北疆某碾压混凝土坝施工配合比中掺合料的试验研究.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 1 i期 北疆 某碾压 混凝土坝施工配合 比中 掺合料的试验研究 孙根 民 ，徐进 忠 ( 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘 要：针对北疆某碾压混凝土重力坝施工 ，通过对混凝土配合比设计 中掺加粉煤灰和石粉后力学性 能、热学性能及变形性能的试验研 究，提 出在不 同条件下碾压混凝土配合比设计 中掺合材料的选择和 运用，以提高碾压混凝土 自身的温控防裂性能，取得 良好的施工效果。 关键词 ：碾压混凝土坝 ；大坝施工；混凝土配合比；掺合料 ； 试验研究；新疆 中图分类号 ：T V 4 3 ( 2 4 5 ) 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 7 9 0 3 E x p e r i me n t a l s t u d y o n mi x t u r e s i n c o n c r e t e mi x i n g r a t i o f o r c o n s t r u c t i o n o f a RC C d a m i n N o r t h Xi n j i a n g S U N Ge n mi n，XU J i n z h o n g ( X i n j i a n g I r t y s h R i v e r B a s i n D e v e l o p m e n t A d m i n i s t r a t i v e B u r e a u ， U r t i m c h i 8 3 0 0 0 0 ，X i n j i a n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：S o f a r a s t h e c o n s t r u c t i o n o f a R C C g r a v i t y d a m i n N o r t h X i n j i a n g i s c o n c e r n e d ， t h e s e l e c t i o n a n d u s e o f t h e m i x t u r e s i n t h e mi x i n g r a t i o s o f t h e r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c o n s t ru c t i o n c o n d i t i o n s a r e p u t f o r w ard t h r o u g h t h e e x p e r i me n t a l s t u d y ma d e o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y， t h e r ma l b e h a v i o r a n d d e f o rm a t i o n p e r f o r ma n c e o f t h e c o n c r e t e a f t e r mi x i n g fl y a s h a n d r o c k p o w d e r i n t o t h e mi x i n g r a t i o，S O a s t o i mp r o v e t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d a n t i - c r a c k i n g p e r f o rm a n c e s o f t h e c o n c r e t e i t s e l f ， a n d t h e n g e t a b e t t e r c o n s t ruc t i o n e f f e c t Ke y w o r d s ： R C C d a m； d a m c o n s t r u c t i o n ；c o n c r e t e m i x i n g r a t i o ； mi x t u r e ； e x p e r i me n t al s t u d y ；X i n j i a n g 1 引言 碾压混凝土筑坝技术是在 2 0世纪 7 0年代开始研 究应用的。碾压混凝 土与常态混凝土 的主要施 工条 件 、拌和设备及施工程序基本相同，但改变了混凝土 的配合 比和施工工艺 ，它采用土石坝常用的施工设备 运输 、铺筑及碾压 ，是在强力振动和碾压的共同作用 下成形 的一种干硬性混凝土。与土石坝相 比，碾压混 凝土坝具有体积小、强度高、防渗性能好的优点。与 常态混凝土相 比，碾压混凝土具有施工工序简单 ，碾 压机械可进行全断面通仓碾压 、连续上升 、快速施工 的特点 。因此 ，这种筑坝技术得到了广泛采用。 为满足碾压混凝土力学性能 、热学性能 、变形 、 耐久性及施工可碾性等各类指标要求 ，在碾压混凝土 中都加入了一定数量的掺合材料。掺合材料主要有粉 煤灰 、石粉 ( 或矿粉 ) 等 ，以及为满足缓凝性和耐久 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e r i n g Vo 1 4 2No I ， 性要求掺加的缓凝剂和引气剂。北疆某碾压混凝土重 力坝地处我国西北地区 ，属大陆性寒温带气候 ，其特 征是气候干燥 ，冬季长且严寒 ，四季温差悬殊。为满 足碾压混凝土的抗冻 、抗渗 、防裂 、耐久性及经济安 全等技术指标，对碾压混凝土的掺合料及配合比进行 了深入研究 ，本文着重对配合 比设计中掺合材料的优 选进行论述。 2 粉煤灰品质比选及掺量选择 碾压混 凝 土 中粉煤 灰 与水 泥 之 和一 般 控制 在 1 5 0 k g m 。 左右，其中粉煤灰的掺量可占总胶凝材料 的3 0 7 0 。由于高等级粉煤灰中含有较大量的 圆珠形玻璃晶体，对混凝土有改性作用，混凝土的施 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 8 一 O 1 作者简介：孙根民( 1 9 6 6 一) ，男，高级工程师，副处长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙根民， 等北疆某碾压混凝土坝施工配合比中掺合料的试验研究 工性能可得到较大 的改善 ，还可提 高混凝土的抗冻 性 、抗渗性 、抗裂性等耐久性综合性指标 ，所以碾压 混凝土中应掺人优质粉煤灰 ，粉煤灰品质应在 级 以 上。由于不 同品质 的粉煤灰活性及需水 量都不尽相 同，其在混凝土拌和物中的含量需试验后确定。 2 1 粉煤灰的选择 北疆某工程碾压混凝土坝选用 了两家电厂的粉煤 灰 ，其中玛纳斯电厂的粉煤灰品质指标达到了 水工 混凝土掺用粉煤灰技术规范 ( D I JT 5 0 5 5 _ _ 9 6 )I级 粉煤灰标准 ，独山子电厂的粉煤灰需用水量为 9 6 ， 烧失量为 6 3 8 ，未达到 I 级粉煤灰指标要求 ，但 S 0 含量低 ，属于品质较好 的 级粉煤灰。因此 ，这 两家电厂的粉煤灰均可用于本T程碾压混凝土。由于 玛纳斯电厂的粉煤灰优于独 山子电厂的粉煤灰 ，可优 先使用在抗冻和抗渗要求高的部位 ( 见表 1 ) 。 表 1 粉煤灰 品质检验 结果 密度 细度 需水量 烧失 禽水 S O 3 2 8 d 粉煤版来源 g c m 比 壁 量 强度 比 玛纳斯电厂 2 3 8 7 7 9 4 0 1 8 5 0 1 3 1 O 3 9 2 5 独 山子电厂 2 3 2 9 3 9 6 O 6 3 8 O 2 7 O 9 3 9 3 O D T 5 O 5 5 9 6 I 级标准 l 2 9 5 5 l 3 D L 5 0 5 5 9 6级标准 2 5 1 0 5 8 l 3 _ 2 2 粉煤灰含量对混凝土发热量的影响 在水泥及不同粉煤灰掺量下的胶凝材料水化热试 验成果表明，掺入粉煤灰后胶凝材料的水化热降低 ， 且掺量越高水化热降低越 多，但水化热的降低率低于 粉煤灰的取代率 ，而且中热硅酸盐水泥和高抗硫水泥 的水化热比普通硅酸盐水泥的水化热要低 ，粉煤灰水 化热试验结果见表 2 。 表 2粉煤灰水化热试 验结果 水泥水化热 k J k g ( 水化热 降低率 ) 粉煤灰 掺量 3 d普 3 d中 3 d高 7 d普 7 d申 7 d高 通水泥 热水泥 抗水 泥 通水泥 热水泥 抗水泥 _ 2 3 9 1 9 9 2l 3 2 8 8 2 4 7 2 6 0 3 0 1 9 1 ( 2 0) 1 8 2( 1 5 ) 2 2 2 ( 2 3 ) 2 2 4( 1 4 ) 4 0 1 7 7 ( 2 6 1 1 5 7 ( 2 1 ) 】 7 2( 1 9 1 2 0 4 f 2 91 1 8 1 f 2 71 2 0 1 ( 2 3 ) 5 O l 6 1 ( 3 3 ) 】 4 6 ( 2 7 ) 1 9 0 ( 3 4) 1 7 3 ( 3 0) 6 0 1 3 8 ( 4 2 ) 1 3 0 ( 3 5 ) 1 6 7 ( 4 2 ) 1 5 3 ( 3 8 ) 2 3 粉煤灰含量对混凝土强度的影响 通过对不同粉煤灰掺量 、不同水胶 比、固定值石 粉掺量( 1 6 ) 、固定值缓凝高效减水剂及引气剂的 配比试验研究 ，可得出以下结论 ：在碾压混凝土中掺 入粉煤灰 ，早期强度较低 ，且发展较慢 ，但后期强度 8 0 增长率较大 ；在相同的水胶比下，碾压混凝土抗压强 度随粉煤灰掺量的增加而降低 ，在相 同的粉煤灰掺量 下 ，碾压混凝土抗压强度随水胶 比的增大而减小 。试 验结果见表 3 。 表 3 粉煤灰强度试验结果 水胶 粉煤 抗压强度 劈 强度 抗抟强度 极限拉伸 弹性 编 号 灰掺 MP a M P a MI a 值 1 0 模 量 比 ( , P a 量 7 d 2 8 d 9 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d 2 8 【 1 9 0 t 1 2 8 d 9 0 d 2 8 J XK 2 5 3 0 2 o 2 2 6 9 3 7 2 1 7 6 2 2 9 2 7 9 2 2 l 2 9 6 9 2 9 9 2 5 0 XK 2 6 0 5 5 4 5 1 8 7 2 7 9 3 6 9 1 4 0 2 1 0 2 6 7 2 2 8 6 8 4 8 6 2 5 4 XK 2 7 6 0 1 7 0 2 5 8 3 5 O 1 3 6 2 1 0 2 6 0 2 o 8 2 6 5 8 4 8 5 2 5 9 XK 2 8 3 0 2 4 2 3 2 9 4 0 9 2 o o 2 5 4 3 o O 2 3 O 3 2 7 9 7 9 9 2 6 9 XK 2 9 n 5 0 4 5 2 2 O 3 2 1 3 9 6 1 6 8 2 3 8 2 8 9 2 2 3 3 O1 9 3 9 4 2 4 1 XK 3 0 6 0 1 9 9 3 1 6 3 8 9 1 4 8 2 2 6 2 7 4 2 o 8 2 9 0 9 2 9 3 2 4 2 XK 3 1 3 0 2 5 6 3 5 2 0 5 2 6 4 3 2 o 2 3 9 3 4 6 1 o 2 l l 0 2 5 4 XK 3 2 4 5 4 5 2 3 0 3 3 4 4 2 9 1 8 3 2 4 6 2 9 7 2 2 7 3 2 7 9 l l o 8 2 5 4 XK 3 3 6 0 2 1 5 3 2 8 4 1 0 1 5 2 2 2 8 2 8 7 2 2 4 3 1 3 8 4 l 0 5 2 4 7 XK 3 4 3 0 2 8 7 3 6 1 4 8 6 2 2 4 2 8 5 3 3 3 2 5 5 3 7 0 1 0 6 l 2 5 2 l XK 3 5 0 4 0 4 5 2 5 9 3 4 9 4 5 2 1 9 0 2 6 0 3 2 7 2 4 0 3 5 6 9 9 】 2 ( 】 2 6 8 XK 3 6 6 0 2 2 3 3 4 1 4 3 8 】 8 l 2 7 7 3 3 o 2 3 8 3 4 3 9 3 1 2 0 2 5 9 碾 混凝土 2 8 d的抗渗性能均能满足 W1 0的等 级要求 ，试验渗水高度随粉煤灰掺量降低而降低，抗 渗性能随着龄期的增 长将有进一步提高。试验结果见 表 4 。 表 4抗渗性 能试 验结 果 粉煤灰 试验压力 渗水高度 编号 水胶 比 级配 抗渗等级 掺量 MP a XKl 6 O 5 5 W 1 0 XK2 O 5 5 5 0 1 1 4 6 W l 0 XK 3 4 0 4 l W 1 0 XK 4 6 O 4 5 W 1 0 XK 5 O 5 O 5 0 1 1 2 8 W 1 0 XK 6 40 2 5 W 1 0 XK 7 6 O 2 8 W l 0 XK8 0 4 5 5 0 1 1 2 5 W 1 0 XK 9 40 2 4 W 】 O 在不同粉煤灰掺量下 ，含气量大于 3 ，碾压混 凝土均可满足抗冻等级 F 5 0的设计要求 ，含气量大于 4 ，水胶 比小于 0 5 0的碾压混凝土可满足抗冻等级 F 3 0 0的设计要求。试验结果见表 5 。 3 对石粉掺量的研究 所谓石粉 ，就是人工砂中含有的细微颗粒 ，不同 国家对石粉的定义也差别。我国对石粉的定义为人工 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 U 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5 抗冻性能试验结果 孙根民， 等北疆某碾压混凝土坝施工配合比中掺合料的试验研究 各冻融次数质量损失 各冻融次数相对动弹模量 编号 水胶 比 粉煤灰 级配 含气量 抗冻等级 5 O次 1 0 0次 2 0 0次 3 0 0次 5 0次 1 0 0次 2 0 0次 3 0 0次 XK1 1 6 O 3 2 0 3 1 2 9 0 6 8 5 O 1 7 1 O 0 XKl 2 O 5 5 5 0 3 2 0 2 0 9 9 3 8 9 2 9 F1 0 0 XKl 3 4 0 3 8 0 1 O 5 9 4 5 9 3 4 F1 o o XK1 4 6 0 4 5 O 0 O 3 9 7 6 9 5 9 91 6 F 2 0 0 XK1 5 0 4 5 5 0 4 3 0 O 1 O 9 7 9 9 6 0 9 2 2 F 2 0 O XK1 6 4 0 5 2 0 O 0 3 9 7 3 9 6 0 9 3 9 F 2 O O XK1 7 6 0 4 3 0 0 O 3 1 3 9 7 3 9 5 4 9 3 9 81 9 F 3 0 0 XK1 8 O 5 5 5 0 4 2 0 O 1 0 2 5 9 5 7 9 4 3 91 5 7 8 9 F 3 O O XKl 9 4 0 5 6 0 0 2 0 8 2 4 9 6 7 9 6 6 9 6 5 9 0 0 F3 0 0 砂中，颗粒小于 0 。 1 6 mm的细颗粒。石粉含 量以石粉 占粗骨料、细骨料质量的百分数 ， 或以石粉占人工砂质量的百分数来表示 。 石粉作为砂 中的微细颗粒 ，对碾压混凝 土的性能有重要作用 。由于碾压混凝土的用 水量 和胶 凝材料 较小 ，而 石粉 的细度 与水 泥 、粉煤灰相当，可共同发挥包裹和充填作 用。经研究及工程实践表明，适 当增加石粉 含量，相当于增加胶凝材料浆体 ，能在一定 表 7 配合比试验基本参数 配合 比参数 级 使用部位 混凝土等级 水胶 砂率 减水 引气 水泥 粉煤 石粉 配 比 ， 剂 剂 灰 大坝底部 R 9 0 2 0 F 1 0 0 W8 0 4 5 3 2 O 8 5 O O 8 7 0 3 0 6 迎水面上部 R1 8 0 2 0 F 3 0 0 W1 0 0 4 5 3 5 0 8 5 0 1 2 6 O 4 0 4 高程 6 5 0 m以上内部 Rl 帅1 5 F 5 0 W4 O 5 6 3 2 0 8 0 0 0 4 3 8 6 2 8 高程 6 5 0 m以下内部 Rl 8 0 2 0 F 5 0 W4 0 5 3 3 2 O 8 O 0 0 4 3 8 6 2 8 背水面上部 R1 8 0 2 0 F 2 0 0 W6 0 4 5 3 2 0 8 0 O 1 0 5 0 5 0 6 程度上改善碾压混凝土拌和物的和易性 ，增进碾压混 凝土的均质性 、密实性及抗渗性 ，提高碾压混凝土的 强度和断裂韧性 ，改善碾压混凝土施工层面的胶结性 能。 我国 目前在建 的几个 百米级 的高坝 ，人工 砂 中 的石粉含量均控制在 2 2 以下 。北疆某工程对掺石 粉 的碾压混凝 土性能试验结果表 明：在保持混凝土 拌和物的 值和含气量在设计范围的前提下，石粉 含量每增加 4 ，需减少 0 5 一1 O 的砂率 。随 砂 中石粉含量的增加 ，碾压混凝土 的抗压强度先增 加后降低 ，并随石粉含量 的增加 ，碾压混 凝土 中灰 浆 砂浆 比增大 ，其抗 拉 强度 明显提 高 ，但 石 粉含 量过大时，灰粉浆体强度下降，碾压混凝土强度降 低 。该工程碾压 混凝 土石 粉 的掺 量不 宜超 过 1 6 ( 见表 6) 。 表6 不同石粉掺量试验结果 抗压强度 MP a 抗拉强度 MP a 编号 石粉掺量 级配 7 d 2 8 d 9 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d XS 0 一l O l 0 o 1 0 0 1 O 0 1 o o l o o 1 0 H0 XS1 8 1 0 9 1 0 4 1 0 8 l 1 0 l 1 3 1 0 9 XS 2 1 2 l O 2 9 6 1 0 4 1 0 9 1 l 6 1 l 5 Xs 3 1 6 l 1 O l O 6 1 0 1 1 0 6 l 1 6 1 o 4 XS 4 2 0 9 7 9 5 9 5 9 6 1 0 3 1 0 1 水利水电技术第4 2卷2 0 l 1年第 l 1 期 4 配合比基本参数的优选 该碾压混凝土重力坝因其建坝位置的特殊性 ，受 冷 、热 、风 、干等不利环境影响较大 ，如果采取的温 控防裂措施不 当，极易造成碾压混凝土表面裂缝 ，甚 至向深层发展。为此 ，建设单位与国内专业研究机构 合作 ，除采用常规的差 分法分析温度场及应力变化 外 ，还采用三维有限元法进行坝体温度控制分析 ，对 碾压混凝土的力学性能 、热学性能及变形性能进行试 验研究 ，提出并采取了一系列坝体温度控制及防裂具 体措施 ，并取得了良好的效果 。其中对碾压混凝土主 要原材料( 包括掺合材料 ) 的性质、配合 比的分析研 究是温控防裂措施一项重要内容，配合比试验基本参 数见表 7 。 ： l ： ： l ： ： l ： 木 由于碾压混凝土抗裂性能的主要指标为极限拉伸 值和抗拉强度 ，而碾压混凝土主要原材料性质 、配合 比及施工质量是影响碾压混凝土极限拉伸值各种因素 中的主要因素。因此 ，对碾压混凝土配合 比设计 中主 要原材料及掺合材料进行优选，是保证和提高碾压混 凝土极限拉伸值和抗拉强度，降低其弹性模量，保证 碾压混凝土坝质量和安全的重要保证。 ( 责任编辑欧阳越 ) 8 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m