碾壓混凝土技術與性能研究

劉雨冰，譚建軍，李倩

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽550081）

1 碾壓混凝土壩發展概述

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，是由膠凝材料、砂、分級控制的粗骨料、水及外加劑拌制成無坍落度的干硬性混凝土，主要應用在水庫大壩的工程建設中，通常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。

在1972年召開的“混凝土壩經濟施工”會議上，坎農提出“用土料壓實的方法修建混凝土壩”，同年，他又發表了“用振動碾壓實大體積混凝土”的論文，并公布了用卡車運輸、前卸式裝載機平倉、振動碾碾壓的混凝土試驗結果，形成了最初的碾壓混凝土概念。世界上第一個大量使用碾壓混凝土的工程是1975年美國陸軍工程師團承包巴基斯坦的塔伯拉壩泄洪隧洞修復工程。該工程用未經篩洗的砂石料加少量水泥拌和的混凝土，經振動碾碾壓，修復被沖毀的部位。42d內澆筑了35×104m3混凝土，平均日澆筑8 333m3，最大日澆筑達18 438m3，顯示了碾壓混凝土快速施工的巨大潛力。

碾壓混凝土壩既具有混凝土體積小、強度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點，又具有土石壩施工程序簡單、快速、經濟、可使用大型通用機械的優點。由于碾壓混凝土壩融合了常態混凝土壩結構和碾壓土石壩施工的長處，因此，碾壓混凝土壩作為近年來廣泛應用的筑壩技術受到了越來越多的關注。

2019年，李克強總理在政府工作報告中明確指出，緊扣國家發展戰略，合理擴大有效投資，再開工一批重大水利工程，同時要抓好農業發展及糧食生產，加強農田水利的建設，均標志著水利建設在我國戰略發展上的重要性，也體現了其對于惠及民生、造福人民的必要性。目前，中國碾壓混凝土壩總量居世界首位，大壩規模普遍高大，為順應我國戰略發展的需要，在未來水利工程的建設發展中，對碾壓混凝土壩進一步的深入認識與分析研究顯得尤為必要。

2 碾壓混凝土筑壩技術研究

早期的碾壓混凝土壩多采用低膠凝材料用量的貧漿碾壓混凝土，從當前碾壓混凝土壩的應用現狀及發展趨勢來看，高膠凝材料用量的富漿碾壓混凝土是現在工程實踐中最為流行的型式。富漿碾壓混凝土的骨料能夠被膠凝材料更好地包裹，使得碾壓混凝土經平倉、攤鋪及碾壓之后，能夠產生較好的泛漿效果，有利于上下層碾壓混凝土的結合，提高整體穩定性。

在工程實踐中，富漿碾壓混凝土的膠凝材料用量普遍處于150～250kg/m3的范圍內，而活性摻和料的用量通常大于50%，大摻量活性摻合料的使用是碾壓混凝土的第一大特點。在碾壓混凝土配合比設計的試驗規程中，規定了應優先選擇優質粉煤灰作為活性摻合料，粉煤灰來源廣泛，一般以電廠生產為主，是當前用量最大、使用范圍最廣的礦物摻合料。因粉煤灰的成本相對于水泥而言便宜很多，使得工程造價得到優化，而摻入大摻量的粉煤灰后，膠凝材料中的水泥熟料含量相對減少，早期水化產物的減少有利于降低水化熱，避免混凝土產生溫度裂縫。近年來，原材料運輸，尤其是長距離運輸導致工程成本的增加是困擾工程人士的一大問題，因而當建設工程周邊的粉煤灰資源匱乏時，可能會導致粉煤灰經運輸后，其成本反而高于水泥，從工程造價的角度考慮，粉煤灰成本較高時，不利于采用碾壓混凝土壩的設計施工方案。

碾壓混凝土壩的第二大特點在于其施工工藝通倉薄層澆筑、依靠振動碾碾壓使得混凝土密實。通倉澆筑的壩體整體性

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好，有利于改善壩 應力狀態，免除了接縫灌漿，減少了模板工程量，簡化倉面作業，倉面面積的增大有利于提高機械化水平，充分發揮機械設備的效率。同時，薄層澆筑可增加散熱效果，取消冷卻水管，使得整體造價進一步得到優化。與常態混凝土依靠振搗器達到混凝土密實相比，碾壓混凝土利用了土石壩的施工機械和方法來壓實混凝土，依靠振動碾碾壓達到混凝土密實，施工程序簡單。由于碾壓混凝土壩的施工工藝特點，使得碾壓混凝土壩的施工速度非常快，可實現1a連續澆筑成型壩高100m的大壩，大量節約了工期、節省了成本，這是常態混凝土壩無法實現的。

碾壓混凝土壩在原材料使用中節省了成本，由于施工工藝特點也節約了工期，因而碾壓混凝土壩的第三大特點即為工程造價低。相對而言，碾壓混凝土的單價是常規混凝土單價的三分之一到二分之一。碾壓混凝土壩的建設方案是一項高質而低廉的選擇，方案的優選對于水利工程的建設有良好的推動效益和現實意義。

3 碾壓混凝土主要性能參數分析

影響碾壓混凝土性能的參數主要有4個：（1）砂的細度模數；（2）石粉含量；（3）Vc值（工作度）；（4）含氣量。下面將分別敘述各參數對碾壓混凝土性能影響的分析與研究。

3.1 砂細度模數對碾壓混凝土性能影響的研究

級配良好的砂具有較小的孔隙率，用來配置的混凝土，不僅所需水泥漿較少，而且還可以提高混凝土的流動性、密實度和強度，因而在實踐中，水工混凝土用砂優先選用級配良好的中砂，細度模數為2.4～2.8。

碾壓混凝土設計的根本出發點是膠凝材料漿體最大限度地填充細骨料之間的空隙并包裹細骨料顆粒，形成密實的砂漿；砂漿最大限度地填滿混凝土拌和物中粗骨料間的空隙并包裹粗骨料顆粒，形成均勻密實的混凝土。碾壓混凝土對砂細度模數的優選要求為2.6～2.8，有利于使碾壓混凝土有更明顯的富漿特性，能夠避免碾壓混凝土運輸與攤鋪過程中產生骨料分離，也能使得經振動碾碾壓后的混凝土有良好的泛漿效果，有利于上下層混凝土之間的層面結合，提高整體性及穩定性。

3.2 石粉含量對碾壓混凝土性能影響的研究

石粉是指骨料生產過程中產生的小于0.016mm的微小顆粒，將混凝土骨料中的石粉沖洗掉，既浪費力氣，也不符合工程實際。試驗研究發現，石粉不完全是一種惰性材料，一定的石粉含量，對于碾壓混凝土的性能具有一定的改善作用，因而在規范SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》及SL 677—2014《水工混凝土施工規范》中可以對比發現，相較于常態混凝土中石粉含量指標要求為6%～18%，碾壓混凝土中石粉含量的指標可放寬至10%～22%。

適量石粉對混凝土的有利影響主要體現在4點：（1）改善碾壓混凝土的拌和性能。石粉有較好的顆粒形態及顆粒效應，可改善骨料的顆粒級配，提高拌和物的黏聚性。（2）提高碾壓混凝土的密實性。石粉有填充效應，能填充骨料間的空隙并包裹骨料表面，增強碾壓混凝土的抗滲性。（3）改善碾壓混凝土的抗壓強度。有研究表明，當石粉摻量在10%～16%時，隨著石粉含量的增加，碾壓混凝土抗壓強度會得到些許提高，但變化幅度不大，繼續增大石粉摻量后，碾壓混凝土抗壓強度將會下降，且呈下降越來越快的趨勢。（4）提高碾壓混凝土富漿程度。現有研究表明，當石粉摻量在10%～16%時，隨著石粉含量的增加，富漿程度提高，再繼續增大石粉摻量后，富漿程度將下降。

在碾壓混凝土中摻入過多的石粉將不利于碾壓混凝土的工作性能，主要體現有2點：（1）由于碾壓混凝土配合比用水量較少，拌和時間也有限，包裹的石粉在拌和時無法充分脫離粗骨料表面，從而減弱了骨料與砂漿的握裹，對混凝土的一些性能會產生一定的影響，包裹在骨料表面的石粉會造成砂漿與粗骨料表面之間黏結力下降，從而導致碾壓混凝土的抗壓強度有所降低；（2）使用過量的石粉將會增加碾壓混凝土的干縮值和自生體積變形收縮值，且隨著石粉含量的不斷增大，干縮性增長率也越來越大，極大地降低了碾壓混凝土的抗裂性及耐久性【1～4】。

綜上所述，碾壓混凝土中石粉含量的較佳范圍宜為16%左右。

3.3 Vc值對碾壓混凝土性能影響的研究

碾壓混凝土拌和物應具有適當的Vc值，不僅能夠承受振動碾碾壓不陷落，也不會因拌和物過于干硬使得難以被碾壓密實。規范規定碾壓混凝土的Vc值范圍應介于5～15s，但由于碾壓混凝土在運輸、出機過程伴隨著振動，且為了解決施工過程中層面結合問題，在工程實際中傾向于選擇較低的介于3～5s的Vc值。試驗研究中，采用肉眼觀察并判斷Vc值的大小，在振動碾壓過程中，混凝土稍有塑性回彈，并呈輕微波浪起伏，混凝土表面濕潤光滑，有少許泛漿，呈光亮感，則認為此時Vc值滿足要求。

影響Vc值的因素主要有3個【5】：（1）用水量。用水量對Vc值有很大的影響，Vc每增減1s，用水量相應減增1.5～2kg/m3，但如果僅從增加用水量角度來降低Vc值，會對碾壓混凝土強度及防滲產生影響，若配合比設計不合理，還可能會造成倉面泌水。（2）漿砂比。漿砂比對碾壓混凝土的碾壓質量影響很大，碾壓混凝土的漿砂比一般應大于0.4，漿砂比越大，Vc值越小，黏聚性好，骨料分布均勻，泛漿效果好，可碾性好。（3）外加劑。影響碾壓混凝土Vc值的外加劑主要是緩凝高效減水劑，可通過調整外加劑的摻量達到改變Vc值的目的。

在施工現場碾壓混凝土Vc值的動態控制中，主要通過拌和樓加水、倉面灑水噴霧、保持碾壓混凝土配合比參數不變、適當調整減水劑的摻量等方法來調整碾壓混凝土的Vc值，以確保施工過程中的工程質量。

3.4 含氣量對碾壓混凝土性能影響的研究

水庫大壩長期承受水壓力、滲壓力等荷載，并不斷遭受滲流、凍融等損害，因此，抗凍及抗滲是碾壓混凝土耐久性的重要評價指標。通過向碾壓混凝土中摻入引氣劑，使得在碾壓混凝土中形成均勻、穩定、封閉、互不連通的微小氣泡，避免了毛細孔道的形成，改變碾壓混凝土內部結構，從而改善碾壓混凝土的耐久性能【6，7】。我國施工控制的含氣量為3.5%～4.5%，由于碾壓混凝土拌和物干硬，引氣較為困難，因此，要使得碾壓混凝土達到一定的含氣量，引氣劑的摻量比常態混凝土要高許多。

影響含氣量的因素主要為引氣劑的摻量，一般而言，可認為含氣量隨著引氣劑摻量的增減而增減。此外，有研究表明，石粉摻量在10%～12%時，碾壓混凝土的含氣量不斷下降，石粉摻量在12%～16%時，碾壓混凝土的含氣量不斷上升，在上述區間內，約每1%石粉含量能夠使碾壓混凝土含氣量變化0.1%。

4 結語

1）碾壓混凝土壩具有使用大摻量活性摻合料、通倉薄層澆筑、依靠振動碾碾壓使得混凝土密實、施工程序簡單、節約時間、減少成本等特點，有望成為未來筑壩工程的主流。

2）碾壓混凝土砂細度模數宜為2.6～2.8；碾壓混凝土的石粉含量宜為16%左右；碾壓混凝土的Vc值宜為3～5s，在施工現場碾壓混凝土Vc值的動態控制中，一方面應控制用水量，另一方面應避免對碾壓混凝土造成過度擾動；碾壓混凝土的含氣量宜為3.5%～4.5%，一般以外摻引氣劑控制含氣量的大小。

本文通過對碾壓混凝土筑壩技術進行了較為全面的總結，研究了碾壓混凝土的技術特點，并對碾壓混凝土有主要影響的4個主要參數進行分析與研究，為解決碾壓混凝土配合比設計、現場施工質量管理提供了思路與參考。