（水利水电工程专业论文）碾压混凝土的配合比设计及其室内工艺性能试验研究.pdf

碾压混凝土的配合比设计 及其室内工艺性能试验研究 学科：水利工程 导师姓名：孑为聿； 作者姓名：质b 畎 职称：要塑。答辩日期：。) 、占 匍缀磁 摘要 碾压混凝土是采用薄层摊铺，振动碾压实的超干硬性混凝土。采用碾压混凝土 魂坝，不但可以节省水泥，简化温控，缩短工期，而且施工方便，造价低。经过二 十余年的深入研究和工程实践，我国碾压混凝土筑坝技术得到了突 s 猛进的发展， 乓坝型、坝高、坝体体积和工程数量都达到或超过世界先进水平。 碾压混凝土采用的材料与常态混凝土基本相同，但混凝土配合比相差较大，混 疑土性能有一定差异。碾压混凝土的应用，首先要解决的问题是选择既适合碾压施 【，又能满足设计技术要求的配合比，同时对所选混凝土的物理力学性能、耐久性 散热学性能进行充分的室内试验。 为了使碾压混凝土较好的达到设计要求的v c 值，密实度等各项碾压参数，工 鼙中除优选混凝土配合比外，施工前还必须进行施工工艺试验以研究影响碾压混凝 t 压实质量的各种因素。如震动碾的机械性能参数、压实质量控制，层面允许暴露 时间控制、层砥抗剪参数等。 本论文根据宝珠寺水电站碾压混凝土设计技术要求，通过大量试验研究工作， 言先研究了适合该工程设计及施工要求的碾压混凝土最优配合比及其性能，其次针 时现场工艺试验受很多条件限制：既费时、费力，经费又高，往往不能满足设计进 蔓要求的实际，按选定配合比，国内第一次利用室内模拟f 艺试验来确定现场碾压 砸工的有关参数。 通过模拟工艺试验所建立的数学模型，参照国内外类似工程的经验，提出了满 足该工程设计和施工要求的碾压混凝土配合比及其工艺性能参数，缩短了试验周 期，节省了研究经费，对目前指导蔺河口电站碾压混凝土施工等类似工程具有重大 现实意义。 关键词：碾压混凝土配合比v c 值层间结合压实层厚抗剪参数 m i xp r o p o r t i o na n dc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u eb e h a v i o r so fr c ci nl a b o r a t o r y a u t h o r ：j i az h a o w ut e a c h e r ：l i uf a q u a nw a n gw e i b i a o a b s t r a c t ：r 0 1 l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ( r c c ) is ak i n do fs u p e r d r y c o n c r e t ew h ic hi sp l a c e di nt h i n1 i f ta n dc o m p e t e db yv i b r a t i n gr 0 1 1 e r d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o nt h ist e c h n i q u en o to n l yr e s u l t si ns i m p l i f y i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e sa n ds h o r t i n gc o n s t r u c t i o np e r i o d b u tb e i n g c o n v e n ie n tl oc o n s t r u c t io na n das a y i n go nc o s t w l t ht h ed e e pr e s e a r c h e s a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si nt w e n t yy e a r s ，r c cd a mt e c h n i q u eh a sg o n e a h e a db y1 e a p sa n db o u n d si nc h i n aa n dc o m eu pt oo rs u r p a s s e da d v a n c e dw o r l d 1e v e lsi nd a mt y p e ，d a mh e i g h t ，v o l u m eo fr c ca n dn u m b e ro fo rr c cd a m s t h em a t e r i a lc o m p o s i t i o n sf o r r c ca r es u b s r a n t i a l l yt h es a m ef o r t h e t r a d i t i o n a lc o n c r e t e b u tt h em i xp r o p o r t i o n sa r eq u i t ed i f f e r e n ta n di n t u r nt h e i rh e h a v io r s ，t h ef i r s tc r i t i c a lt a s ki st os e i e c tam i xp r o p o r t i o n f o rr c c ，w h ic hi sp o ss e s s e do fw o r k a b i l i t yf o rc o m p a c t i o na n dm e e tst h e r e q u i r e m e n t so fd e s ig ni n d e x a n dt h es e c o n dist ol e s tt h ep r o p e r z i eso f s e l e c t e dm i xp r o p o r t i o ns u c ha sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a ，d u r a b l ea n d t h e r m a l t oh a v er c cm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n e dc o m p a c t i o np a r a m e t e r ss u c h a sv cv a l u ea n dd e n s i t y ，b e s l d e sm i xp r o p o r t i o no p t i m iz a t i o n ，aj o ht r i a l m u s tb ed o n et od e t e r m i n et h ed e g r e e so fi n f h e n c e so fv a r i o u si t e m so nr c c c o m p a c t i o nq u a i t ys u c ha st h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fv i b r a t i n gr 0 1 l e r ， q u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e s ，t h ea l l o w a b l ep e r i o do ft i m ea n ds h e a rs t r e n g t h b e t w e e n1 a y e r s i nt h isp a p e r ，b a s e do nt h ed e s l g no fr c ci nb a oz h u s ih y d r o p o w e rp r o j e c t a1 0 to ft e s tsw e r ec a r t i e do u ti no r d e rt od e f e r m i n ea na p p l i c a b l em i x p r o p o r t i o nw h i c hw a sm e tt ot h er e q u i r e m e n t so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nf o r t h ep r o j e c tt ot h e1 i m i t e dc o n d l t i o n sa td a ms i t e ，n o r m a l l ym u c ht i m e ，m o r e 1 a b o r sa n dc o s tw o u l db en e e d e df o rc a r r y i n gt h en e c e s s a r yt e s t sa n deven s ot e s tp r o g r e s s e su s u a l l yc o u l dn o tc a t c ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，1 a b o r a t o r yt e s lsw e r et l s e dt or e p l a c es i t et e s t sf o rd e t e r m i n i n g s i t ec o m p a c t i o np a r a m e t e r so fr c cb a s e dons e l e c t e dm i xp r o p o r t i o n sh e r e i n w h i c hw a st h ef i r s tt i m et o r yi nc h l n a t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lm o d eb u i l ta c c o r d i n g t ot h ec o n s t r u e t i o n t e c h n i q u em o d e l i n gt e s tsa n dr e f e rt oe n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e sa th o m ea n d a b r o a d ，am i xp r o p o r t i o no fr c c a n dc o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e p a r a m e t e r st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g na n dc o n s t r u e t i o nw e r ep r o p o s e d i nt h i sw a y t e s tp e r i o do f t i m ew a ss h o r t e n e da n dt e a tc o s ts a v e dt h i s m e t h o diso fp r a c t i c a la n dm e a n i n g f u lf o rl i nh e k o ur c cd a mc o n s t r u c t i o n a n do t h e rs i m i l a rp r o j e c ts k e yw o r d s ：r o i l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ( r c c ) ，m i xp r o p o r t i o n ，v cv a l u e ， b a n d i n gb e t w e e nl a y e r s ，c o m p a c t e d f t ，s h e a rs t r e n g t h 第1 章国内外碾压混凝土筑坝技术发展概况 碾压混凝土的配合比设计 及其室内工艺性能试验研究 l 国内外碾压混凝土筑坝技术发展概况 碾压混凝土起源于2 0 世纪3 0 年代的干贫混凝土，1 9 7 0 年后进入了 世界性的科研试验阶段。3 0 年来，这项技术经过美国、日本、中国等十 多个国家坝工界和混凝土界广大技术人员的试验研究，碾压混凝土筑坝 技术不但发展速度很快，而且不断有新的创造。 1 9 7 0 年和1 9 7 2 年美国工程师学会、美国土木工程师学会先后召开了 “混凝土快速施工”和“混凝土经济施工”两次会议，1 9 7 1 年在福特( t i m s f o r d ) 坝进行了几次碾压混凝土原型试验，浇筑两层0 6 m 厚贫混凝土， 并提出试验结果。同年美国工程师兵团在维克斯帕( v i c k s b u r g ) 工程， 次年在略斯特溪( l o s tc r e e k ) 坝进行了现场试验，质量正常，成果很 好。1 9 7 8 年在邦纳维尔( b o n n e rv i l l e ) 坝浇筑了1 3 0 0 0 m 3 碾压混凝土， 保护开挖出的基岩，并在略斯特溪坝溢洪道消力池浇筑1 4 5 0 0 m 3 碾压混凝 土。1 9 8 0 年柳溪( w i l l o wc r e e k ) 坝作现场浇筑试验，为筑坝的建筑材 料、施工程序和工艺进行工业性试验。 柳溪坝坝高5 8 m ，坝顶长5 2 l m ，混凝土3 07 万m 1 。主要用于防洪、 灌溉等，大坝于1 9 8 2 年5 月开始浇筑，仅用1 7 个星期基本完成大体积 碾压混凝土坝体的浇筑。到1 9 8 2 年秋末，用常态混凝土浇筑抹光溢流面， 并继续完成坝体碾压混凝土。主要施工工艺为：碾压混凝土由拌合机拌 好后，用皮带送进装料漏斗，卸在自卸卡车上运往浇筑地点，摊铺在浇 筑场地，用推土机将混凝土摊成规定的层厚，用9 5 吨震动碾碾压4 遍。 铺料层厚0 3 m ，采取连续全断面碾压方法，每层表面暴露的时间不少于 6 h ，不长于3 8 h ，大多数浇筑层在2 4 h 内开始铺筑第二层。规定当混凝土 表面温度( ) 和历时( h ) 之乘积超过8 9 0 ( h ) 时，预铺砂浆平均 厚2 5 c m ，铺设后1 5 m i n 内浇筑新混凝土。 西安理工大学工程硕士学位论文 美国已建碾压混凝土坝1 0 余座( 见表卜1 ) ，其碾压混凝土筑坝模式 有以下特点： 表1 - 1美国已建的碾压混凝土坝 坝高坝长碾压混凝下游建设 坝名建设单位上游坝坡 mm土量万m 3 坝坡 情况 w i l l o w c r e e k 柳 工程师兵团5 85 2 l3 0 7垂直l ：0 8 5 已建 溪 m i d d l ef 0 r k 中 e x x o n 公司3 81 2 54 2 l垂直1 ：0 8 己建 叉 w i n c h e s t e r 温彻 2 l2 45 己建 斯特 g a i s sv i l l e 盖尔 斯维尔 d o l l g l a s 县 5 12 9 l 1 6 2 8垂直l ：o8 己建 e n g i n r r e p a m o 帕摩8 03 7 1 已建 d l t t l r e g 打n ds t o r e c a n y o n 4 28 7 5 己建 磨石峡 m o n ks v i l l e 蒙 4 6 6 7 02 2l已建 克斯维尔 e l k c r e e k 糜鹿 工程师兵团 7 67 8 67 9 5 己建 溪 u p p e r l ：o 3 s t i l l w a t e r 上静恳务局 8 8 3 98 1 41 0 7 垂直已建 1 ：0 6 才 ( 1 ) 采用全碾压簿层铺筑连续上升的方式，迎水面设有专设的防渗结 构，有的作常态混凝土的保护面层，有的采用水泥用量略多的碾压混凝 土和在层间铺筑一定范围的细骨料混凝土作保护面层。背水面也作类似 的保护面层，标准略低于迎水面，不填细骨料垫层，防渗靠坝体本身。 ( 2 ) 结构简单、机械化程度高，施工连续、进度快、用人少。 ( 3 ) 胶凝材料用量有增多的趋势，柳溪坝坝内少灰混合料只用到 6 6 k g m 3 ，面层混凝土用到1 5 l k g m 3 。上静水坝，内部碾压混凝土胶凝材 料用量设计为1 8 9 k g m 3 ，实际用到2 5 2 k g m 。，滑模浇筑的道牙边块混凝 2 第l 章国内外碾压混凝土筑埂技术发展概况 土用到3 7 4 k g m 3 。除粗骨料最大粒径改为3 8 m m 会使胶凝材料量增多外， 为改善薄层的层间结合，并解决抗冻抗渗的要求，也加大了水泥用量。 ( 4 ) 碾压混凝土铺筑层厚普遍采用3 0 c m ，是与全碾压簿层铺筑连续上 升的要求相适应的。 ( 5 ) 每层表面暴露时间一般不少于6 h ，不大于3 8 h 。大多数浇筑层在 2 4 h 内开始铺筑第二层，并以8 9 0 ( 柚) 控制。这些经验，是在该工程 具体条件下取得的，可供参考，不具有普遍性。 ( 6 ) 碾压混凝土的v c 值控制以偏低些为宜，最好使混凝土处在干硬 性的边界状态，以能承载施工机械为度，对层面结合的强度和抗渗都有 好处。 ( 7 ) 坝身断面有逐渐缩小的趋势。上游坝坡采用垂直，下游坝坡一般 碾压混凝土坝为1 ：0 。8 。 日本的碾压混凝土是在英国的设计理论、美国的筑坝技术和试验研 究的基础上发展起来的。1 9 7 4 年以来，以日本建设省为中心进行试验研 究，进展很快。1 9 7 6 年在大川坝工程上游围堰进行原型试验，并着手浇 筑主坝底部。1 9 7 8 年至1 9 8 0 年在岛地川i 坝浇筑了国际上第一座碾压混凝 土坝，坝高8 9 m ，混凝土总量为1 6 5 万m 3 。日本已建的碾压混凝土坝见 表卜2 ，其碾压混凝土筑坝模式有以下特点： t i ，日本的典型模式是“金包银”的型式，即采用迎水面、基础部位及 背水面均用常态混凝土防渗与保护，中心部位用碾压混凝土填筑。这与 常规的混凝土重力坝在结构上无明显差别，因此施工措砸很大程度依照 常态混凝土筑坝方法。 ( 2 ) 迎水面用常态混凝土防渗是需要进一步研讨的问题。一是结构复 杂，需设置常规的结构缝，并埋设止水系统；二是结构缝处与碾压混凝 土衔接，结构缝的张开必导致碾压混凝土也产生裂缝，并逐渐向深部延 伸。由于上述原因，使施工复杂化，进度受到很大限制，大大消减了碾 压混凝土工序简单快速施工的优越性。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 表1 - 2日本已建、在建的碾压混凝土坝 建设坝高坝顶长坝体混凝碾压混凝坝坡坝坡建设情 坝名 单位 ( m )( m )土( i n 3 )土( 万m 3 )上游下游况 大川北陆地建 7 8 04 0 6 51 0 0 03 0 o1 ：0 0 6 l ：0 9己建 岛地川中国地建 8 9 02 4 0 03 1 71 6 5 垂直 l ：08 己建 玉川 东北地建 1 0 0 04 4 1 51 1 4 07 8 0 垂直l ：o 8 l已建 新中野北海道建 7 492 4 8 02 0 ol _ l1 ：00 8 1 ：07 8已建 北海道开发 夫舳刑 4 005 7 0 03 6 01 2 0 垂直 l ：o 8 已建 周 真野福岛县6 9 02 3 9 02 l21 3 2垂直1 ：o8在建 朝日小 垂直 富山县 8 4 02 6 0 0 3 5 o 1 7 4 l ：o8已建 川l ：o8 垂直 境川富山县1 1 5 o2 9 756 263 92l ：0 7 8 已建 l ：o8 白水川山形县5 4 53 6 7 03 1 _ 5垂直l ：0 8 已建 ( 3 ) 日本模式在碾压混凝土铺筑层厚上逐渐向厚层发展，大川坝使用 层厚5 0 c m 及7 0 c m 两种，岛地川坝使用层厚7 0 c m 。层厚的选择取决于施 工工艺设计，混凝土配合比和碾压机械的选择。 ( 4 ) 在碾压混凝土骨料最大粒径的选择上，一般选用8 0 c m ，主要与 铺料层厚有关。 ( 5 ) 每方混凝土掺用粉煤狄数量，规定不大于胶村总量3 0 ，这对改 善碾压混凝土的可碾性与简化温度控制措施，未能起到应有的作用。 在我国，碾压混凝土筑坝新技术很快引起了坝工界的重视。1 9 7 9 年 初，水电部科技司邀请部分设计、科研、施工单位和高校的专家就引进 和发展我国碾压混凝土筑坝技术问题进行了专题座谈。一致认为这项筑 坝新技术适合我国实际需要，对加快水利水电工程建设速度、降低工程 造价有重要意义。同年十一月水电部组织考察小组赴日本对碾压混凝 土坝的设计、施工和试验研究工作进行专题技术考察，得到了较大启发 4 第1 章国内外碾压混凝土筑坝技术发展概况 和收获，我国碾压混凝土筑坝技术经过2 0 年的发展，大体经历了探索认 识、筑坝试验和推广提高三个主要阶段。 探索认识阶段：开展了室内试验研究，对超干硬性混凝土物理、 力学特性，配合比设计，试验方法及坝体应力和温度控制的分析计算等 进行了一系列探索试验和研究。在不到两年时间内初步掌握了碾压混凝 土材料方面的主要规律和特性，并结合实际使用情况有所改进。同时从 1 9 8 1 年9 月1 9 8 5 年3 月，在龚嘴混凝士路面工程、厦门机场道面工程、 沙溪口纵向围堰和开关站挡墙施工中，先后进行了几次碾压块现场试验 和半生产性试验，加深了解和掌握碾压混凝土施工全过程的各项技术及 施工组织管理特点。 筑坝试验阶段：为了将已经取得的技术成果和经验在混凝土 坝工程中进行全面试验应用，并通过工程实践对大坝设计、旌工及混凝 土材料、温度控制等方面的技术方案加以检验。当时的水电部经过调查 研究，成果分析及技术经济论证，选定了福建省大田县坑口水电站作为 碾压混凝土筑坝技术工业性试验工程。1 9 8 5 年1 1 月1 9 目，大坝正式开 始碾压，经过六个多月的努力奋斗，以高速度顺利建成了我国第一座碾 压混凝土坝，其碾压混凝土坝结构形式在世界上属首创。1 9 8 6 年1 1 月， 国家计委组织有关专家在现场对坑口坝工程和碾压混凝土筑坝技术工业 性试验的全部成果进行了国家鉴定，认为该项筑坝试验是成功的，筑坝 方法有很大优越性，科技成果丰硕，技术上有发展创新可以因地制宜推 广。 推广应用阶段；坑口坝的经验在国内水利水电工程界和公路界 很快引起了反响，不少设计、旖工、科研单位和工程建设主管部门对这 项新技术十分重视，并积极考虑推广应用。国内已建和拟建的碾压混凝 土坝有铜街子坝、大广坝电站、普定电站、沙牌电站、蔺河口电站等( 详 见表卜3 ) 。其筑坝模式有以下特点： 5 西安理工大学x - 程硕士学位论文 表l 一3 国内已建和在建的碾压混凝土坝 尺寸( m )碾压砼量 工程名称碾压部位 一 向 长( m ) 坑口电站混凝土坝 5 6 81 2 2 54 2 1 0 0 一期混凝土坝8 7 7 0 84 0 0 0 0 铜街子电站 二期混凝土坝 8 77 0 83 7 0 0 0 0 上围堰5 2 0 3 7 21 7 2 8 0 0 岩滩电站 下围堰 4 0 23 2 41 1 3 0 0 0 混凝土坝l l l4 9 8 53 2 5 3 6 0 天生桥电站混凝土坝5 8 7 4 7 01 3 5 1 0 0 隔河岩电站混凝土围堰 3 952 9 l1 0 0 0 0 0 龙门滩水库混凝土坝5 751 4 97 3 0 0 0 观音阁水库混凝土坝8 2 1 0 4 61 4 0 7 0 0 0 普定电站重力拱坝 7 01 5 01 8 0 0 0 0 宝珠寺水电站混凝土重力坝1 3 25 2 454 4 0 0 0 0 蔺河口电站碾压混凝土坝 1 0 04 1 52 3 0 0 0 0 ( 1 ) 防渗方式的创新，由于碾压混凝土胶材用量一般较常态混凝土 为低，如果旋工措施不当或控制不严，就容易产生缺陷，形成坝体渗漏 通道。产生缺陷的主要原因：一是混凝土运输、浇筑过程中发生骨料分 离难以振碾密实，造成架空或蜂窝，尤其是坝体上游靠近模板部位，震 动碾不能靠近，超干硬性混凝土压实效果较差，形成薄弱环节；二是浇 筑碾压后浇注层面泛浆很少而且表面又比较平整，如上层混凝土覆盖不 及时，产生冷缝，容易形成渗漏通道。特别是薄层碾压浇筑施工，层面 数量必然增多，产生渗漏通道的机遇就越大。总之，碾压混凝土的层间 结合是一弱点，对防渗结构的构造和材料的选择，必然给予重视。在总 结日本的“金包银”形式和美国的加大碾压混凝土胶材用量，以改善浇筑 层间结合质量和混凝土本身的抗分离性及密实性，从而提高大坝抗渗能 力的基础上。我国已从在坝卜游面单独设置防渗层的形式改为近几年逐 渐采用变态混凝土防渗。 ( 2 ) 开发了低水泥高掺粉煤灰的胶凝材料 6 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 水泥用量6 0 k g m 3 左右，混合材料用量9 0 k g m 3 左右，总胶材1 4 0 1 5 0 k g m 3 ，这种混凝土即考虑了简化温控，也考虑了振碾密实和层面胶结 的需要。 ( 3 ) 创出了不分缝连续浇筑快速筑坝方式 基于低水泥高掺粉煤灰碾压混凝土可碾性好，抗裂性强，水化温升 小和层面胶结好等特性，在坑口电站首次采用1 3 2 m 长全坝段不设纵缝连 续浇筑方式施工；在岩滩工程上下游2 7 8 m 、2 6 3 m 长的围堰和隔河岩2 9 0 m 长的拱围堰施工中全断面整体连续浇筑施工，不但在施工速度上取得了 明显效果，而且堰体温度应力也均在设计允许范围内。这就改变了常态 混凝土坝旌工每1 5 2 0 m 设置条横缝的传统柱状施工模式。采用高掺 粉煤灰碾压混凝土至少可以取消纵缝，实行通仓浇筑，同时也可以加大 横缝间距，减小横缝数量，节省二期冷却和并缝灌浆。 2 宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 宝珠寺水电站位于白龙江下游四川省广元市境内，工程以发电为主， 兼有灌溉、防洪等综合利用功能，枢纽主要建筑物由拦河坝，电站厂房、 泄水建筑物组成。坝型为混凝土重力坝，最大坝高1 3 2 m ，坝顶长5 2 4 5 m ， 坝后式厂房，装机7 0 0 m w ，混凝土工程量约为2 0 0 万m 3 ，工程己于1 9 9 7 年竣工。 1 9 9 2 年该工程旌工时，为了加快工程进度，缩短工期，提前发挥工 程效益，当时设计拟在大坝主体工程上部分采用碾压混凝土浇筑，其部 位初步确定在左右岸副坝和中表孔坝段，碾压混凝土约4 4 万m 3 。混凝土 骨料为人工粗、细骨料，最大骨料粒径8 0 m m ，为使设计有可靠的参数， 同时也为指导现场施工，根据设计要求，我们从1 9 9 1 年到1 9 9 3 年对该 电站碾压混凝土的配合比设计、室内工艺性能、现场试验区混凝土原位 抗剪等碾压混凝土性能进行了较系统、深入的研究。本论文即以当时的 试验研究报告为依据进行分析，论证碾压混凝土有关性能。 大家知道，碾压混凝土的震动压实增密不同于常态混凝土，它是依 7 西安理工大学工程硕士学位论文 靠震动碾逐层震动压实的。震动碾用于土石料压实，已经积累了较为丰 富的经验。碾压混凝土拌和物的压实即具有混凝土的基本特点和要求， 也具有粘性土压实的某些施工特征。借鉴土料压实的经验，可以成为碾 压混凝土拌和物压实增密问题的一条捷径。 碾压混凝土拌和物可视为类似砾石土料的物质，它是由固相、液相 和气相组成的体系，拌和物在震动压实机具所旋加的震动和压力作用下， 固相体积一般不发生变化，但固相颗粒位置得到重新排列，颗粒之间产 生相对位移，彼此接近。小颗粒被挤压填充到大颗粒之间的空隙中，空 隙里的空气受挤压而逐步逸出，混凝土拌和物逐步密实，密度逐渐增大。 用土料压实或击实的方法研究碾压混凝土密度与单位用水量关系发 现，当单位用水量为某一数值时，碾压混凝土的密度最大，即碾压混凝 与土料压实一样存在最优单位用水量。依所用原材料及压实机具的不 同，最优用水量大约为9 0 k g m 3 1 l o k g m 3 。 考虑到碾压混凝土拌和物的类似砾石土料性质，使用“各组分相互 填充”理论进行碾压混凝土配合比设计可能更接近实际。 该理论认为，碾压混凝土中胶凝材料浆体的量应足以填充细骨料间 空隙；砂浆应足以填充粗骨料间空隙，经碾压后形成均匀密实的混凝土。 然而，国内外研究成果表明，凝固后的碾压混凝土的强度及其物理力学 性能基本符合“水灰比定则”。因此，有的配合比设计方法也延用塑性混 凝土的包罗米公式。不管采用那种方法，为使碾压混凝土能够经过碾压 达到均匀密实并获得所要求的强度，都须通过调整单位胶凝材料浆体的 用量来实现。也就是说，通过试验确定混凝土的最优用水量的过程中必 须保持一定的水胶比( w c + f ) 和粉煤灰掺量( f c 或f c + f ) 。此外，碾 压混凝土的最优用水量与压实功能密切相关，在相同铺层厚度及相同碾 压遍数情况下，若震动碾的频率、振幅及静压力大，则碾压混凝土的最 优用水量低，相反则最优用水量高。在碾压机具和铺层厚度一定的情况 下，碾压混凝土的最优用水量随着碾压遍数的增加而降低，并与碾压混 8 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 凝土压实密度密切相关。 因此，不论采用哪一种配合比设计方法，都必须考虑现场的施工设 备条件与施工方法，如运输、平仓、铺料方法、震动碾的功率与各项参 数等是否与配合比相适应。 2 1 配合比设计要点 碾压混凝土的配合比是指碾压混凝土各组成材料相互间的配合比 例。碾压混凝土配合比设计的任务，实质上就是在满足混凝土工作度、 强度、抗渗性与耐久性，以及尽可能经济的条件下，比较合理地确定各 组成材料间的比例关系。混凝土中各种原材料的品种、质量，如水泥的 品种与等级、粉煤灰的质量，砂石品质、粗细程度与级配，掺用的外加 剂品种及质量等，对碾压混凝土的各项技术性能都有一定的影响。进行 碾压混凝土配合比设计时，必须考虑的各项基本因素与设计步骤，以及 各种因素的相互关系示于图2 l 。基本概括了设计过程所应考虑的因素。 碾压混凝土配合比设计的根本出发点是：胶凝材料最大限度的填满 细骨料间的空隙并包裹细骨料颗粒，形成密实的砂浆；砂浆最大限度的 填满混凝土拌和物中粗骨料间的空隙并包裹粗骨料颗粒，形成密实的混 凝土。因此，配合比设计过程中，必须了解胶凝材料浆体能否填充细骨 料的空隙，砂浆含量能否填充粗骨料空隙。在此基础上考虑拌和物的不 均匀性，适当增加一定的胶凝材料浆量和砂浆量作为余度。最终通过现 场试验，弄清初选配合比混凝土拌和物与所采用的压实方法能否充分碾 压密实。 9 西安理工夫学工程硕士学位论文 图2 - 1 碾压温疑土舀e 合比设计步骤 2 1 1 碾压混凝土的震动密实及集料颗粒周围的浆层厚度 碾压混凝土与常态混凝土不同，是一种超干硬性混凝土，因而在震 动碾压过程中不可能出现象常态混凝土所出现的水泥浆与集料间发生显 著相对位移，仅是拌和物在震动碾压过程中各组分发生不同程度的颤震 运动，集料颗粒借助于震压作用轻度地调整了各自的位置。各组分逐步 挤压了各自周围空气和水分所占有的空间，使拌和物逐渐密实。在混凝 土拌和物中，每一集料颗粒周围或薄或厚地包裹着一层浆( 见图2 2 ) ， 对于某一集料和胶凝材料浆体，在集料周围形成了具有一定厚度的接触 层。 1 0 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 在混凝土拌和物 中，随着浆体用量的逐 渐增大，集料颗粒周围 的浆层逐渐增厚，当达 到临界浆层厚度以后， 再增加用浆量，则这部 分浆体处于游离状态， 受震时内聚力显著降 低。 2 1 2 影响最佳胶 凝材料浆体用量的因素 厚度 图2 - 2 集料周围临界浆层示意图 碾压混凝土中，胶凝材料浆体的多少直接影响碾压混；疑土的物理力 学性质和施工性能。在其它条件一定时，浆量不足，拌和物就难于震碾 密实，混凝土拌和物的密实性降低，强度和耐久性差。浆量过多，集料 必相应减少，施工时震动碾易于陷落，无法施工。此外，由于骨料较少， 骨料的骨架作用得不到充分发挥，也就降低混凝土的强度。因此，混凝 土拌和物选择最佳浆体用量问题，须对其多方面影响的因素作出分析。 ( 1 ) 震实混凝土拌和物所需的震动能量 震动能量的大小影响混凝土拌和物中粗细集料排列的密实程度，即 影响骨料的空隙率，也影响胶凝材料浆体在震动情况下的流变特性。震 动能量越大，浆体的表观粘度即屈服应力降低越显著，所需的浆体可以 少一些，反之则需增加浆体含量。 ( 2 ) 集料的种类、级配和颗粒表面特征 这些因素影响了集料的比表面积和空隙率，相应地影响填充集料空 隙和包裹集料颗粒表面所需的浆量。 ( 3 ) 水胶比的大小 浆体的内聚力随水胶比的增大而降低，也即随水胶比的增大浆体的 西安理工大学工程硕士学位论文 屈服应力和表观密度均减小。虽然混凝土拌和物所需震动压实功能可以 小一些，但过大的水胶比将使碾压混凝土各项物理力学性能恶化。 2 2 配合比设计方法 2 2 1 填充包裹法： 这种方法是基于( 1 ) 砂和空隙恰好被水泥浆所填裹形成砂浆；( 2 ) 粗骨料和空隙恰好被水泥砂浆所填裹形成混凝土，以o 、1 3 两个指标作 为配合比选择的主要依据。n 系指灰浆体积与砂空隙之比：b 系指砂浆 体积与粗骨料空隙之比。由于考虑到水泥浆与砂浆须包裹粗骨料，灰浆 量与砂浆都须留有一定余度。因此，c t 、1 3 值均应大于l ，如考虑到施工 中碾压混凝土的层面结合和运输、摊铺过程中的抗分离能力，余度要留 的多一些，一般碾压混凝土的c 2 值为1 1 1 3 ，1 3 值为1 2 1 5 。如考 虑碾压混凝土的层面结合与防渗，c t 值须适当增大一些。 设计配合比时，以w 、c 、f 、s 、g 分别代表混凝土内水、水泥、粉 煤灰、砂子、粗骨料重量，各种材料的用量以k g m 3 计，以v a 代表混凝 土中的含气量，v s 、v g 代表砂子、粗骨料的空隙萃以计；w s 、w g 代表 砂子、粗骨料相对密度，以k g m 3 计：dc 、p ，、ps 、pg 代表水泥、粉 煤灰、砂子、石子密度。根据上述a 、b 值的定义可以导出下列公式： w十昙+丢(iov*pp寺w ( 2 _ ) ff5 1 0 0 0 _ 1 。屹。旦p c 砂( 1 0 匕。争 ( 2 - 2 ) 。 w 。 从上式求得石子为 1 2 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 g =! ! 塑二! 竺匕! f l 1 w o v 一。+ 去 砂的体积应为： ( 2 3 ) 去邓o o o 一o r ，一+ c n + 毒，一瓦g ( 2 - 4 ) 则由( 21 ) ( 2 - 3 ) 式求得砂用量为 告邶， 52 而可 t d $ 一十 设w ( c + f ) = k lf ( c + f ) = k 2 则水泥用量为： a 盟s c = 石- 至雯兰r 互匠 1 一k2 p ， 1 一k2 粉煤灰则可由下式求得 f ：= k 2 * c l 一足2 水 w = k 1 $ ( c + f ) 1 3 ( 2 5 、 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 由式( 2 - 1 ) ( 2 - 8 ) 可以求出g 、s 、c 、f 、w ，即可以得出配合比。 2 2 2 绝对体积法 该法在常态混凝土配合比中常采用，主要决定下述几个参数： ，一：k 1 c + f s p ， 一2 j s + g j ：世2 c + f w = k 4 式中符号的意义同前，k l 、k 2 、k 3 、k 4 为选定的配合比设计参数。 首先在室内进行以下试验并获得关系曲线： 粉煤灰掺量与v c 值关系曲线； 水胶比与混凝土抗压强度关系曲线； 砂率与v c 值关系曲线： 单位用水量与v c 值关系曲线； 外加剂掺量与混凝土抗压强度及v c 值关系曲线： 通过上述各式的计算，即可求出混凝土配合比。 2 3 碾压混凝土配合比设计 2 3 1 设计对混凝土的要求 根据坝体设计要求，对三级配混凝土，设计标号为r 9 0 1 5 0 s 4 d 5 0 工 程部位为坝体内部；二级配混凝土，设计标号为r 9 0 2 0 0 s 6 d 5 0 。工程部位 为迎水面防渗体。根据碾压混凝十所用部位，取强度保证率8 0 ，均方差 。按施工水平估算为3 4 t pa 。 23 2 碾压混凝土配制强度 r 配= r 设+ ot ar 式中ar 为考虑现场旌工水平的影响室内和现场试验强度差。配制 混凝土强度时加上ar ，取ar 为2 9 m p a 。由此，二、三级配混凝土配制 强度为： 1 4 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 三级配混凝土：r 配= 2 0 5 m p a 二级配混凝土：r 配- 2 5 4 m p a 2 3 3 原材料性能 ( 1 ) 水泥：采用5 2 5 中热硅酸盐水泥，其化学成分、物理力学性能见 表2 1 、2 - 2 。 表2 1 水泥物理力学性能测试成果 凝结时间 标准稠抗压强度( m p a )抗折强度( m p a ) 密度细度 安定性 ( m i n ) 咖1 3 1 3 ( ) 初凝终凝f 、3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d 32 2 4 0 合格 1 4 l2 4 42 5 32 54 35 45 77l8 2 表2 - 2水泥化学成分及矿物组成 s i 。：f e 2 0 3 a 1 2 0 3c a om g on a ，os 0 3h 2 0c 3 s c ，s c 3 ac 4 a f 一 2 。4 55 8 25 2 26 2 2 l0 9 40 _ 3 0l - 7 42 4 04 9 4 22 1 2 l3 9 61 76 9 ( 2 ) 粉煤灰：采用宝鸡电厂原状粉煤灰，粉煤灰性能测试结果见表2 3 。 根据g b j l 4 6 9 0 粉煤灰混凝土应用技术规范可知，该灰属二级灰。 表2 - 3 粉煤灰物理力学性能及化学分析结果 密度 细度f )烧失量 需水量强度比 主要化学成分( ) ( c i t i )( 4 孕m 筛余) ( ) 比f 1 ( ) s l o ， a 1 2 0 3f e ! 0 3c a o_ 22 82 1 02 4 69 5 o7 75 0 93 30754 8 ( 3 ) 骨料：砂石骨料取自宝珠寺水电站飞鹅峡料场人工破碎料，石料 为白云质石灰岩和石灰质白云岩。骨料性能测试结果见表2 - 4 。 从测试结果可知，该料场人工砂石骨料质量基本符合施工规范要求， 1 5 西安理工大学工程硕士学位论文 砂细度模数2 5 4 ，细粉含量1 5 1 7 ，超径3 5 1 ；大石超径3 9 ，中 石超径3 2 9 ，小石超径4 9 2 。粗骨料超径较多；如用2 5 r a m 筛对小石 进行筛分，以剔除粒径大于2 5 r a m 的骨料，则小石超径降到1 0 左右。因 此，在粗骨料级配选择时，应考虑骨料超径的影响，适当加大小石比例。 表2 - 4人工骨料性能测试结果 骨科密度吸水率松散密度紧密密度空隙率 种类 c 订 ( ) k g dk o ( ) 砂27 31 1 71 6 8 11 8 4 63 2 4 石 27 60 6 61 5 8 51 8 6 23 2 6 ( 4 ) 外加剂优选：由于碾压混凝土中粉煤灰掺量高达5 0 7 0 ，本身 的胶材又少，所以外加剂所起的作用主要是缓凝和减少运输当中的v c 值 损失以适应碾压混凝土大面积铺筑的要求，延长混凝土的初凝时间，减 少冷缝出现并改善碾压混凝土层面胶结能力。 宝珠寺水电站年平均气温1 6 ，平均湿度6 8 5 。外加剂试验就是 要结合工程的环境条件，选择满足该工程施工要求的品种及掺量。本次 试验初选回声牌高效减水剂，y n s 一2 高效减水剂，d h 4 一b 缓凝高效减水 剂，木钙等四种外加剂，在各自的最佳掺量下进行碾压混凝土试验，试 验成果见表2 - 5 。表中碾压混凝土拌和物“v c ”值及“v c ”值随时间增量 的测定是在温度为1 6 。c ，湿度为5 0 的环境中进行的：凝结时间测定是 将混凝土拌和物湿筛掉大于5 m m 的骨料，在室温2 3 ，湿度5 5 的条件 下利用贯入阻力法测定。 从表中结果可知，在同一试验条件下，回声牌减水剂的v c 值最小， 木钙减水剂的v c 值最大，y n s 一2 和d h 4b 两种减水剂的v c 值基本相同。 当拌和物停放2 小时以后，掺回声牌和木钙减水剂混凝土v c 值由1 3 s 增 加到2 4 s ，而掺y n s2 和d h 4 一b 的混凝土v c 值则增加至2 7 s 和2 8 s 。 1 6 第2 章宝珠寺水电站碾压混凝土配合比设计 表2 - 5 外加剂选择试验结 y n s 2 d h 4 - b 木钙 外加剂品种及掺量基准回声牌0 5 o 5 0 5 0 2 5 v c 值( s )4 51 41 7 1 82 l 01 8 51 351 4 o1 2 01 2 5 v c 值随时间 l h3 l _ 51 8 o2 4 01 601 65 增量2 h4 0 02 352 7 02 8 02 4 o ( s ) 3 h4 5 02 7 o3 2 03 302 6 0 4 h6 8 o3 4 05 403 6 53 55 减水率( )1 8 21 6 41 5 51 20 初凝6 ：3 61 4 ：2 41 4 ：1 81 6 ：1 29 ：5 5 凝结时间延缓 7 ：4 87 ：4 29 ：3 63 ：1 9 h ：m i n 终凝1 2 ：4 52 0 ：1 82 3 ：5 52 6 ：2 5 1 4 ：0 6 延缓 7 ：3 3l l ：1 01 3 ：4 0l ：2 1 从相对于基准的减水率分析，回声减水剂的减水率最高，达1 8 2 ； 木钙减水剂的减水率最小仅为1 2 。凝结时间的测定主要是分析外加剂对 初凝时间的延缓作用，供施工确定上层混凝土的铺筑时间之用，终凝时 间则不需太长，以利于模板上升和减少上层碾压对下层混凝土强度的影 响。从测试结果看，木钙减水剂初凝时间不到l o 小时，终凝时间仅1 4 小时，缓凝效果不明显；其余三种减水剂初凝时间在1 4 1 6 小时，基本 相同。终凝时间和基准相比，回声延缓了7 5 小时，y n s 一2 减水剂延缓了 1 1 小时，d h 4 一b 减水剂延缓长达1 3