劉 丹，孫西歡，2，李永業(yè)，石繼忠

（1．太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2．山西水利職業(yè)技術學院山西運城 044004）

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高寒地區(qū)筑壩碾壓混凝土配合比優(yōu)化設計方法研究

劉 丹1，孫西歡1，2，李永業(yè)1，石繼忠1

（1．太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2．山西水利職業(yè)技術學院山西運城 044004）

摘 要：碾壓混凝土配合比參數(shù)優(yōu)化是保障筑壩安全的重要技術措施。依托高原區(qū)碾壓混凝土筑壩工程，重點探討了外加劑摻量和粉煤灰品質在碾壓混凝土配合比設計中的控制機理，擬合了不同工況下碾壓混凝土膠水比與抗壓強度的關系曲線。結果表明：在不影響碾壓混凝土品質的情況下，提高外加劑摻量可以有效降低膠凝材料的用量；粉煤灰的等級對混凝土用水量有很大的影響；碾壓混凝土膠水比與抗壓強度有較好的線性相關性，其各齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)先增長較快，后增速放緩并趨于平穩(wěn)。該設計經(jīng)驗可為類似工程的碾壓混凝土配合比優(yōu)化設計提供參考。

關鍵詞：碾壓混凝土；配合比參數(shù)優(yōu)化；膠水比；抗壓強度；粉煤灰品質；外加劑摻量

1 研究背景

除造價較高的新能源外，水電站依舊是當今適應建筑工程快速發(fā)展、用電量需求劇增現(xiàn)狀的首選工程項目。特別是各種優(yōu)勢凸顯的碾壓混凝土快速筑壩技術將成為未來中、小型水電站的首選［1－2］。眾多學者對碾壓混凝土筑壩技術參數(shù)和施工工藝做了研究總結［3－5］，但是如何在高寒地區(qū)實現(xiàn)碾壓混凝土的設計施工依舊是困擾工程界的難題［6－11］。

本文結合實際工程，針對膠水比、抗壓強度、用水量、粉煤灰品質、外加劑摻量5個參數(shù)，從碾壓混凝土用水量與外加劑摻量關系、碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質關系、碾壓混凝土膠水比與抗壓強度關系、碾壓混凝土各齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)4個方面對配合比參數(shù)特性進行研究；重點總結了碾壓混凝土用水量調節(jié)中的控制機理，旨在為類似工程設計碾壓混凝土最優(yōu)配合比提供參考。

2 工程規(guī)模

該樞紐工程地處云貴高原，具有典型的高原氣候特點，晝夜溫差大、光照強烈、氣候干燥、蒸發(fā)量大，混凝土的溫控和抗裂要求是大壩混凝土配合比設計的主要指標。作為目前國內已建和在建RCC重力壩中規(guī)模較大工程之一，壩體混凝土工程量為：常態(tài)混凝土約201萬m3、碾壓混凝土約250萬m3。混凝土施工計劃工期為3 a。

3 技術難題

優(yōu)良的筑壩混凝土施工配合比是混凝土施工澆筑質量進度的基礎保證。混凝土施工材料中的成品玄武巖粗骨料粒形差且玄武巖人工砂的石粉含量偏低；攀枝花Ⅱ級粉煤灰需水量比也較高；碾壓混凝土單位用水量也較高。這些在以往的工程中十分少見。前期采用的玄武巖骨料人工砂石粉含量偏低，新拌碾壓混凝土拌和物工作性能差，經(jīng)計算漿砂體積比均在0．38以下，明顯小于一般碾壓混凝土漿砂比的理論值（約0．42）。由于石粉含量低，碾壓混凝土漿體明顯不足，造成碾壓混凝土液化泛漿差，對層間結合十分不利。

4 試驗方案

常態(tài)混凝土配合比設計已經(jīng)非常成熟，本文作者僅對碾壓混凝土配合比進行設計和試驗。針對碾壓混凝土用水量偏高，試驗采用相同的配合比試驗參數(shù)，調整外加劑摻量和選取不同的粉煤灰品種，進行對照，研究外加劑不同摻量及不同粉煤灰品種對混凝土單位用水量的影響。試驗選材條件如下。

原材料：永保42．5中熱水泥；攀枝花Ⅱ級粉煤灰；需水量比102%；前期加工的玄武巖人工骨料、砂細度模數(shù)FM＝2．56，石粉含量按20%控制；緩凝高效減水劑ZB－1RCC15按0%（不含減水劑的情況），0．5%，1．0%控制；引氣劑為ZB－1G，按0．2%～0．25%控制。

級配：二級配（小石∶中石＝45∶55）；三級配（小石∶中石∶大石＝30∶40∶30）。密度：二級配2 600 kg／m3；三級配2 630 kg／m3。溫度：氣溫25～27℃；混凝土溫度25℃。

漿砂體積比值是碾壓混凝土配合比設計的重點，提高人工砂石粉含量的技術措施在膠凝材料用量較少且一定范圍的情況下，可以增大砂漿比值。其他相關參數(shù)見表1。

表1　碾壓混凝土膠水比與抗壓強度關系試驗參數(shù)Table 1 Parameters of test on the relationship between RCC water?binder ratio and compressive strength

5 結果分析

5．1 碾壓混凝土用水量與外加劑摻量關系

碾壓混凝土單位用水量與膠材用量的關系見圖1。試驗編號①—③的參數(shù)：三級配，膠水比0．55，粉煤灰摻量65%，砂率35%，ZB－1G為0．25%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%；試驗編號④—⑥的參數(shù)：三級配，膠水比0．50，粉煤灰摻量60%，砂率34%，ZB－1G為0．30%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%；試驗編號⑦—⑨的參數(shù)：二級配，膠水比0．50，粉煤灰摻量55%，砂率38%，ZB－1G為0．30%，ZB－1RCC15依次為0%，0．5%，1．0%。

分析表明：碾壓混凝土隨外加劑摻量提高，單位用水量及膠凝材料用量顯著降低。當ZB－1RCC15摻量從0．5%提高到1．0%時：膠凝材料用量相應降低20～22 kg／m3。由于碾壓混凝土粉煤灰摻量較高，而粉煤灰具有極強炭吸附作用，對含氣量影響極大，同時碾壓混凝土引氣也是比較困難的。所以，為了達到碾壓混凝土需要的含氣量，引氣劑摻量很高。由于玄武巖骨料的特性，導致碾壓混凝土的用水量急劇增加。從降低混凝土溫度、提高抗裂性能和防止大壩裂縫考慮，提高外加劑摻量是降低膠材用量和溫控最有效的技術措施。

圖1　不同外加劑摻量下的碾壓混凝土單位用水量與膠材用量關系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 碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質關系

碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質關系試驗結果見表2。編號A系列采用紅塔42．5中熱水泥，宣威I級粉煤灰；編號B系列采用永保42．5中熱水泥，宣威I級粉煤灰；編號C系列采用永保42．5中熱水泥，攀枝花Ⅱ級粉煤灰。

分析表明采用宣威I級粉煤灰，同級配的碾壓混凝土在水膠比相同時其單位用水量明顯降低，充分說明不同等級的粉煤灰對混凝土用水量有很大的影響，但對碾壓混凝土的品質影響不大。這是由于攀枝花Ⅱ級粉煤灰的吸附作用和玄武巖人工骨料特性的影響，致使混凝土單位用水量、減水劑和引氣劑摻量都相應增加。特別是高摻量Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土，對引氣劑的引氣效果影響尤為明顯。

表2　碾壓混凝土用水量與粉煤灰品質關系試驗Table 2 Result of test on the relationship between RCC water consumption and fly ash quality

5．3 碾壓混凝土膠水比與抗壓強度關系

試驗水泥采用永保中熱42．5，粉煤灰為攀枝花Ⅱ級，ZB－1RCC15摻量1．0%，ZB－1G摻量0．20%～0．25%（按含氣量確定），用水量：二級配用水量（110±5）kg／m3、三級配用水量（100±5）kg／m3，試驗齡期7，28，90，180 d。碾壓混凝土試拌過程中發(fā)現(xiàn)采用外摻石粉含量7%～9%，人工砂石粉含量提高到18% ～20%，碾壓混凝土的砂漿比提高到0．42時以上，其工作性能明顯得到改善。此后對混凝土抗壓強度進行測試，試驗測得的碾壓混凝土膠水比與抗壓強度關系曲線見圖2。

結果表明：對于不同膠水比和粉煤灰摻量的條件下，最小的決定系數(shù)為0．936，碾壓混凝土膠水比與抗壓強度有較好的相關性。

5．4 碾壓混凝土各齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)

根據(jù)膠水比與抗壓強度關系試驗結果對碾壓混凝土各齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)進行統(tǒng)計，見表3。分析表明：混凝土抗壓強度以28 d齡期為基準，隨粉煤灰摻量的不同，不同齡期混凝土抗壓強度與28 d抗壓強度百分比：7 d為37%～48%；56 d為120%～136%；90 d為128%～156%；180 d為161%～184%；粉煤灰摻量對不同齡期混凝土抗壓強度的影響不大。

圖2　碾壓混凝土膠水比與抗壓強度關系曲線Fig．2 Curves of RCC water?binder ratio vs．compressive strength

表3　碾壓混凝土各齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)Table 3 Development coefficient of the compressive strength of RCC of different ages

6 結 論

（1）由于該大壩混凝土采用玄武巖人工骨料以及Ⅱ級粉煤灰，導致混凝土單位用水量高。為了有效降低單位用水量，摻入緩凝高效減水劑ZB－1RCC15和引氣劑ZB－1G，通過試驗可知，該方法是降低單位用水量有效的技術措施。

（2）針對碾壓混凝土漿體明顯不足，造成碾壓混凝土液化泛漿差，層間結合不利的情況，采用外摻石粉7%～9%，將人工砂石粉含量提高到18%～20%時，碾壓混凝土工作性能明顯得到改善。

（3）對于不同膠水比和粉煤灰摻量的條件下，碾壓混凝土膠水比與抗壓強度有較好的相關性。

（4）根據(jù)氣候特點，該設計經(jīng)驗可為類似碾壓混凝土工程提供參考。但是對于全國涉及到晝夜溫差大、冬季施工期短等問題的中小型工程來說，仍需進一步研究。

參考文獻：

［1］ 蔡勝華，楊華全，王曉軍，等．碾壓混凝土施工工藝試驗研究［J］．長江科學院院報，2010，27（2）：50－53，59．

［2］ 張建龍，田育功，馬伶俐．金安橋大壩碾壓混凝土快速施工關鍵技術［J］．水力發(fā)電，2011，37（1）：42－45．

［3］ 楊華全，陳如華，王仲華．三峽工程大壩混凝土的配合比設計［J］．長江科學院院報，2001，18（5）：41－45．

［4］ 石 妍，彭尚仕，董 蕓，等．骨料品種對等強度水工混凝土的性能影響研究［J］．長江科學院院報，2013，30（13）：83－85，90．

［5］ 王述銀，郭文康，覃理利．粉煤灰品質對碾壓混凝土性能的影響［J］．長江科學院院報，2012，29（12）：88－93．

［6］ 劉洪超．金安橋水電站大壩碾壓混凝土溫度控制初步分析［J］．水力發(fā)電，2008，34（6）：45－47，58．

［7］ 孫根民，徐進忠．北疆某碾壓混凝土壩施工配合比中摻合料的試驗研究［J］．水利水電技術，2011，42（11）：79－81．

［8］ 李苓宏，田育功．金安橋水電站玄武巖骨料碾壓混凝土特性研究［J］．水利水電技術，2009，40（5）：47－50．

［9］ 王立華，楊永民，劉 佳，等．人工砂碾壓混凝土配合比設計研究［J］．混凝土，2010，（5）：124－127，132．

［10］危加陽．惠州抽水蓄能電站大壩碾壓混凝土配合比設計［J］．人民長江，2013，44（1）：48－51．

［11］高 珍，曾 力，吐爾洪．旬陽水電站混凝土配合比及性能試驗［J］．混凝土，2010，（5）：89－91．

（編輯：姜小蘭）

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

通訊作者：孫西歡（1960－），男，山西運城人，教授，博士生導師，研究方向為水力學及河流動力學，（電話）13513600012（電子信箱）sunxihuan ＠tyut．edu．cn。

作者簡介：劉 丹（1989－），女，山西太原人，碩士研究生，研究方向為水利工程，（電話）15135155548（電子信箱）liudan0378＠link．tyut．edu．cn。

基金項目：國家自然科學基金項目（51109155，51179116）；太原理工大學研究生創(chuàng)新基金項目（S2014108）

收稿日期：2014－11－26；修回日期：2015－01－06

中圖分類號：TV42

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0137－04