三河口大壩碾壓混凝土配合比參數優選研究

任喜平 李元來 張永強 楊瑞

摘?要：針對秦嶺腹地南北氣候分界線特殊區域的碾壓混凝土大壩中混凝土配合比參數確定的經驗較少。通過三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩中混凝土配合比的試驗研究，總結了該特殊地區碾壓混凝土大壩中配合比設計中各原材料參數選擇的經驗。結果表明：優化組合大壩碾壓混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等主要參數可提高混凝土各項物理性能指標，在滿足相關設計文件和規范要求的條件下，保證混凝土質量，降低水泥用量，可達到節省成本的目的。

關鍵詞：碾壓混凝土;優選;參數;配合比;試驗;三河口大壩

中圖分類號：TV53?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.025

Optimization of RCC Mix Ratio Parameters in Sanhekou Dam

REN Xiping， LI Yuanlai， ZHANG Yongqiang， YANG Rui

（Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：At present， there is little experience in determining the concrete mixture ratio parameters of RCC dams in the special zone of climate boundary between north and south in the hinterland of Qinling Mountains. Based on the experimental study of the concrete mixture ratio in the RCC dam of Sanhekou Water Control Project， the experience of selecting the raw material parameters in the mixture ratio design of RCC dam in this special area was summarized. The results show that the optimization of the mix proportioning of the combination of RCC dam， fly ash and admixture of cement， aggregate and unit water consumption can improve the main concrete parameters， such as the physical performanceindex， satisfythe requirement of related design documents and specifications in condition， ensure the quality of concrete， reduce the dosage of cement and can achieve the purpose of saving cost. The experimental results have been successfully applied to Sanhekou Water Control Project， which can be used as a reference for the selection of RCC mixture ratio parameters in Jinxia Dam of Yinhan and Weiwei project.

Key words： roller compacted concrete; optimization; parameters; mixture ratio; test; Sanhekou Dam

碾壓混凝土大壩作為三河口水利樞紐工程的主要建筑物，其混凝土的澆筑過程是影響工期和質量的重要環節。而三河口水利樞紐地處南北氣候分界區域特殊環境中，其碾壓混凝土大壩的澆筑施工存在一系列的問題和挑戰，如干硬性貧水泥混凝土運輸方式、拌制和入倉手段、碾壓時的錯振和漏振等[1]。這就要求在大壩碾壓混凝土施工過程中，必須保證碾壓混凝土自身的質量，對碾壓混凝土配合比進行優化，獲得滿足現場施工工藝和特殊環境要求的混凝土，并經過科學設計和選取施工組織措施，在二者合理配合的條件下完成壩體碾壓混凝土施工。碾壓混凝土配合比的確定是通過試驗研究，得到單位體積碾壓混凝土中各原材料用量，使混凝土的各項物理性能參數滿足相應的設計指標和施工工藝要求，其中碾壓混凝土配合比的優化是經過優化組合大壩碾壓混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、水等主要參數[2]，提高混凝土各項物理性能指標，在滿足相關設計文件和規范要求的條件下，保證混凝土質量，降低水泥用量，確定最終碾壓混凝土配合比。

筆者對三河口大壩

碾壓混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、水等原材料的配制、試調、優化進行了分析研究。

1?工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內距大河壩鎮上游3.8 km的子午河大峽谷，水庫總庫容為7.1億m3，調節庫容6.5億m3，壩體高度為141.5 m，居國內同類壩型第二，壩頂高程和寬度分別為646 m和9 m。在壩體高程588.0～646.0 m間設置三孔15 m×15 m溢流表孔;在壩體高程534.0～540.0 m間設置兩孔4 m×5 m底孔。大壩、消力塘及導流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8萬m3，其中碾壓混凝土約為90.68萬m3。該工程基礎層碾壓混凝土通倉澆筑面積大，混凝土基礎容許溫差約束應力與基礎塊混凝土尺寸成比例增加，碾壓混凝土拱壩大體積混凝土施工過程溫控難度大、要求高。

2?原材料試驗

2.1?水?泥

水泥選用陜西堯柏水泥廠生產的普通硅酸鹽P.O42.5水泥，其物理力學性能參數、化學試驗測試成果都滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）標準，具體值見表1、表2。

2.2?粉煤灰

粉煤灰選用陜西華西電力有限公司生產的F類分選Ⅱ級粉煤灰，參數見表3。

2.3?骨?料

細骨料采用人工砂外摻原狀砂石粉與砂混合構成，在生產過程中可把石粉含量控制在13.5%～17.6%之間，粉煤灰代替砂量的4%進行大壩碾壓混凝土配合比試驗，滿足相關配合比試驗規程要求。粗骨料采用三河口柳木溝砂石加工系統生產的花崗巖碎石，在對骨料篩分后進行配合比試驗時，超遜徑按零考慮，粗骨料各項性能檢測結果都在相關規范要求的范圍內。

2.4?外加劑

碾壓混凝土的質量、耐久性等一系列的性能對拌和過程中添加的外加劑質量和水泥品種的適應性起到關鍵作用，三河口水利樞紐大壩混凝土配合比試驗采用的外加劑為山西康力公司生產的萘系高效減水劑KLN-3、引氣劑KLAE，配制的混凝土各項指標經現場試驗均滿足《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）規定。

3?配合比中各參數優選試驗

碾壓混凝土配合比試驗參數主要有水膠比、單位用水量、砂率、粉煤灰添加量等，這些參數對混凝土各項物理特性有著直接的影響[3]。在滿足相關設計文件和規范要求的條件下，碾壓混凝土二、三級配試驗的水膠比取0.45、粉煤灰摻量分別取50%和55%、KLN-3減水劑摻量1.0%、KLAE引氣劑摻量分別取0.15%和0.12%、用水量分別取97 kg/m3和86 kg/m3。通過對這些參數進行優化選擇，達到工程建設中節省成本的目的。

3.1?骨料級配選擇

從抗分離性、均勻性等碾壓混凝土自身的特性方面分析，試驗過程中采取的二級配骨料中、小石之間的比例為45∶55，三級配骨料大、中、小石之間的比例為30∶40∶30。

3.2?最優砂率選擇

配合比中的砂率關系到混凝土的單位用水量、和易性及凝固后各項物理特征，所以經過試驗選取最優砂率后，試樣會有較好的泛漿效果、最小的單位用水量等優良特征。在確定水膠比、粉煤灰添加量、單位用水量的條件下進行砂率最優選取試驗，試驗過程中不斷改變砂率值，通過對試樣在規定振動頻率、振幅及表面壓強下，振至表面泛漿所需的時間VC值進行全面評定，得到相應最優砂率[5]。

試驗結果表明：當水膠比為0.45時，碾壓混凝土三級配砂率為33%時出機VC值最小，二級配砂率為37%時出機VC值最小，碾壓混凝土砂率與VC值關系曲線見圖1。

3.3?單位用水量和VC值的變化規律

在確定水膠比、粉煤灰摻量、砂率的條件下通過試驗選取最優單位用水量[4-5]，在試驗過程中經過對單位用水量的改變，觀測VC值的變化特點。

試驗結果表明：在碾壓混凝土水膠比、砂率、級配確定的情況下，VC值每增大1 s，用水量相應減小1.5～2.0 kg/m3。碾壓混凝土單位用水量與VC值的關系曲線見圖2。

3.4?水膠比與抗壓強度的關系

確定用水量和砂率，選取恰當的水膠比、粉煤灰添加量，開展水膠比和抗壓強度變化規律試驗，能夠為碾壓混凝土配合比的設計起到一定的參考作用。

試驗結果表明：不同粉煤灰摻量條件下，碾壓混凝土水膠比與抗壓強度有較好的相關性。碾壓混凝土水膠比與抗壓強度的關系見圖3。

3.5?抗壓強度發展系數

粉煤灰摻量不同的同齡期混凝土抗壓強度發展系數存在差異。把混凝土齡期28 d的抗壓強度作為標準值，得到各齡期抗壓強度發展系數，見表4。

3.6?最優石粉含量的選擇

人工骨料中石粉含量關系到碾壓混凝土的各項物理性能，合理的石粉含量直接關系到碾壓混凝土的均勻、抗分離、易密等特性，最優石粉含量的選擇是在配合比中水膠比、砂率、粉煤灰摻量固定的條件下，經過石粉含量的改變，對試樣的和易性、VC值進行對比，以便最終選取石粉含量，在具體試驗過程中通過添加花崗巖石粉取代一定量的人工砂來改變石粉含量。

試驗結果表明：砂石骨料中石粉含量達18%時，混凝土試樣的觀感、骨料包裹狀態逐步變好。通過試驗得到VC值后，從容器中取出的拌和物試樣表面密實、光滑，同時漿體特別充足，在不斷增大石粉含量時，試樣的黏聚性不斷增強，相應混凝土中物質的總表面積也在不斷增大。人工砂石粉含量每增加1%，碾壓混凝土用水量相應增加約1 kg/m3。石粉含量為16%時抗壓強度最高，但和易性較差;石粉含量為18%時的抗壓強度比石粉含量為16%時的稍低，但碾壓混凝土拌和物性能較好。綜上所述，配合比試驗選擇的人工砂中石粉含量選擇16%～18%比較合理。

3.7?優化后的配合比

通過對三河口水利樞紐碾壓混凝土試驗參數選取開展試驗，經計算分析，優化后的配合比見表5。

4?碾壓混凝土性能試驗及碾壓效果

4.1?性能試驗結果

經過配合比試驗優化后碾壓混凝土容重、凝結時間、含氣量、VC值、抗壓強度及抗滲和抗凍等性能見表6。可以看出，優化后混凝土的各項指標均能達到設計要求。

4.2?現場施工碾壓效果

三河口水利樞紐大壩施工過程采用振動碾進行碾壓，振動碾在碾壓過程中的行走速度為1.25 km/h，每個碾壓層厚0.3 m，先2遍靜碾進行封閉，再進行6遍振動碾壓，對倉面壓實后，試驗人員在監理工程師的監督下采用核子密度進行實際密度現場測定，結果見表7。可見，經過碾壓混凝土的配合比參數優化后倉面混凝土碾壓性能較好，碾壓層表層的泛漿效果、密實度等質量特性有了很大改變，各點位所測壓實度都達到了設計要求且分布均勻。

5?結?語

本次試驗為三河口大壩碾壓混凝土配合比參數的選擇提供了合理的依據，也為引漢濟渭黃金峽碾壓混凝土大壩配合比參數的優選起到借鑒作用。碾壓混凝土配合比的水膠比、砂率、單位用水量以及粉煤灰摻量等參數與混凝土的各項物理性能指標之間有著密切的關系，經過優化組合大壩碾壓混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等參數，使混凝土質量得到了保證，降低了水泥用量，達到了工程建設中節省成本的目的。

參考文獻：

[1]?王澤秀.碾壓混凝土配合比參數的優選研究[J].水科學與工程技術，2007，48（1）：21-23.

[2]?孔佑鵬，周學友，何延平.淺談官地水電站碾壓壩混凝土配合比參數應用[J].中國西部科技，2011，24（12）：87-89.

[3]?郭紅偉，高真奎.官地水電站碾壓混凝土配合比試驗研究[J].水利水電施工，2012，35（7）：123-125.

[4]?朱大勇.白蓮崖碾壓混凝土拱壩施工的溫控措施[J].安徽水利水電職業技術學院學報，2011，49（11）：57-59.

[5]?汪永劍，丁仕輝，謝祥明.大摻量高鈣粉煤灰碾壓混凝土配合比試驗研究[J].人民長江，2008，32（8）：167-169.

【責任編輯?張華巖】