基于北方地区的大坝碾压混凝土配合比试验研究

吕春雨

（兴城市水利事务服务中心，辽宁 兴城 125100）

碾压混凝土是一种大粉煤灰掺量、低水泥用量的快硬性混凝土，强度设计龄期一般为90d 或180d，其强度发展规律相比于普通混凝土存在一定差异。相关配合比设计多参考其它类似工程，经多次试配调整确定[1]。然而，这种设计方法存在过程繁琐、缺少理论支撑等缺陷，所获取的配合比对外界条件变化的适用性和技术经济性较差[2-4]。因此，通过原材料检测试验探讨不同龄期碾压混凝土强度发展规律，并结合该规律设计出优化配合比，对制定技术经济价值较高的配合比参数具有重要意义。目前，主要采用高石粉与掺合料掺量、低VC 值及中低胶凝用量等技术配制碾压混凝土，可以明显改善其层间结合力、密实性、液化泛浆、可碾性和抗渗性等性能，并且有利于降低节约材料用量、控制水化热、施工成本和水热温升等[5]。因此，文章通过优化组合水、水泥、外加剂、粉煤灰和骨料等原材料，在保证混凝土性能和质量要求的情况下，经多次试配调整提出优化的配合比，以期为设计出真正意义上的技术经济配合比提供一定数据支持。

1 试验材料

试验材料包括以下4 种：

1）水泥。试验渤海P·O42.5 级水泥，安定性合格，初、终凝时间180min 和235min，标稠用水量28.5%，其主要性能指标如表1 所示。

表1 水泥的主要性能指标

2）粉煤灰。试验采用绥中电厂生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，细度16.5%，需水量比98%，含水率0.4%，烧失量5.1%，密度2.33g/cm3。

3）骨料。试验选优由砂与原状砂石粉混合而成的人工砂，控制石粉≤14.0%～17.5%之间，粉煤灰替砂量4%。在实际生产过程中，人工砂石粉含量一般都＞18%，需要利用水洗工艺去除多余石粉使其处于规定范围。试验选用大连建材厂生产的花岗岩碎石，骨料筛分后按零考虑超逊径，经检测骨料各项性能均符合试验规程要求。

4）外加剂。水泥与外加剂品种的适应性及其质量在一定程度上决定着碾压混凝土强度、质量及耐久性能，故试验选用苏博特GYQ®-Ⅲ复合型高效引气剂和西卡540P 聚羧酸高效减水剂，拌和水及养护水均使用当地自来水。

2 试配试验分析

实践表明[6-7]，粉煤灰掺量、单位用水量、水胶比和砂率等参数直接影响着碾压混凝土性能。在符合现行规范与设计要求的情况下，初步确定二、三级配碾压混凝土粉煤灰掺量为50%与55%，单位用水量99kg/m3与88kg/m3，水胶比0.44，GYQ®-Ⅲ引气剂掺量0.15%与0.12%，西卡540P减水剂掺量1.0%，通过对以上参数的优化调整来降低材料成本。

2.1 骨料级配

根据碾压混凝土的均匀性、抗分散性等自身特性，试验设计三级配混凝土中小石∶中石∶大石= 30∶40∶30，二级配混凝土中小石∶大石=55∶45。

2.2 最优砂率

碾压混凝土的和易性、单位用水量及硬化后的力学特征与配合比中的砂率密切相关，为确定最小的单位用水量及获取较好的泛浆效果，必须通过试配确定最优砂率[8]。在不改变单位用水量、粉煤灰掺量和水胶比的情况下，试验设定30%、32%、34%、36%和38%多种砂率，根据试验规范以振动至拌合物泛浆的所用时间VC 值确定最优砂率，VC 值与砂率的关系测试结果如图1 所示。

图1 VC 值与砂率的关系

由图1 可知，固定水胶比0.44 不变时，二、三级配混凝土在砂率36%和32%时具有最小的出机VC 值。

2.3 VC 值和用水量变化

在不改变砂率、粉煤灰掺量和水胶比的情况下，可通过改变单位用水量观测VC 值变化特征确定最优用水量，根据测试结果，VC 值与砂率的关系测试结果，如图2 所示。

图2 VC 值与砂率的关系

由图2 可知，在不改变砂率、级配和水胶比的条件下，每增大1s 的VC 值就会减少1.5～2.0kg/m3用水量。

2.4 不同水胶比抗压强度

在不改变砂率与用水量的条件下，依据抗压强度与水胶比变化规律可以确定合适的粉煤灰掺量及水胶比，为优化设计配合比提供数据支持[9]，抗压强度与水胶比的关系图测试，如图3 所示。

图3 抗压强度与水胶比的关系图

试验表明，掺55%和50%粉煤灰时，试件的各龄期强度与水胶比之间存在明显的线性相关性。同龄期强度发展系数随粉煤灰的改变而变化，以28d 强度原则确定强度发展系数，抗压强度发展系数，如表2 所示。

表2 抗压强度发展系数

2.5 最优石粉含量

碾压混凝土的密实性、抗分散性和均匀性等特性直接取决于人工骨料中的石粉含量，在不改变粉煤灰掺量、砂率和水胶比的情况下，通过调整改变含量(以花岗岩石粉替代人工砂)测定混凝土VC 值和和易性，从而确定最优石粉含量[10-12]。试验表明，人工砂中的石粉含量为16%时混凝土骨料包裹和观感状态较好，拌合物表面光滑密实，浆体状态良好。随着石粉含量的增大，拌合物粘聚性逐渐增强，每增大1%的人工砂石粉含量就会增加1kg/m3的用水量。石粉含量为14%时拌合物和易性较差，但试件28d 强度最大；石粉含量为16%时拌合物性能较好，但试件28d 抗压强度有所下降。因此，结合试验数据可以确定最优石粉含量为14%～16%。

3 大坝碾压混凝土测试

3.1 优化后的配合比

根据以上试验数据，经多次试配调整提出优化后的配合比，优化后的配合比如表3 所示。优化后的碾压混凝土VC 值、含气量、凝结时间、抗冻性、抗渗性及抗压强度如表4 所示，碾压混凝土抗冻质量损失率参照《水工混凝土试验规程》应≤5%。试验表明，优化的配合比能够保证碾压混凝土强度、工作性及耐久性要求。

表3 优化后的配合比

表4 碾压混凝土主要性能指标

3.2 现场碾压效果

采用现场碾压试验模拟大坝施工，控制振动碾压速度为1.2km/h，每层压实厚度0.3m，按照先静碾2 遍、再振动碾压6 遍的方式压实仓面，现场测定压实密度如表5 所示。结果表明，采用优化后的配合比配制的碾压混凝土具有较好性能，各点位的碾压密实度、泛浆效果和质量均匀且符合设计要求。

表5 现场碾压密实度

4 结 论

1）根据试验设计的骨料配比，二、三级配混凝土在砂率36%和32%时具有最小的VC 值，每增大1sVC 值就会减少1.5～2.0kg/m3的用水量。另外；碾压混凝土抗压强度与水胶比之间存在明显的线性相关性，结合试验数据可以确定最优石粉含量为14%～16%。

2）水胶比、用水量、粉煤灰用量和砂率等直接决定着拌合物工作性、可碾性、硬化强度及耐久性等。文章通过优化组合单位用水量、外加剂、粉煤灰、骨料和水泥层参数，在保证碾压混凝土强度和质量的情况下节约了水泥用量，具有一定的经济技术可行性。