膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)應(yīng)用探究

張永利

（大同市十里河水利管理處，山西 大同 037000）

1 概述

膠結(jié)顆粒料壩是我國基于國內(nèi)外實(shí)踐提出的新型筑壩方式，即通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和便捷的施工工藝將不受傳統(tǒng)級配限制的砂礫料、塊石、堆石等顆粒料用較少的水泥、砂漿、自密實(shí)混凝土等膠結(jié)起來進(jìn)行筑壩。其特點(diǎn)是充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，根?jù)不同的材料特性通過合理選擇壩型、調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)與分區(qū)以滿足筑壩的要求，在壩基適應(yīng)性、壩型選擇、結(jié)構(gòu)分區(qū)中具有工程安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷、生態(tài)環(huán)保等諸多優(yōu)勢。

膠結(jié)顆粒料是指利用水泥、摻合料、砂漿、混凝土等膠結(jié)材料，將砂礫石或堆石膠結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的材料，包括膠凝砂礫石、堆石混凝土等。膠結(jié)顆粒料壩既不同于土石壩或堆石壩，也不同于碾壓混凝土壩或混凝土壩，屬于從散粒材料壩到混凝土壩（碾壓混凝土壩）之間的過渡壩型，包括膠凝砂礫石壩、堆石混凝土壩等，在我國水利水電工程中得到了初步應(yīng)用。

王千莊水庫位于渾源縣城東5 km、渾河支流王千莊峪內(nèi)，2014年9月1日開工建設(shè)。設(shè)計(jì)庫容378萬m3，最大壩高64.5 m，屬小（一）型工程，河道自然縱坡25.3‰。大壩為堆石混凝土重力壩，采用C25F300W 6自密實(shí)混凝土澆筑。堆石混凝土是利用高自密實(shí)性能混凝土填注堆石體的空隙，形成完整、密實(shí)、具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度的大體積混凝土。

王千莊水庫工程所在地水文和地質(zhì)資料少、施工和管理水平薄弱，河道縱坡陡、來水流速大，工程采用堆石混凝土壩。與土石壩相比，施工工藝和質(zhì)量相對容易達(dá)到，具有一定的抗沖刷和洪水漫頂能力，可提高壩體抵御洪水風(fēng)險(xiǎn)的能力；與混凝土壩相比，具有能夠充分利用當(dāng)?shù)夭牧稀⒐橇?，制備過程大為簡化，節(jié)省工程投資。

2 堆石混凝土原材料

2.1 堆石料

堆石料應(yīng)新鮮、完整、質(zhì)地堅(jiān)硬，粒徑不小于300 mm，最大粒徑不超過結(jié)構(gòu)斷面最小邊長的1/4。堆石料最小粒徑應(yīng)保證堆石之間具有一定的空隙，如果粒徑過小，會導(dǎo)致形成一些小的堆石空隙，影響高自密實(shí)性能混凝土的充填密實(shí)度，從而影響堆石混凝土的性能。對最大粒徑一般以不影響結(jié)構(gòu)物的均勻性為原則，同時(shí)兼顧方便搬運(yùn)，對大壩主體、基礎(chǔ)回填等大體積部位，最大粒徑通常不受結(jié)構(gòu)尺寸的影響。

堆石料的飽和抗壓強(qiáng)度不低于30 MPa，為保證堆石混凝土具有更高的安全系數(shù)，堆石料的飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為堆石混凝土抗壓強(qiáng)度等級的2倍。堆石料的含泥量不超過0.5%。

2.2 高自密實(shí)性能混凝土骨料

高自密實(shí)性能混凝土骨料除應(yīng)滿足普通混凝土的要求外，還應(yīng)滿足如下要求：

第一，粗骨料粒徑小于20 mm，宜為良好的連續(xù)粒級配或2個(gè)單粒徑級配。由于高自密實(shí)性能混凝土用于填充堆石空隙，其骨料粒徑不宜過大，否則將影響拌合物的堆石空隙通過性。級配良好的骨料有利于提高混凝土拌合物的黏聚性，防止離析；采用2個(gè)單粒級配骨料通常比連續(xù)級配骨料更容易實(shí)現(xiàn)高自密實(shí)性能。

第二，粗骨料針片狀顆粒含量不超過8%。針片狀顆粒含量高，將使石子的孔隙率增大，從而導(dǎo)致所需砂漿量增大，對高自密實(shí)性能產(chǎn)生不良影響，并對強(qiáng)度和耐久性造成負(fù)面影響。

第三，對細(xì)骨料中的石粉含量無須進(jìn)行控制。大量工程表明，細(xì)骨料中含有0.08 mm以下的石粉可作為惰性摻合料用于高自密實(shí)性能混凝土，能夠部分或全部取代粉煤灰等礦物摻合料，摻入石粉的高自密實(shí)性能混凝土工作性能和硬化性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并可有效降低堆石混凝土的膠凝材料用量，從而優(yōu)化材料成本。

第四，細(xì)骨料選用中砂和中粗砂。細(xì)砂骨料表面積較大，會增大拌合物的需求量，對拌合物會產(chǎn)生不利影響；粗砂則會降低混凝土拌合物的黏聚性。

2.3 水泥

硅酸鹽系列水泥均可用于高自密實(shí)性能混凝土。當(dāng)高自密實(shí)性能混凝土配合比中摻入粉煤灰等礦物摻合料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用硅酸鹽、中熱或低熱硅酸鹽水泥。因礦物摻合料需與硅酸鹽水泥的水化物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)才能發(fā)揮膠凝作用，在礦物復(fù)合型水泥中加入礦物摻合料不利于礦物摻合料的活性發(fā)揮，甚至引發(fā)混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢等問題。

高自密實(shí)性能混凝土不應(yīng)使用快凝水泥，如鋁酸鹽、硫鋁酸鹽水泥等，因這類水泥配制的混凝土拌合物流動(dòng)性損失很快，無法滿足高自密實(shí)性能的要求。

2.4 摻合料

高自密實(shí)性能混凝土所需粉體數(shù)量較多，全部使用水泥不僅經(jīng)濟(jì)性差，而且會導(dǎo)致堆石混凝土水化熱過高，因此應(yīng)在確保強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)試配試驗(yàn)充分使用摻合料，包括活性摻合料和惰性摻合料。

高自密實(shí)性能混凝土中宜采用Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰。品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰可改善混凝土的工作性，降低拌合物流動(dòng)性經(jīng)時(shí)的損失率，并提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。Ⅲ級粉煤灰需水量比、燒失量等品質(zhì)較差，不利于改善混凝土拌合物的工作性。

?；郀t礦渣粉需水量較小，可改善混凝土的工作性，也有利于提高混凝土的后期強(qiáng)度及耐久性，所以適于配制高自密實(shí)性能混凝土。

在高自密實(shí)性能混凝土中使用沸石粉可以提高黏聚性、保水性；硅灰可以改善混凝土拌合物的黏聚性及流變性，并可顯著提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，適宜于配制強(qiáng)度等級較高的高自密實(shí)性能混凝土。

高自密實(shí)性能混凝土可采用惰性摻合料（如石英粉、石灰石粉等）來增加粉體含量，并抑制水化放熱量和放熱速度，同時(shí)保證混凝土所需的工作性能。

2.5 外加劑

高自密實(shí)性能混凝土所用外加劑應(yīng)考慮與水泥的相容性，在施工前通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)二者的相容性，以保證施工質(zhì)量和施工速度。

高自密實(shí)性能混凝土具有較大的流動(dòng)性和良好的黏聚性，不僅要求減水率高、抗離析性好，還應(yīng)具有流動(dòng)性能保持時(shí)間長、不影響早期強(qiáng)度等特點(diǎn)。其自密實(shí)性能的實(shí)現(xiàn)主要依賴與以聚羥酸鹽高分子為主要原料的高性能減水劑，通常需要根據(jù)工程所用的膠凝材料特性進(jìn)行多組分復(fù)配。用于堆石混凝土的減水劑不僅具有優(yōu)越的減水性能，還應(yīng)有助于自密實(shí)混凝土流體化形成均勻、穩(wěn)定的體系，使得不同尺度的顆粒能夠懸浮其中，同時(shí)還具備持續(xù)打破絮凝而不影響膠凝材料凝結(jié)時(shí)間的特點(diǎn)。

由于速凝劑或促凝類外加劑加快混凝土的凝結(jié)硬化，可使混凝土拌合物在短時(shí)間內(nèi)傷失流動(dòng)性，致使無法實(shí)現(xiàn)自密實(shí)性能，故此類外加劑不適合于高自密實(shí)性能混凝土。

早強(qiáng)劑或早強(qiáng)型外加劑也會使混凝土拌合物坍落度損失加快，不利于高自密實(shí)性能混凝土，選用此類外加劑時(shí)應(yīng)確保外加劑不會明顯加快混凝土的凝結(jié)硬化而影響施工。

3 堆石混凝土施工過程

堆石施工宜采用挖掘機(jī)平倉，分層厚度最大不超過2.0 m；堆石體外露面所含有的粒徑小于200 mm的塊石數(shù)量不應(yīng)超過10塊/m2，且不應(yīng)集中。

堆石宜采用自卸車直接運(yùn)輸入倉，也可采用吊車、纜車等方式入倉。入倉堆石要嚴(yán)格控制含泥量，入倉前對塊石進(jìn)行沖洗，入倉道路上應(yīng)設(shè)置沖洗臺，對車輪進(jìn)行沖洗。

高自密實(shí)性能混凝土的運(yùn)輸應(yīng)使用混凝土攪拌車，其拌和樓與澆筑倉水平距離小于300 m時(shí)，可以采用泵送的方式入倉。混凝土的運(yùn)輸應(yīng)保證堆石混凝土施工的連續(xù)性。

高自密實(shí)性能混凝土澆注中原則上無需振搗，為消除混凝土表面氣泡和加強(qiáng)流動(dòng)速度，對表面外觀有較高要求的部位可對模板進(jìn)行敲打。采用泵送混凝土?xí)r，當(dāng)因停泵時(shí)間過長，混凝土達(dá)不到要求的工作性能時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除泵及泵管內(nèi)混凝土，重新配制。如停泵時(shí)間過長，采用打循環(huán)的辦法防止堵泵。

高自密實(shí)性能混凝土澆注點(diǎn)均勻布置，間距不超過3.0 m。澆注過程遵循單向逐點(diǎn)的原則，每個(gè)澆注點(diǎn)澆滿后方可移至下一點(diǎn)，澆注點(diǎn)不應(yīng)重復(fù)使用。澆注時(shí)的最大自由下落高度不超過5.0 m。

堆石混凝土收倉時(shí)，高自密實(shí)性能混凝土澆注面要使適量塊石高出澆注面50～150 mm，其澆注面無需進(jìn)行人工整平，以加強(qiáng)層面結(jié)合。有防滲要求的堆石混凝土，施工水平縫應(yīng)進(jìn)行鑿毛或沖毛處理。

堆石混凝土的雨季施工要采取有效的防雨措施，冬季施工要采取有效的保溫措施；拆模后的堆石混凝土采取薄膜覆蓋、灑水等養(yǎng)護(hù)措施，以防止混凝土終凝前失水造成早期收縮裂縫，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d。

4 堆石混凝土質(zhì)量控制

堆石混凝土所使用的粗細(xì)骨料、水泥、摻合料、外加劑等原材料及中間產(chǎn)品，在進(jìn)場或使用前嚴(yán)格按照規(guī)范要求的檢測項(xiàng)目、頻次和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽檢，嚴(yán)禁使用不合格的產(chǎn)品。

高自密實(shí)性能混凝土的工作性能檢測，即拌合物的坍落度、坍落擴(kuò)展度、V型漏斗通過時(shí)間等，每4 h檢測不小于1次，其性能指標(biāo)分別為：坍落度260～280 mm，坍落擴(kuò)展度650～750 mm，Ⅴ型漏斗通過時(shí)間7～25 s，自密實(shí)性能穩(wěn)定性不小于1 h。

堆石混凝土的澆筑質(zhì)量通過孔內(nèi)電視檢測、孔內(nèi)聲波檢測、挖坑法等方法綜合評價(jià)。

堆石混凝土抗壓強(qiáng)度等級按90 d齡期高自密實(shí)性能混凝土80%保證率的150 mm立方體抗壓強(qiáng)度來確定。其強(qiáng)度檢驗(yàn)與評定采用鉆孔取芯的方法，芯樣直徑不小于200 mm。

堆石混凝土的抗?jié)B性采用鉆孔壓水試驗(yàn)進(jìn)行檢測，當(dāng)透水率高于3 Lu時(shí)，需進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理。

5 結(jié)語

膠結(jié)顆粒料筑壩在我國水利水電工程中尚未大面積推廣。目前王千莊水庫堆石混凝土工程正處于施工階段，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格要求，努力準(zhǔn)確掌握各種原始數(shù)據(jù)，不斷探索研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)的不斷完善和發(fā)展提供可靠依據(jù)。