天然砂石料碾壓混凝土配合比設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
——以奮斗水庫為例

許崇欣

(黑龍江省穆棱市奮斗水庫項目建設(shè)管理處，黑龍江 穆棱 157599)

天然砂石料碾壓混凝土配合比設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
——以奮斗水庫為例

許崇欣

(黑龍江省穆棱市奮斗水庫項目建設(shè)管理處，黑龍江 穆棱 157599)

黑龍江省穆棱市奮斗水庫工程所在地為北方嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土抗凍等耐久性能求高，碾壓混凝土配合比抗凍等級跨度大，從F50、F100至F300，混凝土設(shè)計要求也就更高，骨料采用天然砂石料，石粉含量極少且含泥量高，配合比設(shè)計帶來一定的難度。文章主要介紹大壩碾壓混凝土原材料檢測及配合比設(shè)計過程及混凝土性能結(jié)果。

奮斗水庫；碾壓混凝土；材料檢測；配合比設(shè)計

1 工程概況

奮斗水庫行政區(qū)劃屬于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮(zhèn)東南14.1km的穆棱河干流上游。水庫以城鎮(zhèn)供水為主，結(jié)合防洪，兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用任務(wù)。水庫為大(2)型，屬Ⅱ等工程。主要建筑物擋水壩段、泄水壩段、進(jìn)水口壩段、魚道過壩段為2級，導(dǎo)流洞封堵標(biāo)準(zhǔn)為2級：廠房、魚道壩進(jìn)、出水口、魚池及次要建筑物為3級，電站壩后式廠房為小(2)型，3級建筑物。導(dǎo)流建筑物為4級；進(jìn)場道路等級參照4級，壩下交通橋為大橋，汽車荷載等級為公路—Ⅱ級；壩肩邊坡為2級，電站廠房邊坡為3級。水庫正常蓄水位為382.00m，死水位為362.00m，裝機(jī)容量4.0MW，多年平均發(fā)電量1060×104kW·h。

奮斗水庫工程混凝土工程量共約277247m3，其中常態(tài)混凝土45426m3，碾壓及變態(tài)混凝土231821m3。本工程合同總工期36個月(2015年11月1日—2018年 10月31 日)。水庫大壩所在地區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)，外部和水位變化區(qū)混凝土抗凍性能要求高。碾壓混凝土配合比特點是抗凍等級跨度大，骨料采用開采至河床的天然砂石骨料，天然砂中石粉含量極少且含泥量大，混凝土配合比設(shè)計試驗工作量較大。

2 碾壓混凝土配合比設(shè)計等級、使用部位及技術(shù)要求

2.1 碾壓混凝土配合比設(shè)計等級、使用部位及技術(shù)要求

碾壓混凝土配合比強度等級、使用部位及技術(shù)要求見表1。

表1 碾壓混凝土技術(shù)要求

2.2 碾壓混凝土配制強度

配置強度計算公式采用：

fcu,o=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,o為混凝土的配制強度，MPa；fcu,k為混凝土設(shè)計齡期的強度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)，依據(jù)保證率P選定；σ為混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差。

碾壓混凝土配合比配制強度見表2。

表2 碾壓混凝土配合比配制強度

3 混凝土原材料品質(zhì)檢測

3.1 水泥品質(zhì)檢測

使用的水泥為牡丹江北方水泥有限公司生產(chǎn)的“牡丹江”牌P.MH42.5水泥，水泥密度3.16 g/cm3，比表面積300m2/kg，28d抗壓強度44.6 MPa，堿含量0.49%，氧化鎂含量2.00%，3d水化熱237 KJ/kg，7d水化熱270 KJ/kg，水泥所檢性能都滿足規(guī)范要求。

3.2 粉煤灰品質(zhì)檢測

粉煤灰采用大唐七臺河發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F類I級粉煤灰，密度2.22 g/cm3，細(xì)度6.6%，需水量比94%,燒失量3.21%，28天活性指數(shù)74%，CaO含量0.76%，粉煤灰質(zhì)量較優(yōu)，所檢測指標(biāo)都符合F類I級粉煤灰要求。

3.3 細(xì)骨料(天然砂)

本工程使用的細(xì)骨料為奮斗水庫庫區(qū)腰嶺子料場開采的混合料篩分的天然砂，送檢的原樣天然砂含泥量高達(dá)8.7%，且顆粒較粗，細(xì)度模數(shù)FM=3.13，不適合直接配制碾壓混凝土及進(jìn)行碾壓混凝土配合比試驗。在進(jìn)行配合比試驗前對原砂樣進(jìn)行處理，篩去部分粗顆粒(去掉5mm以上及約1/3的2.5mm以上的顆粒)，經(jīng)水洗去掉大部分泥土后脫水，并對加工處理后的天然砂進(jìn)行檢測并用于碾壓混凝土配合比試驗。

篩洗后天然砂細(xì)度模數(shù)為2.96，表觀密度2620kg/cm3,飽和面干密度2.57g/cm3，吸水率2.2%，云母含量0，細(xì)度模數(shù)2.96，屬中砂，含泥量2.6%，堅固性6.0%，堿骨料反應(yīng)膨脹率(14d砂漿棒快速測定)0.02%，骨料無堿活性。處理后的砂樣已檢項目符合規(guī)范要求，且采用粉煤灰替代部分天然砂后，砂的細(xì)度模數(shù)將進(jìn)一步降低，細(xì)骨料生產(chǎn)中應(yīng)保證砂的含泥量≤3%，細(xì)度模數(shù)控制在2.2-3.0。

3.4 粗骨料

本工程碾壓混凝土使用的粗骨料為奮斗水庫庫區(qū)腰嶺子料場開采的混合料沖洗篩分的天然卵石，共分3個粒級，粒徑分別為5-20mm、20-40mm、40-80mm。3個粒級表觀密度分別為2710kg/m3、2750kg/m3、2730kg/m3，面干密度分別為2.64 g/cm3、2.70 g/cm3、2.70g/cm3，面干吸水率分別為1.50%、1.06%、0.68%，骨料吸水率總體偏大，堅固性分別為8%、3%、0，小石堅固性偏大，組合后骨料堅固性滿足抗凍混凝土要求。堿骨料反應(yīng)膨脹率(14d砂漿棒快速測定)0.03%，骨料無堿活性。根據(jù)試驗?zāi)雺夯炷寥壟涔橇媳壤秊椋盒∈弥惺么笫?30∶40∶30，二級配骨料比例為：小石∶中石=40∶60[1]。

3.5 混凝土外加劑

碾壓混凝土減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的萘系SBTJM-II緩凝高效減水劑及高效引氣劑GYQ-I，摻用外加劑的混凝土物理、力學(xué)性能檢測結(jié)果見表5。

表5 摻用外加劑的混凝土物理、力學(xué)性能檢測結(jié)果

備注：基準(zhǔn)用水量200Kg，初凝時間為456min，終凝時間為648min，泌水率為8.8%，7d抗壓強度為16.9MPa,28d抗壓強度為28.1MPa。

4 碾壓混凝土配合比試驗

碾壓混凝土強調(diào)拌和物的黏聚性和施工的可碾性及層間結(jié)合，由于本工程碾壓混凝土細(xì)骨料采用天然砂，<0.16mm的細(xì)顆粒少，無法滿足碾壓混凝土拌和物的黏聚性及層間結(jié)合，故必須在天然砂中摻入部分粉煤灰以增加細(xì)骨料中的細(xì)顆粒含量。同時由于本工程碾壓混凝土配合比抗凍和抗?jié)B要求高且各不相同，碾壓混凝土所需的含氣量也各不相同，故通過確定二、三級配碾壓混凝土引氣劑摻量后再進(jìn)行各種性能試驗尤為重要。

4.1 天然砂中粉煤灰替代率的確定

根據(jù)篩除部分>2.5mm顆粒和沖洗后的天然砂細(xì)度模數(shù)仍較大，F(xiàn)M為2.96;結(jié)合國內(nèi)許多工程施工經(jīng)驗和本工程不同粉煤灰替砂率的碾壓混凝土拌和效果，確定天然砂細(xì)骨料中粉煤灰的替砂率(體積比)為10%。這樣細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)可降至2.71，適宜碾壓混凝土用砂。

4.2 碾壓混凝土引氣劑摻量確定

1)碾壓混凝土不同引氣劑摻量與含氣量關(guān)系,見表6。

2) 結(jié)合國內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗及本工程采用天然砂，使用部分粉煤灰替石粉，而三級配和二級配碾壓混凝土的摻灰量分別為55%和45%。根據(jù)試驗結(jié)果及規(guī)范要求，三級配C9015W4F50和C9015F50碾壓混凝土的引氣劑摻量為膠凝材料的0.06%，二級配C9020W6F100碾壓混凝土的引氣劑摻量0.08%，二級配C9025W6F300碾壓混凝土的引氣劑摻量0.16%。不同引氣劑摻量與含氣量關(guān)系見表6。

表6 碾壓混凝土不同引氣劑摻量與含氣量關(guān)系(減水劑摻量0.8%)

4.3 碾壓混凝土砂率與用水量確定

4.3.1 碾壓混凝土砂率確定

碾壓混凝土砂率與Vc值關(guān)系試驗結(jié)果見表7及圖1、圖2。

表7 碾壓混凝土砂率與Vc值關(guān)系

圖1碾壓混凝土砂率與Vc值關(guān)系圖(三級配)

圖2碾壓混凝土砂率與Vc值關(guān)系圖(二級配)

由表7可知：

1)三級配碾壓混凝土，當(dāng)用水量為82kg/m3,砂率為32%時，VC值最??；二級配碾壓混凝土，當(dāng)用水量為90kg/m3,砂率為36%時，VC值最小。

2)為了保證現(xiàn)場碾壓混凝土可碾性，在上述最佳砂率的基礎(chǔ)上分別增加1%，即三級配碾壓混凝土砂率為33%，二級配碾壓混凝土的砂率為37%[2]。

4.3.2 碾壓混凝土用水量確定

碾壓混凝土用水量與Vc值關(guān)系試驗結(jié)果見表8。

表8 碾壓混凝土用水量確定

由表8可知：為了保證二、三級配碾壓混凝土VC值在2-5S范圍內(nèi)，確定三級配碾壓混凝土用水量為84 kg/m3,二級配碾壓混凝土用水為92 kg/m3。

4.4 碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失測定

4.4.1 碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失檢測結(jié)果

4.4.2 碾壓混凝土Vc值經(jīng)時損失測定結(jié)果分析

由圖3-6可知：

1)三級配和二級配碾壓混凝土在環(huán)境溫度為21℃時，經(jīng)過2.5h后VC值還保留在10s以內(nèi)，可滿足現(xiàn)場施工需要。

2)在環(huán)境溫度較高情況下，VC值損失較快。

4.5 碾壓混凝土振實效果圖(二、三級配)

圖3碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失檢測結(jié)果圖(一)圖4碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失檢測結(jié)果圖(二)

圖5 碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失檢測結(jié)果圖(三) 圖6 碾壓混凝土VC值經(jīng)時損失檢測結(jié)果圖(四)

圖7 碾壓混凝土振實效果圖(二、三級配)

4.6 碾壓混凝土及墊層砂漿抗壓強度與水膠比關(guān)系

1)碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系(見表9-10及圖9-12)。

表9 碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系

表10 碾壓混凝土不同摻灰量與抗壓強度關(guān)系

圖9碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系圖(一)

圖10 碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系圖(二)

圖11 碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系圖(三)

圖12 碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系圖(四)

2)碾壓混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系試驗結(jié)果分析

由表9-10及圖9-12可知：

1)碾壓混凝土前期強度較低，但后期強度發(fā)展較快，可滿足設(shè)計要求。

2)從粉煤灰摻量與強度關(guān)系可以看出：早期碾壓混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量增加而減小，曲線較直，相關(guān)性較好，說明前期主要是水泥在進(jìn)行水化，但隨著齡期增加，抗壓強度與粉煤灰摻量相關(guān)性逐漸下降，說明粉煤灰參與了二次水化作用。

3)隨著粉煤灰摻量增加，7d抗壓強度與28d抗壓強度比率逐漸降低，而90d抗壓強度與28d抗壓強度比率逐漸增加，但當(dāng)粉煤灰摻量超過75%時，90d抗壓強度與28d抗壓強度比率有所降低，說明此時水泥中水化的有效Ca(OH)2已無法激發(fā)過多的活性粉煤灰，故粉煤灰的摻量應(yīng)通過試驗加以論證，當(dāng)然也可通過水泥、粉煤灰的化學(xué)分析以及粉煤灰的活性試驗理論上計算后加以佐證[3]。

4.7 碾壓混凝土配合比水膠比確定

4.7.1 滿足抗壓強度碾壓混凝土水膠比的確定

滿足抗壓強度碾壓混凝土水膠比見表11。

表11 滿足抗壓強度碾壓混凝土水膠比的確定

4.7.2 碾壓混凝土及墊層砂漿水膠比的確定

各強度等級碾壓混凝土及墊層砂漿水膠比見表12。

表12 碾壓混凝土水膠比的確定

4.8 碾壓混凝土配合比

碾壓混凝土漿配合比見表13-16。

表13 碾壓混凝土和變態(tài)混凝土及墊層砂漿配合比

4.9 碾壓混凝土和變態(tài)混凝土及墊層砂漿拌合物性能及硬化物力學(xué)性能。

表14 碾壓混凝土和變態(tài)混凝土及墊層砂漿拌和物性能及硬化物力學(xué)性能

4.10 碾壓混凝土力學(xué)和變形性能

表15 碾壓混凝土力學(xué)和變形性能

4.11 碾壓混凝土和變態(tài)混凝土耐久性能

表16 碾壓混凝土和變態(tài)混凝土耐久性能

5 配合比設(shè)計小結(jié)

奮斗水庫工程所在地為北方嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土抗凍等耐久性能求較高，碾壓壓混凝土配合比抗凍等級跨度大，從F50、F100至F300，混凝土設(shè)計要求也就更高，骨料采用天然砂石料，石粉含量極少且含泥量高，需采用粉煤灰替代石粉，以提高碾壓混凝土可碾性，碾壓混凝土配合比設(shè)計相對較復(fù)雜，從設(shè)計齡期90d試驗結(jié)果可知，設(shè)計的3個推薦的碾壓混凝土各種性能可滿足設(shè)計要求。

[1]繆昌文.高性能混凝土外加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：41-67.

[2]田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010：27-38.

[3]梅錦煜.中國碾壓混凝土筑壩技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010：27-36.

文章編號：1007-7596(2017)08-0162-02

Key Technology of Roller Compacted Concrete Mixture Ratio of Natural Sandy Material——Taking the Fendou Reservoir as an Example

XU Chong-xin

(Muling Urban Fendou Reservoir Project Construction ManagementDepartment Heilongjiang Province, Muling 157599, China)

The Fendou reservoir project of Muling City is located in northern cold area in Heilongjiang Province, the concrete durability against frost is high, the large scale of roller compacted mixture ratio against frost is from F50, F100 to F300, requesting more high design demand on concrete, natural sandy material used for aggregate with less contents of limestone and high contents of silt, bring a certain of difficulty to the design of mixture ratio. This paper introduced mainly the inspection on roller compacted concrete raw material of the dam, procedure of mixture ratio design and the results of concrete properties.

Fendou reservoir; roller compacted concrete(RCC); material inspection; design of mixture ratio

1007-7596(2017)08-0001-07

2017-07-16

許崇欣(1965-)，男，山東日照人，高級工程師。

TV431

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