纪80年代初开始探索使用碾压混凝土修筑大坝的技术[1]。我国对碾压混凝土修筑大坝技术的研究和运用虽然起步较晚但发展速度比较快。我国在借鉴外国碾压混凝土筑坝技术的基础上根据实际情况加以突破。至今，我国采用碾压混凝土筑坝技术已建成或在建的大坝已达数十座。根据所掌握的资料和取得的研究成果，总结碾压混凝土配合比设计原则，并结合工程应用实例，进行碾压混凝土配合比设计及试验研究。

1 工程背景

江西洪屏抽水蓄能电站装机容量为1 200 MW(4×300 MW)，安装四台单机容量为300 MW的混流可逆式水泵水轮发电机组。此工程属大(1)型一等工程，主要永久性建筑物按1级建筑物设计，次要永久性建筑物按3级建筑物设计。枢纽主要包括上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等工程项目。下水库：下水库工程主要包括大坝、坝顶溢洪道及库区库岸处理等，大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程185.5 m，坝顶长度181.3 m，最大坝高77.5 m；坝顶设3孔溢洪道，每孔单宽13.0 m×12.5 m。

2 混凝土设计指标

江西洪屏抽水蓄能电站工程下水库土建工程大坝上游混凝土防渗透层采用二级配碾压混凝土；设计龄期为90 d，强度等级为C20，抗渗等级W8，抗冻等级F100，90 d极限拉伸值为不小于0.75×10-4，粉煤灰掺量为45%～55%，拌合物工作度VC值为1～3 s，容重不小于2 400 kg/m3。

3 混凝土配合比设计原则

与常态混凝土相比，碾压混凝土骨料单位用量较多，水泥单位用量较少，掺合料掺量较大[2]。拌合物不具有流动性，坍落度几乎为零，一般情况下无泌水，粘聚性较差。由于碾压混凝土拌合物稠度小，属于超干硬性混凝土，须采用振动碾压的方式进行施工，施工方式与常态混凝土有较大差别。通常碾压混凝土的配合比设计应遵循以下原则：1)选择优质的原材料，包括水泥品种、掺合料品种、外加剂品种、粗细骨料的品种及规格级配。2)根据设计提出的施工要求、混凝土强度及耐久性要求选择合理的水胶比、合理的掺合料掺量、最优骨料比例、最优砂率及适量的外加剂掺量。3)混凝土拌合物应具有良好的可碾性，满足施工振动碾压的要求。4)硬化后混凝土相关性能应满足设计要求。5)具有合理的经济性[3]。

4 原材料

4.1 水泥

水泥采用河南省同力水泥有限公司生产的强度等级为42.5的中热硅酸盐水泥(P·MH42.5)，水泥密度为3 210 kg/m3，3 d、7 d和28 d抗压强度分别为26.0 MPa、35.7 MPa、47.0 MPa，各项检测指标均符合《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》GB 200—2003标准要求。

4.2 掺合料

掺合料采用江西益材粉煤灰开发有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰密度为2 160 kg/m3，细度为6.6%，烧失量为2.22%，从检测成果看，粉煤灰各项检测指标均满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596—2005中F类Ⅰ级粉煤灰要求。

4.3 外加剂

外加剂采用江苏博特新材料有限公司生产的JM-II型缓凝高效减水剂和GYQⅠ型引气剂，减水剂和引气剂所检各项指标均符合《水工混凝土外加剂技术规程》DL/T5100—1999标准的要求。

4.4 骨料

细骨料采用洪屏电站C3标生产的人工砂，砂细度模数为2.9，表观密度为2 690 kg/m3，石粉含量为6.3%。粗骨料采用洪屏电站C3标生产的人工碎石。分5～20 mm和20～40 mm二级，原状骨料运到试验室，经筛分洗净后进行室内试验。砂石各项指标检测结果均满足相关标准要求。

5 混凝土配合比室内试验成果及分析

合适的砂率和粗骨料组合比例，是混凝土具有良好的和易性的前提，同时可提高混凝土的致密程度，降低单位用水量和胶材用量，提高施工质量。合理的外加剂掺量，不仅可以提高混凝土拌合物的和易性，同时也可改善混凝土力学性能和耐久性能。室内试验时，首先对粗骨料进行组合密度试验以确定粗骨料最佳组合比例，再进行最优砂率优选，同时根据拌合物状态确定混凝土单位用水量、合理的引气剂和减水剂掺量等基本参数。并根据基本参数在室内对混凝土进行拌合试验，以确定优选配合比，优选后的配合比及拌合物性能见表1，混凝土力学性能和耐久性能试验结果见表2。

表1 混凝土配合比和拌合物性能试验结果表

表2 混凝土力学性能和耐久性能试验结果表

5.1 拌合物性能

工作度VC值是表示碾压混凝土拌合物稠度大小的指标，是指碾压混凝土拌和物在规定振幅、振动频率和表面压强下，从振动开始至拌合物表面泛浆所需的时间，以秒(s)为单位计，是碾压混凝土可碾性的直观体现。为了满足现场施工碾压的要求，试验过程中碾压混凝土VC值均控制在1～3 s之间，混凝土拌合物含砂状态良好，拌合物具有良好的和易性。随着水胶比的降低，碾压混凝土的含气量逐渐降低，为了保证混凝土含气量在要求范围内，试验过程中，随着水胶比的降低，引气剂掺量逐渐提高，拌合物容重均满足设计容重的要求。

5.2 力学性能

从表2试验成果看，随着水胶比的降低，混凝土各个龄期抗压强度和极限拉伸值均有一定幅度的增长，且强度增长规律率基本一致，在相同水胶比的情况下，粉煤灰掺量增加5%，7 d强度约降低15%左右，28 d强度约降低10%左右，90 d强度约降低7%左右，随着龄期增加，抗压强度的降幅减小；试验编号N-1～N-3在粉煤灰掺量均为55%情况下，水胶比每减小0.05，90 d龄期抗压强度相应提高5 MPa左右。试验编号N-1在水胶比和粉煤灰掺量均最大的情况下，28 d和90 d龄期极限拉伸值已满足混凝土技术要求。试验编号N-2在水胶比为0.45，粉煤灰掺量为55%时，混凝土90 d龄期抗压强度达到设计配制强度。

5.3 抗冻性能和抗渗性能

从表2试验结果看，试验编号N-1在水胶比和粉煤灰掺量均最大的情况下，此时，混凝土抗冻性能和抗渗性能均符合设计的要求。

6 工程混凝土配合比及其应用

通过一系列的试验成果，综合考虑骨料、混凝土耐久性要求、混凝土的使用部位的最大水胶比限制、水泥强度等因素，推荐混凝土配合比时适当降低了水胶比。推荐江西洪屏抽水蓄能电站工程下水库土建工程大坝上游混凝土防渗透层碾压混凝土配合比见表3。

表3 推荐碾压混凝土配合比表

施工过程中，混凝土振动碾压易泛浆，振动碾压后混凝土表面光滑平整，可碾性良好，碾压后密实度符合设计要求[4]。达到设计龄期后对混凝土进行钻芯取样评定，从芯样外观形态看，抽取芯样外观质量良好，混凝土结构密实，粗细骨料分布均匀。经检测，混凝土力学性能和抗渗性能等指标均满足设计要求[5]。

7 结 语

通过对原材料的试验选择，采用符合标准要求的原材料进行碾压混凝土配合比设计，对混凝土进行施工性能、力学性能、耐久性能试验，最终推荐符合设计和施工要求的混凝土配合比，并具有合理的经济性。

实践证明，将碾压混凝土工作性、力学性能、耐久性能作为配合比设计的指标，经过室内试验推荐配合比符合设计及现场使用的要求。

[1] 秦明慧.碾压混凝土与普通混凝土异同探讨[J].红水河，2008，27(1)：54-57.

[2] 方坤河.中国碾压混凝土坝的混凝土配合比研究[J].水力发电，2003，11：51-53.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.水工混凝土配合比设计规：DL/T5330-2015[S].北京：中国电力出版社.2015：1-21.

[4] 康小春，张改香.金安桥水电站玄武岩骨料碾压混凝土应用研究[J].水力发电,2011，37(1):55-59.

[5] 中华人民共和国国家能源局.水工碾压混凝土施工规范：DL/T5112-2009[S].北京：中国电力出版社,2009:10-13.