碾压混凝土技术与性能研究

刘雨冰，谭建军，李倩

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳550081）

1 碾压混凝土坝发展概述

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，是由胶凝材料、砂、分级控制的粗骨料、水及外加剂拌制成无坍落度的干硬性混凝土，主要应用在水库大坝的工程建设中，通常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。

在1972年召开的“混凝土坝经济施工”会议上，坎农提出“用土料压实的方法修建混凝土坝”，同年，他又发表了“用振动碾压实大体积混凝土”的论文，并公布了用卡车运输、前卸式装载机平仓、振动碾碾压的混凝土试验结果，形成了最初的碾压混凝土概念。世界上第一个大量使用碾压混凝土的工程是1975年美国陆军工程师团承包巴基斯坦的塔伯拉坝泄洪隧洞修复工程。该工程用未经筛洗的砂石料加少量水泥拌和的混凝土，经振动碾碾压，修复被冲毁的部位。42d内浇筑了35×104m3混凝土，平均日浇筑8 333m3，最大日浇筑达18 438m3，显示了碾压混凝土快速施工的巨大潜力。

碾压混凝土坝既具有混凝土体积小、强度高、防渗性能好、坝身可溢流等特点，又具有土石坝施工程序简单、快速、经济、可使用大型通用机械的优点。由于碾压混凝土坝融合了常态混凝土坝结构和碾压土石坝施工的长处，因此，碾压混凝土坝作为近年来广泛应用的筑坝技术受到了越来越多的关注。

2019年，李克强总理在政府工作报告中明确指出，紧扣国家发展战略，合理扩大有效投资，再开工一批重大水利工程，同时要抓好农业发展及粮食生产，加强农田水利的建设，均标志着水利建设在我国战略发展上的重要性，也体现了其对于惠及民生、造福人民的必要性。目前，中国碾压混凝土坝总量居世界首位，大坝规模普遍高大，为顺应我国战略发展的需要，在未来水利工程的建设发展中，对碾压混凝土坝进一步的深入认识与分析研究显得尤为必要。

2 碾压混凝土筑坝技术研究

早期的碾压混凝土坝多采用低胶凝材料用量的贫浆碾压混凝土，从当前碾压混凝土坝的应用现状及发展趋势来看，高胶凝材料用量的富浆碾压混凝土是现在工程实践中最为流行的型式。富浆碾压混凝土的骨料能够被胶凝材料更好地包裹，使得碾压混凝土经平仓、摊铺及碾压之后，能够产生较好的泛浆效果，有利于上下层碾压混凝土的结合，提高整体稳定性。

在工程实践中，富浆碾压混凝土的胶凝材料用量普遍处于150～250kg/m3的范围内，而活性掺和料的用量通常大于50%，大掺量活性掺合料的使用是碾压混凝土的第一大特点。在碾压混凝土配合比设计的试验规程中，规定了应优先选择优质粉煤灰作为活性掺合料，粉煤灰来源广泛，一般以电厂生产为主，是当前用量最大、使用范围最广的矿物掺合料。因粉煤灰的成本相对于水泥而言便宜很多，使得工程造价得到优化，而掺入大掺量的粉煤灰后，胶凝材料中的水泥熟料含量相对减少，早期水化产物的减少有利于降低水化热，避免混凝土产生温度裂缝。近年来，原材料运输，尤其是长距离运输导致工程成本的增加是困扰工程人士的一大问题，因而当建设工程周边的粉煤灰资源匮乏时，可能会导致粉煤灰经运输后，其成本反而高于水泥，从工程造价的角度考虑，粉煤灰成本较高时，不利于采用碾压混凝土坝的设计施工方案。

碾压混凝土坝的第二大特点在于其施工工艺通仓薄层浇筑、依靠振动碾碾压使得混凝土密实。通仓浇筑的坝体整体性

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好，有利于改善坝 应力状态，免除了接缝灌浆，减少了模板工程量，简化仓面作业，仓面面积的增大有利于提高机械化水平，充分发挥机械设备的效率。同时，薄层浇筑可增加散热效果，取消冷却水管，使得整体造价进一步得到优化。与常态混凝土依靠振捣器达到混凝土密实相比，碾压混凝土利用了土石坝的施工机械和方法来压实混凝土，依靠振动碾碾压达到混凝土密实，施工程序简单。由于碾压混凝土坝的施工工艺特点，使得碾压混凝土坝的施工速度非常快，可实现1a连续浇筑成型坝高100m的大坝，大量节约了工期、节省了成本，这是常态混凝土坝无法实现的。

碾压混凝土坝在原材料使用中节省了成本，由于施工工艺特点也节约了工期，因而碾压混凝土坝的第三大特点即为工程造价低。相对而言，碾压混凝土的单价是常规混凝土单价的三分之一到二分之一。碾压混凝土坝的建设方案是一项高质而低廉的选择，方案的优选对于水利工程的建设有良好的推动效益和现实意义。

3 碾压混凝土主要性能参数分析

影响碾压混凝土性能的参数主要有4个：（1）砂的细度模数；（2）石粉含量；（3）Vc值（工作度）；（4）含气量。下面将分别叙述各参数对碾压混凝土性能影响的分析与研究。

3.1 砂细度模数对碾压混凝土性能影响的研究

级配良好的砂具有较小的孔隙率，用来配置的混凝土，不仅所需水泥浆较少，而且还可以提高混凝土的流动性、密实度和强度，因而在实践中，水工混凝土用砂优先选用级配良好的中砂，细度模数为2.4～2.8。

碾压混凝土设计的根本出发点是胶凝材料浆体最大限度地填充细骨料之间的空隙并包裹细骨料颗粒，形成密实的砂浆；砂浆最大限度地填满混凝土拌和物中粗骨料间的空隙并包裹粗骨料颗粒，形成均匀密实的混凝土。碾压混凝土对砂细度模数的优选要求为2.6～2.8，有利于使碾压混凝土有更明显的富浆特性，能够避免碾压混凝土运输与摊铺过程中产生骨料分离，也能使得经振动碾碾压后的混凝土有良好的泛浆效果，有利于上下层混凝土之间的层面结合，提高整体性及稳定性。

3.2 石粉含量对碾压混凝土性能影响的研究

石粉是指骨料生产过程中产生的小于0.016mm的微小颗粒，将混凝土骨料中的石粉冲洗掉，既浪费力气，也不符合工程实际。试验研究发现，石粉不完全是一种惰性材料，一定的石粉含量，对于碾压混凝土的性能具有一定的改善作用，因而在规范SL 352—2006《水工混凝土试验规程》及SL 677—2014《水工混凝土施工规范》中可以对比发现，相较于常态混凝土中石粉含量指标要求为6%～18%，碾压混凝土中石粉含量的指标可放宽至10%～22%。

适量石粉对混凝土的有利影响主要体现在4点：（1）改善碾压混凝土的拌和性能。石粉有较好的颗粒形态及颗粒效应，可改善骨料的颗粒级配，提高拌和物的黏聚性。（2）提高碾压混凝土的密实性。石粉有填充效应，能填充骨料间的空隙并包裹骨料表面，增强碾压混凝土的抗渗性。（3）改善碾压混凝土的抗压强度。有研究表明，当石粉掺量在10%～16%时，随着石粉含量的增加，碾压混凝土抗压强度会得到些许提高，但变化幅度不大，继续增大石粉掺量后，碾压混凝土抗压强度将会下降，且呈下降越来越快的趋势。（4）提高碾压混凝土富浆程度。现有研究表明，当石粉掺量在10%～16%时，随着石粉含量的增加，富浆程度提高，再继续增大石粉掺量后，富浆程度将下降。

在碾压混凝土中掺入过多的石粉将不利于碾压混凝土的工作性能，主要体现有2点：（1）由于碾压混凝土配合比用水量较少，拌和时间也有限，包裹的石粉在拌和时无法充分脱离粗骨料表面，从而减弱了骨料与砂浆的握裹，对混凝土的一些性能会产生一定的影响，包裹在骨料表面的石粉会造成砂浆与粗骨料表面之间黏结力下降，从而导致碾压混凝土的抗压强度有所降低；（2）使用过量的石粉将会增加碾压混凝土的干缩值和自生体积变形收缩值，且随着石粉含量的不断增大，干缩性增长率也越来越大，极大地降低了碾压混凝土的抗裂性及耐久性【1～4】。

综上所述，碾压混凝土中石粉含量的较佳范围宜为16%左右。

3.3 Vc值对碾压混凝土性能影响的研究

碾压混凝土拌和物应具有适当的Vc值，不仅能够承受振动碾碾压不陷落，也不会因拌和物过于干硬使得难以被碾压密实。规范规定碾压混凝土的Vc值范围应介于5～15s，但由于碾压混凝土在运输、出机过程伴随着振动，且为了解决施工过程中层面结合问题，在工程实际中倾向于选择较低的介于3～5s的Vc值。试验研究中，采用肉眼观察并判断Vc值的大小，在振动碾压过程中，混凝土稍有塑性回弹，并呈轻微波浪起伏，混凝土表面湿润光滑，有少许泛浆，呈光亮感，则认为此时Vc值满足要求。

影响Vc值的因素主要有3个【5】：（1）用水量。用水量对Vc值有很大的影响，Vc每增减1s，用水量相应减增1.5～2kg/m3，但如果仅从增加用水量角度来降低Vc值，会对碾压混凝土强度及防渗产生影响，若配合比设计不合理，还可能会造成仓面泌水。（2）浆砂比。浆砂比对碾压混凝土的碾压质量影响很大，碾压混凝土的浆砂比一般应大于0.4，浆砂比越大，Vc值越小，黏聚性好，骨料分布均匀，泛浆效果好，可碾性好。（3）外加剂。影响碾压混凝土Vc值的外加剂主要是缓凝高效减水剂，可通过调整外加剂的掺量达到改变Vc值的目的。

在施工现场碾压混凝土Vc值的动态控制中，主要通过拌和楼加水、仓面洒水喷雾、保持碾压混凝土配合比参数不变、适当调整减水剂的掺量等方法来调整碾压混凝土的Vc值，以确保施工过程中的工程质量。

3.4 含气量对碾压混凝土性能影响的研究

水库大坝长期承受水压力、渗压力等荷载，并不断遭受渗流、冻融等损害，因此，抗冻及抗渗是碾压混凝土耐久性的重要评价指标。通过向碾压混凝土中掺入引气剂，使得在碾压混凝土中形成均匀、稳定、封闭、互不连通的微小气泡，避免了毛细孔道的形成，改变碾压混凝土内部结构，从而改善碾压混凝土的耐久性能【6，7】。我国施工控制的含气量为3.5%～4.5%，由于碾压混凝土拌和物干硬，引气较为困难，因此，要使得碾压混凝土达到一定的含气量，引气剂的掺量比常态混凝土要高许多。

影响含气量的因素主要为引气剂的掺量，一般而言，可认为含气量随着引气剂掺量的增减而增减。此外，有研究表明，石粉掺量在10%～12%时，碾压混凝土的含气量不断下降，石粉掺量在12%～16%时，碾压混凝土的含气量不断上升，在上述区间内，约每1%石粉含量能够使碾压混凝土含气量变化0.1%。

4 结语

1）碾压混凝土坝具有使用大掺量活性掺合料、通仓薄层浇筑、依靠振动碾碾压使得混凝土密实、施工程序简单、节约时间、减少成本等特点，有望成为未来筑坝工程的主流。

2）碾压混凝土砂细度模数宜为2.6～2.8；碾压混凝土的石粉含量宜为16%左右；碾压混凝土的Vc值宜为3～5s，在施工现场碾压混凝土Vc值的动态控制中，一方面应控制用水量，另一方面应避免对碾压混凝土造成过度扰动；碾压混凝土的含气量宜为3.5%～4.5%，一般以外掺引气剂控制含气量的大小。

本文通过对碾压混凝土筑坝技术进行了较为全面的总结，研究了碾压混凝土的技术特点，并对碾压混凝土有主要影响的4个主要参数进行分析与研究，为解决碾压混凝土配合比设计、现场施工质量管理提供了思路与参考。