高寒地区筑坝碾压混凝土配合比优化设计方法研究.pdf

第 3 3卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 长江科学院院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e Ri v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 3 3 N o 3 Mfi r 2 0 1 6 d o i ： 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 01 4 0 9 8 8 高寒地区筑坝碾压混凝土配合比优化设计方法研究 刘丹 ， 孙西欢 。 李永业 ， 石继忠 ( 1 太原理工大学 水利科学与工程学院， 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 山西水利职业技术学院 山西 运城0 4 4 0 0 4 ) 摘要： 碾压混凝土配合比参数优化是保障筑坝安全的重要技术措施。依托高原区碾压混凝土筑坝工程， 重点探讨 了外加剂掺量和粉煤灰品质在碾压混凝土配合比设计中的控制机理 ， 拟合了不同工况下碾压混凝土胶水比与抗压强 度的关系曲线。结果表明： 在不影响碾压混凝土品质的情况下， 提高外加剂掺量可以有效降低胶凝材料的用量； 粉煤 灰的等级对混凝土用水量有很大的影响； 碾压混凝土胶水比与抗压强度有较好的线性相关性， 其各龄期抗压强度发 展系数先增长较快， 后增速放缓并趋于平稳。该设计经验可为类似工程的碾压混凝土配合比优化设计提供参考。 关键词 ： 碾压混凝土； 配合比参数优化； 胶水比； 抗压强度； 粉煤灰品质 夕 加剂掺量 中图分类号： T v 4 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 1 3 7 0 4 1 研究背景 除造价较高的新能源外， 水电站依旧是当今适 应建筑工程快速发展、 用电量需求剧增现状的首选 工程项 目。特别是各种优势凸显的碾压混凝土快速 筑坝技术将 成为未 来 中、 小 型水 电站 的首 选 。 众多学者对碾压混凝土筑坝技术参数和施工工艺做 了研究总结 ， 但是如何在 高寒地 区实现碾压混 凝土的设计施工依旧是困扰工程界的难题 。 本文结合实际工程 ， 针对胶水 比、 抗压强度 、 用 水量 、 粉煤灰品质 、 外加剂掺量 5个参数 ， 从碾压混 凝土用水量与外加剂掺量关系、 碾压混凝土用水量 与粉煤灰品质关系、 碾 压混凝 土胶水 比与抗 压强度 关系、 碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数 4 个方 面对配合比参数特性进行研究； 重点总结了碾压混 凝土用水量调节中的控制机理 ， 旨在为类似工程设 计碾压混凝土最优配合比提供参考。 2 工程规模 该枢纽工程地处云贵高原 ， 具有典型 的高原气 候特点 ， 昼夜温差 大、 光照强烈 、 气候干燥 、 蒸 发量 大 ， 混凝土的温控和抗裂要求是 大坝混凝土配合 比 设计 的主要指标。作 为 目前 国内已建和在建 R C C 重力坝 中规模较大工程之一 ， 坝体混凝土工程量为 ： 常态混凝土约 2 0 1万 m 、 碾压混凝土约 2 5 0万 m 。 。 混凝 土施工计划工期为 3 a 。 3 技术难题 优良的筑坝混凝土施工配合比是混凝土施工浇 筑质量进度 的基础保证。混凝土施工材料 中的成品 玄武岩粗骨料粒形差且玄武岩人工砂的石粉含量偏 低 ； 攀枝花 级粉煤灰需水量 比也较高 ； 碾压混凝土 单位用水量也较高。这些在以往的工程中十分少 见。前期采用的玄武岩骨料人工砂石粉含量偏低 ， 新拌碾压混凝土拌和物工作性能差， 经计算浆砂体 积比均在0 3 8 以下 ， 明显小于一般碾压混凝土浆砂 比的理论值 ( 约0 4 2 ) 。由于石粉含量低 ， 碾压混凝 土浆体明显不足 ， 造成碾压混凝土液化泛浆差， 对层 间结合十分不利。 4 试 验方案 常态混凝土配合比设计 已经非常成熟， 本文作者 仅对碾压混凝土配合 比进行设计 和试验。针对碾压 混凝土用水量偏 高， 试验采用相 同的配合 比试验参 数 ， 调整外加剂掺量和选取不 同的粉煤灰品种 ， 进行 对照 ， 研究外加剂不同掺量及不同粉煤灰品种对混凝 土单位用水量的影响。试验选材条件如下。 原材料： 永保4 2 5 中热水泥； 攀枝花 级粉煤灰； 收稿 日期： 2 0 1 4 - 1 1 - 2 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 一 O 1 0 6 基金项目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 1 0 9 1 5 5 ， 5 1 1 7 9 1 1 6 ) ； 太原理工大学研究生创新基金项目( $ 2 0 1 4 1 0 8 ) 作者简介： 刘丹( 1 9 8 9 一 ) ， 女， 山西太原人， 硕士研究生， 研究方向为水利工程， ( 电话) 1 5 1 3 5 1 5 5 5 4 8 ( 电子信箱) l i u d a n 0 3 7 8 l i n k t y u t e d u - c n 。 通讯作者： 孙西欢( 1 9 6 0 一 ) ， 男， 山西运城人， 教授， 博士生导师， 研究方向为水力学及河流动力学， ( 电话) 1 3 5 1 3 6 0 0 0 1 2 ( 电子信箱) s u n x i h u a n t y u t e d u c a。 1 3 8 长江科学院院报 2 0 1 6生 需水量 比 1 0 2 ； 前期加工的玄武岩人工骨料 、 砂细度 模数 F M= 2 5 6 ， 石粉含量按 2 0 控制 ； 缓凝高效减水 剂 Z B - 1 R C C 1 5按 O ( 不含减水剂 的情 况) ， 0 5 ， 1 0 控制； 引气剂为Z B - 1 G ， 按0 2 - 0 2 5 控制。 级配 ： 二级 配 ( 小石 ：中石 = 4 5： 5 5 ) ； 三级配 ( 小石 -中石 ： 大石 =3 0： 4 0： 3 0 ) 。密度 ： 二级配 2 6 0 0 k g m ； 三级配 2 6 3 0 k g m 。温度 ： 气温 2 5 2 7 ； 混凝土温度 2 5 。 浆砂体 积 比值是碾压混凝土配合 比设计 的重 点， 提高人工砂石粉含量 的技术 措施在胶凝材料用 量较少且一定范 围的情况 下 ， 可 以增 大砂浆 比值 。 其他相关参数见表 1 。 表 1 碾压混凝土胶水比与抗压强度关系试验参数 Ta b l e 1 P a r a m e t e r s o f t e s t o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n RCC wa t e r - b i n d e r r a t i o a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 级 配胶 水 比 级 配胶 水 比 誊 04 5 3 7 0 4 5 3 3 二级配0 5 0 3 8 5 0 三级配0 5 0 3 4 5 5 0 5 5 3 9 O 5 5 3 5 04 5 3 7 0 4 5 3 3 二级配 o 5 0 3 8 5 5 三级配 o 5 0 3 4 6 0 0 5 5 3 9 0 5 5 3 5 04 5 3 7 0 4 5 3 3 二级配0 5 0 3 8 6 0 三级配0 5 0 3 4 6 5 0 5 5 3 9 0 5 5 3 5 5 结果分析 5 1 碾压混凝土用水量与 b J D 剂掺量关系 碾压混凝土单位用水量与胶材用量的关 系见 图1 。 试验编号的参数： 三级配， 胶水t k 0 5 5 ， 粉 煤灰 掺 量 6 5 ， 砂 率 3 5 ， Z B一1 G 为0 2 5 ， Z B一 1 R C C 1 5 依次为O ， 0 5 ， 1 0 ； 试验编号-的 参数： 三级 配， 胶 水 t t , o 5 0 ， 粉 煤灰 掺量 6 0 ， 砂 率 3 4 ， Z B 一 1 G为0 3 0 ， Z B - 1 R C C 1 5依次为 0 ， 0 5 ， 1 0 ； 试验编号一 的参数： 二级配 ， 胶水 t t o 5 0 ， 粉煤灰掺量 5 5 ， 砂率 3 8 ， Z B 一 1 G为0 3 0 ， Z B 一 1 R C C 1 5 依次为 0 ， 0 5 ， 1 0 。 用水量及胶凝材料用量 显 著 降 低 。 当 Z B一 1 R C C 1 5掺量从0 5 提 高到1 0 时： 胶凝材料 用量相应降低 2 0 2 2 k g m 。由于碾压混凝 土粉煤灰掺量较 高， 而 粉煤灰具有极强炭吸附 作用 ， 对含气量影 响极 大 ， 同时碾压混凝 土引 气也是 比较困难的。所 以， 为 了达 到碾压 混凝 土需要 的含气 量， 引气 剂掺量很高。由于玄武 岩骨料 的特 性， 导致碾 压混凝土的用水量急剧 增加。从降低混凝土温 度 、 提高抗 裂性能和 防 止大坝裂缝考虑 ， 提高 外加剂掺 量是降低胶材用量 和温控最有 效 的技术 措施 。 5 2 碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系 碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系试验结果 见表 2 。编号 A系列采用红塔4 2 5 中热水泥 ， 宣威 I 级粉煤灰 ； 编号 B系列采用永保4 2 5 中热水 泥， 宣 威 I级粉煤灰 ； 编号 C系列采用永保4 2 5 中热水泥 ， 攀枝花 级粉煤灰。 分析表明采用宣威 I 级粉煤灰 ， 同级配的碾压 混凝土在水胶比相同时其单位用水量明显降低， 充 分说明不同等级 的粉煤灰对混凝土用水量有很大的 影响， 但对碾压混凝土的品质影响不大。这是 由于 攀枝花 级粉煤灰的吸附作用和玄武岩人工骨料特 性的影响， 致使混凝土单位用水量 、 减水剂和引气剂 掺量都相应增加。特别是高掺量 级粉煤灰的碾压 混凝土 ， 对引气剂的引气效果影响尤为明显。 5 3 碾压混凝土胶水比与抗压强度关系 分析表明： 碾压混凝土随外加剂掺量提高， 单位 试验水 泥采用永保 中热4 2 5 ， 粉煤灰 为攀枝花 表 2 碾压混凝土用水量与粉煤灰品质关系试验 Ta b l e 2 Re s u l t o f t e s t o n the r e l a t i o n s hip be t wee n RCC wa ter c o n s u mp t i o n an d fl y a s h q u a l i t y 姗 啪 啪 啪 如 一 - 昱 量咖旺葵甾嬖繁 第3期 刘 丹 等 高寒地区筑坝碾压混凝土配合 比优化设计方法研究 1 3 9 呶 ， z B 一1 R C C 1 5掺量 1 O ， Z B 一1 G掺量0 2 0 0 2 5 ( 按 含 气 量 确 定 ) ， 用 水 量： 二 级 配 用 水 量 ( 1 1 0 5 ) k g m 、 三级配用水量( 1 0 0 _+ 5 ) k g m ， 试验龄 期 7 ， 2 8 ， 9 0 ， 1 8 0 d 。碾压混凝土试拌过程中发现采用 外掺石粉含量 7 一 9 ， 人工砂石粉含量提高到 1 8 - 2 0 ， 碾压混凝土的砂浆比提高到0 4 2 时以上， 其工 作性能明显得到改善。此后对混凝土抗压强度进行 测试 ， 试验测得的碾压混凝土胶水比与抗压强度关系 曲线见图 2 。 结果表明 ： 对于不同胶水比和粉煤灰掺量的条件 胶水 比 ( a ) 二级配的粉煤灰掺量5 0 R2 = 0 9 5 9 R2=0 9 3 6 R2 =- 0 9 9 1 R2 =-0 99 4 R 2 = 0 9 8 2 胶水 比 ( c ) 二级配粉煤灰掺量6 0 胶水 比 ( e ) 三级配的粉煤灰掺量6 0 Rz _0 94 4 R2 = 9 55 4 ， RZ =- 0 9 5 5 R2 =09 3 9 R 2 =- 0 9 9 6 6 9 9 下 ， 最小的决定系数为0 9 3 6 ， 碾压混凝土胶水 比与抗 压强度有较好的相关性。 5 4 碾压混凝土各龄期抗压强度发展系数 根据胶水比与抗压强度关系试验结果对碾压混 凝土各龄期抗压强度发展系数进行统计 ， 见表 3 。分 析表 明： 混凝土抗压强度以 2 8 d龄期为基准 ， 随粉煤 灰掺量的不同， 不同龄期混凝土抗压强度与2 8 d 抗压 强度百分比： 7 d为 3 7 一 4 8 ； 5 6 d为1 2 0 1 3 6 ； 9 0 d为 1 2 8 1 5 6 ； 1 8 0 d为1 6 1 1 8 4 ； 粉煤灰掺 量对不同龄期混凝土抗压强度的影响不大。 胶水 比 ( b ) 二级配 的粉煤灰掺量5 5 4 7 8 R 2 - - 0 9 6 5 0 0 6 R2 = O 9 9 4 9 1 1 5 ， RZ =- 0 9 4 0 8 4 7 ， R 2 = 09 8 5 1 2 0 = 0 9 6 0 胶水 比 ( d ) 三级配 的粉煤灰掺量5 5 7 d 一2 8 d 矗5 6 d 9 0 d 1 8 0 d 胶水比 三级配的粉煤灰掺 量6 5 图2 碾压混凝土胶水比与抗压强度关系曲线 Fi g 2 Cu r v e s o f RCC wa t e r - b i n d e r r a t i o V S c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 鲁苣 酲 日 d l 越秘 蟮 日 d I 骶 撼 日 苣 骥幽 巳谜鞘 日 龟 骶出 1 4 0 长江科学院院报 2 0 1 6年 表 3 碾压混凝土各龄期抗压 强度发展 系数 Ta b l e 3 De v e l 0 p me n t删 髑 de n t 0 f恤c 0 唧r e i v e 参 考文献： s t r e n g t h o fRCC o fd i ffe r e n t a g e s 6 结论 ( 1 )由于该大坝混凝土采用玄武岩人工骨料以 及 级粉煤灰 ， 导致混凝土单位用水量高。为了有 效降低 单 位 用 水 量 ， 掺 人 缓 凝 高 效 减 水 剂 Z B一 1 R C C 1 5和引气剂 Z B - 1 G， 通过试验可知 ， 该方法是 降低单位用水量有效的技术措施 。 ( 2 )针对碾压混凝土浆体明显不足， 造成碾压 混凝土液化泛浆差 ， 层间结合不利的情况 ， 采用外掺 石粉 7 9 ， 将人工砂石粉含量提高到 1 8 2 0 时 ， 碾压混凝土工作性能明显得到改善。 ( 3 )对于不 同胶水 比和粉煤灰掺量的条件下 ， 碾压混凝土胶水 比与抗压强度有较好 的相关性 。 ( 4 )根据气候特点 ， 该设计经验可为类似碾压 混凝土工程提供参考 。但是对于全国涉及到昼夜温 差大、 冬季施工期短等问题的中小型工程来说， 仍需 进一步研究 。 1 蔡胜华 ， 杨华全， 王晓军， 等 碾压混凝土施工工艺试 验研究 J 长江科学院院报， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 5 0 - 5 3 ， 5 9 2 张建龙 ， 田育功， 马伶俐 金安桥大坝碾压混凝土快速 施工关键技术 J 水力发电， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 1 ) ： 4 2 - 4 5 3 杨华全， 陈如华 ， 王仲华 三峡工程大坝混凝土的配合 比设计 J 长江科学院院报 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 5 ) ： 4 1 - 4 5 4 石妍 ， 彭尚仕， 董芸， 等 骨料品种对等强度水工 混凝土的性能影响研究 J 长江科学院院报 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 3 ) ： 8 3 8 5 ， 9 0 5 王述银， 郭文康， 覃理利 粉煤灰品质对碾压混凝土性 能的影响 J 长江科学院院报， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 8 8 9 3 6 刘洪超 金安桥水电站大坝碾压混凝土温度控制初步 分析 J 水力发电， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 6 ) ： 4 5 4 7 ， 5 8 7 孙根民 ， 徐进忠 北疆某碾压混凝土坝施工配合比中 掺合料的试验研究 J 水利水电技术， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 7 9-81 8 李苓宏， 田育功 金安桥水 电站玄武岩骨料碾压混凝 土特性研究 J 水利水电技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 5 ) ： 4 7 - 5 0 9 王立华， 杨永民， 刘佳， 等 人工砂碾压混凝土配合 比设计研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ，( 5 ) ： 1 2 4 1 2 7 ， 1 3 2 1 0 危加阳 惠州抽水蓄能电站大坝碾压混凝土配合 比设 计 J 人民长江， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 1 ) ： 4 8 5 1 1 1 高珍， 曾力 ， 吐尔洪 旬阳水 电站混凝土配合 比及 性能试验 J 混凝土， 2 0 1 0 ，( 5 ) ： 8 9 - 9 1 M e t h o d o f Op t i mi z a t i o n De s i g n o f M i x Ra t i o 0 f RCC Da m i n Co l d Ar e a s ( 编辑 ： 姜小兰) L I U D a n ，S UN Xi h u a n ，L I Yo n g y e ， S HI J i z h o n g ( 1 S c h o o l o f Wa t e r C o n s e r v a n c y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 S h a n x i Wa t e r C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l C o l l e g e ， Y u n c h e n g 0 4 4 0 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： O p t i m i z i n g t h e m i x r a t i o o f R C C( r o l l e d c o m p a c t e d c o n c r e t e )i s a n i mp o r t a n t t e c h n i c a l me a s u r e t o p r o t e c t d a m s a f e t y Wi t h R C C d a m p r o j e c t i n c o l d a r e a a s a n e x a m p l e ， w e d i s c u s s t h e d o s a g e o f a d m i x t u r e a n d q u ali t y o f fl y a s h a ff e c t i n g t h e mi x p r o p o r t i o n d e s i g n，a n d o b t a i n t h e fi t t e d r e l a t i o n s h i p c u rve s b e t w e e n RC C b i n d e r wa t e r r a t i o a n d c o mp r e s s i v e s t r e ng t h u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s Re s u l t s s h o w t h a t i n c r e a s i ng t h e d o s a g e o f a d mi x t u r e c o u l d e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e p l a s t i c ma t e ri a l d o s a g e w i t h o u t a f f e c t i n g t h e q u ali t y o f r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e； fl y a s h o f d i f f e r e n t g r a d e s h a s gre a t e f f e c t o n t h e w a t e r u s e o f c o n c r e t e ；t h e wa t e r b i n d e r r a t i o h a s g o o d l i n e a r c o r r e l a t i o n w i t h c o mp r e s s i v e s t r e n gth T h e v a r i a t i o n o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth d e v e l o p me n t c o e f f i c i e n t l e v e l e d o ff aft e r t h e fi r s t i n - Cr ease Ke y wo r d s ： r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e；mi x r a t i o o p t i mi z a t i o n；b i n d e r w a t e r r a t i o ；c o mp r e s s i v e s t r e n gth；q u ali t y o f fly a s h；d o s a g e o f a d mi x t u r e