碾壓混凝土的研究現狀與發展趨勢

厙海鵬

1 概述

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，使用硅酸鹽水泥、火山灰質摻合料、水、外加劑、砂和粗骨料拌制成無坍落度的干硬性混凝土，采用與土石壩施工相同的運輸及鋪筑設備，用振動碾分層壓實。

碾壓混凝土筑壩技術于20世紀70年代興起，我國80年代初開始研究。碾壓混凝土壩具有混凝土體積小、工藝簡單、上壩強度高、防滲性能好、壩身可溢流、工期短、造價低、適應性強、可使用大型通用機械等優點，能產生巨大的經濟和環境效益，已廣泛運用于道路、機場、大壩中。

2 碾壓混凝土原材料

碾壓混凝土是由水泥、摻合料、砂、石子及外加劑等六種材料組成，水泥和摻合料又稱為膠凝材料。碾壓混凝土形成機理與常態混凝土相同，但其水泥用量比常態混凝土小，用水量小。由于碾壓混凝土摻入大量粉煤灰，拌和物流動性較差，粘聚性小，呈現干松狀態，需碾壓密實。

隨著碾壓混凝土技術的進步，外加劑，高摻粉煤灰，外摻料，混凝土配合比等方面的發展迅速，其原材料也越來越能符合不同工程需求。

2.1 粉煤灰

粉煤灰中含有大量的球狀玻璃珠，能起到“滾珠軸承”和“解絮擴散”作用，可有效分散水泥顆粒，填充水泥漿體中的孔隙。粉煤灰活性較水泥低，可延緩水泥的水化速度，其火山灰效應產生的硅酸鈣凝膠性物質隨齡期增長而緩慢增多。粉煤灰取代部分水泥可有效降低水化熱，有利于防止碾壓混凝土裂縫發生，也可改善碾壓混凝土的可塑性與穩定性，有效地提高碾壓混凝土的密實度。碾壓混凝土粉煤灰摻量高于常態混凝土，常態混凝土粉煤灰摻量一般為0%～40%，而碾壓混凝土粉煤灰摻量一般為50%～70%，其中60%左右較多。

我國已建和在建的碾壓混凝土壩廣泛都采用低水泥用量高摻粉煤灰，例如廣西巖灘水電站粉煤灰含量為66.1%，陜西藺河口水電站粉煤灰含量為61.6%，云南彭水水電站粉煤灰含量為60%。

粉煤灰作為摻合材料的碾壓混凝土抗壓強度和劈拉強度均高于白云巖和花崗巖。對于摻粉煤灰的碾壓混凝土，應充分利用其后期強度增長較快的特點，在不影響工程運行的前提下，可適當延長混凝土設計齡期。結合使用緩凝高效減水劑與引氣劑，碾壓混凝土摻加適量的粉煤灰，可使其具備良好的工作度、可塑性、易密性和穩定性，技術經濟效果顯著［1］。

2.2 石粉

石粉主要是指巖石經過機械加工后的粒徑小于0.16 mm的微細顆粒，它包括人工砂中粒徑小于0.16 mm的細顆粒和專門磨細的巖石粉末，為形狀不規則的多棱體。石粉與摻合料細度相當，可替代砂漿中部分摻合料，與膠凝材料一起起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用，相當于增加了膠凝材料漿體，能在一定程度上改善碾壓混凝土拌和物的和易性，增進混凝土的勻質性、密實性、抗滲性。同時可提高混凝土的強度及斷裂韌性，改善施工層面的膠粘性能，減少膠凝材料用量，降低絕熱溫升［2］。

適當提高石粉含量，可降低成本，提高混凝土質量。隨著石粉含量的增加，碾壓混凝土中的空隙能得到填充，其振實容重也相應增大，密實性有所提高。石粉含量約為16%～18%范圍時，碾壓混凝土抗壓強度值達到最高;石粉含量大于18%時，碾壓混凝土抗壓強度隨石粉含量的增加逐漸降低。所以當粉煤灰供應緊張時，可用石粉替代粉煤灰作為摻合料［3，4］。試驗研究表明，用石粉替代0%～20%的粉煤灰，可以顯著提高碾壓混凝土的可碾性，對碾壓混凝土的拌合物性能和物理力學性能等基本無影響［5］。

2.3 雙摻料

混凝土配合比設計時，為了改善碾壓混凝土性能，節約水泥，降低水化熱溫升，添加兩種不同摻合料稱為雙摻料。魯少林［6］進行了錳鐵礦渣和石灰巖粉各50%的摻合料(簡稱雙摻料)的試驗研究，結果表明:雙摻料對水化熱的降低程度較摻粉煤灰對水化熱的降低程度低，雙摻料較粉煤灰的活性大。雙摻料粒形為不規則的菱形狀，而粉煤灰粒形為玻璃珠狀，摻用雙摻料的碾壓混凝土需要更多的能量才能達到設計要求的壓實度，因此碾壓混凝土摻用雙摻料時需要更多的碾壓遍數才能達到相同的壓實度。在施工過程中，摻用粉煤灰的混凝土正常情況下碾壓遍數2+6+2即可達到設計要求的壓實度，而摻用雙摻料的混凝土碾壓遍數2+8+2才可達到設計要求的壓實度。摻用雙摻料的碾壓混凝土碾壓完后表面光澤、彈性比摻用粉煤灰的混凝土差。

雙摻料的混凝土物理性能及耐久性能與摻粉煤灰混凝土沒有變化，但摻用雙摻料水化熱較高，因此施工中應采取相應措施，控制混凝土裂縫。目前，國內水電工程使用雙摻料的情況很少，相關的研究還不夠深入，相應的規律需要更進一步深入的研究。

3 碾壓混凝土試驗研究

3.1 抗壓強度

碾壓混凝土的強度主要與密實度、水膠比、膠砂比(膠凝材料與砂之比)、骨料的級配等因素有關。

在水灰比相同的情況下，碾壓混凝土比普通混凝土抗壓強度有較大提高，摻粉煤灰后碾壓混凝土強度有所降低，摻硅粉后碾壓混凝土強度顯著提高［7］。碾壓混凝土強度與硅粉摻量有如下關系:

其中，f28為碾壓混凝土28 d抗壓強度;M為硅粉摻量。

李世綺認為碾壓混凝土強度發展均符合鮑羅米定則，通過大量室內試驗，回歸分析水泥膠砂和混凝土28 d抗壓強度(Rc，R28)試驗結果，得到抗壓強度鮑羅米經驗式［8］，如下:

R28=0.327Rc(c/w+0.074)。

其中，R28為碾壓混凝土28 d抗壓強度;Rc為水泥膠砂抗壓強度;c/w為灰水比。

3.2 抗拉彎強度

碾壓混凝土抗拉彎強度主要與水灰比、水泥強度、砂率及粗骨料填充體積率有關。

3.2.1 水灰比

碾壓混凝土抗彎拉強度與普通混凝土一樣也服從阿布拉姆斯(D.A.Ablams)水灰比定則，水灰比對碾壓混凝土3 d和28 d抗彎拉強度影響顯著，對7 d抗彎拉強度影響較小。李世綺認為碾壓混凝土抗折強度符合鮑羅米經驗式［9］:

F28=0.213Fc(c/w+0.898)。

其中，F28為碾壓混凝土28 d抗折強度;Fc為水泥膠砂抗折強度;c/w為灰水比。

3.2.2 砂率

砂率也是碾壓混凝土抗彎拉強度的重要影響因素。當用水量和水泥用量一定時，砂率對7 d和28 d抗拉彎強度影響較明顯。當砂率過小時，細集料比例不足，不能完全填充混凝土中的空隙，致使混凝土密實度降低;當砂率過大時，粗骨料用量相對減少，相對削弱了混凝土的密實骨架，抗拉彎強度也會降低。

3.2.3 粗骨料填充體積率

粗骨料填充體積率為單位混凝土中粗骨料所占體積百分比。可表示為:

其中，K為粗骨料填充體積率;Va為粗骨料振實后的體積，m3;Vc為混凝土體積，m3。

楊建，蔡良才進行了不同粗骨料填充體積率的碾壓混凝土抗拉彎強度試驗，對試驗結果進行回歸分析得到碾壓混凝土抗拉彎強度與粗骨料填充體積率的關系為:

fc，28=3.293 －0.016 8w+0.012 8c+0.021Vg。

其中，c為水泥用量;w為用水量;Vg為粗骨料填充體積率。

可以看出，當水灰比相同時，碾壓混凝土的抗拉彎強度隨著粗骨料填充體積率的增大而增大。Vg在60%～75%之間時，混凝土的工作性能和開裂性能較好。

4 展望

碾壓混凝土壩具有混凝土體積小、工期短、造價低、適應性強、可使用大型通用機械等優點，能產生巨大的經濟效益和環境效益。

為了促進碾壓混凝土更好地利用，應加強對其研究:

1)研究不同品質粉煤灰及其他摻合料的摻量對碾壓混凝土性能的影響，進一步增大摻量，減少水泥用量;研究雙摻料、多摻料瀝青碾壓混凝土的性能，進一步研究變態混凝土的砂漿摻量及施工工藝，選擇適合不同工程施工的混凝土。

2)深入研究碾壓混凝土動態力學性能，加強碾壓混凝土抗滲性、耐久性、破壞機理及其在不同工作狀態下的特性研究。

［1］ 魏光輝，曹 偉.摻粉煤灰碾壓混凝土的配合比技術研究［J］.粉煤灰綜合利用，2008(5):45-47.

［2］ 劉芝貴，王海生.石粉含量對碾壓混凝土性能的影響［J］.人民長江，2007，38(8):108-109.

［3］ 紀 輝，陸采榮，王 珩.土卡河水電站混凝土新型復合摻合料研究與應用［J］.云南水力發電，2006，22(6):52-54.

［4］ 羅 偉，鞏寧峰.石粉作為碾壓混凝土摻合料的試驗研究［J］.混凝土，2010，25(11):82-86.

［5］ 聶 強，陳 磊.大理巖石粉替代粉煤灰在碾壓混凝土中的應用［J］.粉煤灰，2009(6):30-34.

［6］ 魯少林.雙摻料混凝土的研究與應用［J］.葛洲壩集團科技，2005，75(3):11-15.

［7］ 李建嶺，羅昭鴻.碾壓混凝土抗壓強度試驗研究［J］.深圳土木與建筑，2005，2(3):55-58.

［8］ 李世綺.路面碾壓混凝土的性能及對施工的要求［J］.公路交通科技，1999，16(1):8-12.

［9］ 楊 健，蔡良才.碾壓混凝土抗彎拉強度特性的試驗研究［J］.混凝土，2007，18(12):7-9.