圍灘水電站自密實堆石混凝土劈裂抗拉性能試驗分析

宋文浚

（山西省水利水電科學研究院 太原 030002）

1 自密實堆石混凝土的特性

自密實堆石混凝土是利用自密實混凝土的抗分離、高流動性能好和自流動的特點，在粒徑較大隨機堆放的塊石內依靠自密實混凝土自重填充堆石所形成的混凝土堆石體，簡稱堆石混凝土（Rock-filled Concrete，RFC）。堆石混凝土是一種全新的混凝土施工技術，利用了大量的大體積塊石作為建筑材料，除強度、彈模等基本力學性能與普通大體積混凝土相近以外，還具有以下特點和性能優勢。

1）減少水泥用量和充分利用石料

常規的C15~C25混凝土每立方米一般需要200~350 kg的水泥，而C15~C25堆石混凝土僅需要70~100 kg的水泥；單方水泥用量與碾壓混凝土相當，與常規混凝土相比減少了70%左右。原因在于堆石混凝土用了大量的大體積塊石（約55%）作為主要建筑材料，只需要使用45%的專用自密實混凝土進行空隙的充填，配合獨有的低水泥自密實混凝土配合比設計方法，保證了低水泥用量的實現。由于只需拌和一級配的自密實混凝土，拌和規模大大減小，開采的石料、大石料直接入倉，小石料作為生產自密實混凝土的骨料，材料可充分利用。

2）顯著提高工效，縮短工期

堆石混凝土施工使用的機械設備為常規設備，減少了混凝土的生產和澆筑量，無需振搗，減少和消除了溫控措施和層面處理措施，施工工藝簡單。堆石混凝土技術可采用機械化施工，降低了工人技術水平和質量管理水平對工程質量的影響，在提高了施工質量的基礎上，明顯縮短了工期。

3）高密實度與高強度保證率

通過獨有的外加劑和科學的配合比設計，能夠使用國內各地區不同的原材料配制成低成本、超強填充能力、高粘結力的專用自密實混凝土，保證堆石混凝土充填密實，提高混凝土和塊石表面的粘結力，形成完整密實、有高強度保證率的堆石混凝土。檢測數據表明，堆石混凝土的實際密度大于普通混凝土，具有很好的強度性能和抗滲性能。

4）低水化熱

堆石混凝土的粗骨料為堆石，粒徑大，單位體積自密實混凝土用量少，可以有效降低混凝土升溫。

5）顯著降低施工成本

堆石混凝土技術通過大量塊石的使用、低水泥用量、工藝的簡化、工效的提高，使其施工成本與其他大體積混凝土施工技術相比有顯著降低。

6）良好的體積穩定性

堆石混凝土具有大塊石穩定堆積構成的骨架，因而具有優良的體積穩定性，體積收縮小，具有較強的抗裂能力。

本文通過對自密實混凝土充填堆石體形成堆石混凝土試件進行切割以驗證其密實性，并進行劈裂抗拉性能實驗分析。

2 圍灘水電站工程概況

圍灘水電站位于丹河干流上，樞紐大壩在澤州縣，控制流域面積2 418.5 km2，是以發電、城市生活用水和工業供水為主，兼顧生態旅游等綜合利用的小型水電站。工程樞紐水庫屬小（I）型水庫，電站總裝機容量1 500 kW，工程等別為Ⅳ等。樞紐大壩水庫正常蓄水位47 m，壩高59 m，工程建設內容包括蓄水工程、水電站工程、供水工程和交通工程四部分。

圍灘水電站大壩原設計為漿砌石重力壩，受地形條件限制，施工速度慢，施工難度較大，通過對山西省正在施工的恒山水庫、清峪水庫堆石混凝土壩的調研，最終方案變更為C15自密實堆石混凝土壩的方案。

3 自密實堆石混凝土的形成和取樣

在施工現場同步澆注模擬自密實堆石混凝土壩體，用標準鋼模板支護，成型尺寸為1 800 mm×1 000 mm×2 000 mm，實驗采用石塊分層堆放、自密實混凝土分層澆筑填充空隙的方式，具體試驗過程為：

1）用標準鋼模支護成1 800 mm×1 000 mm×2 000 mm的長方體，將粒徑不一的（產自水電站附近采石場，粒徑大致在250～550 mm之間）用水洗凈石塊稱重后，隨機倒入，分兩層，每層高度大約為1 000 mm。

2）在自然狀態下晾干石塊表面，保證試驗處于和大壩堆石混凝土施工處于相同條件，在大壩澆筑同時也給試塊澆筑，在自密實混凝土處于流動狀態依靠自重密實充填。

3）澆筑完第一層，再隨即倒入第二層石塊，以同樣的方法澆筑，直到自密實混凝土填滿堆石并與鋼模頂持平，自流水平即可。

試驗過程中，打入鋼模的石塊重和自密實混凝土量見表1所示，可以說明堆石混凝土填充密實。

表1 石塊重和自密實混凝土用量

自密實堆石混凝土在山西省圍灘水電站工地施工現場澆筑成型，達到28天齡期后，再采用切割工具將堆石混凝土切割加工成立方體試件和棱柱體試件，抗壓強度和劈裂抗拉強度試件加工尺寸為500 mm×500 mm×500 mm的立方體，彈模試件加工尺寸為450 mm×450 mm×900 mm的棱柱體。在切割石塊時，由于堆石混凝土試件有局部不規則和切割機器的局限性，在尺寸上有稍許誤差，其中樣品A1、A4、C3做劈裂抗拉試驗。

4 自密實堆石混凝土劈裂抗拉性能試驗

試驗方法依據《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）進行，試驗設備采用15 000 kN萬能試驗機進行。

在每塊試件破型前測量了試件幾何尺寸，并采用電子秤（量程2 t，精度為0.1 kg）進行稱重，從而得到混凝土試件當時狀態下的密度。劈裂抗拉試驗見照片1～4，密度結果見表2所示。

照片1 測量試件幾何尺寸

照片2 測量試件質量

表2 堆石混凝土密度試驗結果

在切割前用核子密度儀對堆石混凝土試塊進行了多角度測量，測量結果平均值為2 598 kg/m3，與試塊稱重對比，兩者結果基本相符。

劈裂抗拉強度試驗的試件盡量選取上下面平行的平面作為頂面和底面。試驗時采用截面15 mm×15 mm的鋼質方墊條，上下墊條對準，開動試驗機以0.4 MPa/min的速度連續而均勻的加荷，直至試件破壞。試驗結果見表3所示。

照片3 劈裂抗拉強度試驗

照片4 劈裂抗拉強度試驗后的試件

表3 堆石混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

試驗結果分析可得出：

1）堆石混凝土劈裂抗拉破壞與普通混凝土相似，也就是在試件大約中部位置直接劈開，并且試驗中還觀察到堆石混凝土中的石塊與自密實混凝土有良好的黏結性且試塊大部分都已經被破壞；

2）堆石混凝土的劈裂抗拉強度比同強度的普通混凝土高；

3)在施工過程中形成的冷熱縫對劈裂抗拉強度的影響不是很明顯。

5 結語

試驗結果充分說明了圍灘水電站大壩由原設計為漿砌石重力壩方案變更為C15堆石混凝土壩的方案是正確的，通過實驗可以得出，堆石混凝土不僅在降低成本、縮短工期和機械化施工程度高等方面優于漿砌石重力壩，而且劈裂抗拉試驗的數據都優于普通混凝土。