高石粉砂巖人工砂碾壓混凝土原位抗剪試驗研究

李澤源 付 斌 余和清

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 概述

沐若水電站工程地處馬來西亞婆羅洲島的沙撈越州，壩址位于拉讓（Rajang）河流域源頭沐若河上。當地天然資源匱乏，混凝土只能采用人工骨料。通過大量勘探與研究發現，沐若工程樞紐范圍內料源以砂巖為主，且呈微弱風化狀態。以其加工生產出的人工砂細度模數偏小、石粉含量較高；為滿足施工技術要求，不但需要投入大量的資源增添設備，改進加工工藝及對其進行沖洗脫粉處理,而且沖洗脫粉與業主要求碾壓混凝土用砂需采取干法生產相矛盾。同時,對沖洗后的廢水和石粉進行有效處理工作量大。其次，工程使用的粉煤灰運距遠、供應商供應能力有限，施工高峰期存在供應緊張導致影響工程施工進度等一系列問題。

通過多次試驗論證表明，石粉含量控制在22%～27%時砂的各項技術指標相對比較穩定，基本能滿足相關工程技術規范。根據沐若工程的實際情況，提出將超出22%標準的石粉作為惰性摻和料，在確?；炷料嚓P物理力學性能的前提下等量取代部分粉煤灰的技術方案。試驗結果表明：本方案提出的配合比能滿足沐若大壩碾壓混凝土設計的相關技術指標。

沐若河流域屬熱帶季風氣候，全年平均氣溫為26.5℃，降雨呈微弱季節性，混凝土必須在高溫、多雨季節施工。而碾壓混凝土壩施工的特殊性不可避免地造成壩體存在大量的水平施工縫，以致形成許多水平層面。如果這些層面間歇時間過長、處理措施欠妥，將成為潛在的強透水層面，可能將會演變為碾壓混凝土壩體滲流的集中通道和抗滑穩定的相對薄弱層面。而層面結合是否良好，還將影響層面碾壓混凝土的物理力學變形性能，尤其是對抗剪特性的影響。

2 原材料及試驗施工配合比

2.1 原材料

水泥為CMS CEMENT（BINTULU）SDN BHD供應的OPC 散裝水泥,相當于GB 175-2007 標準P.I42.5 水泥；粉煤灰采用Gobel Industry（Mukah）Sdn.Bhd.生產的I 級灰；外加劑為湖南江?？萍脊煞萦邢薰旧a的TG-2 緩凝高效減水劑和TG-1A引氣劑。砂石骨料為沐若大壩砂石系統生產的砂巖人工砂石骨料，人工砂品質檢測結果：細度模數為（2.26～2.47）,石粉含量為22.4%～26.7%，粗骨料品質檢測結果滿足設計及規范要求。

2.2 施工配合比

本次原位抗剪試驗主要針對主體大壩C18020F50W6 及C18015F50W6 三級配碾壓混凝土進行，試驗使用的配合比是根據碾壓混凝土設計技術指標及室內試驗共同擬定，配合比參數見表1。

3 原位抗剪試驗

3.1 試驗布置與試件制備

（1）試驗布置。原位抗剪試驗布置在上游圍堰EL.445.0 m 層面上（頂層），試驗場地為114 m×7.5 m（長×寬）、3個 澆 筑 層，層 厚30 cm。分 為A（C18020F50W6，三級配）、B（C18015F50W6，三級配）兩條帶，根據層面處理措施碾壓混凝土A、B 條帶分為10個區。試驗安排在B（C18015，三級配）條帶的7個區中進行，碾壓混凝土初凝時間約12.5 h，終凝時間約21 h，原位剪切試驗每種工況用4 塊試件，層面均安排在試驗塊第3 層。試驗時法向分配為0.5 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa 共4 級進行加壓（第一組第一塊試件法向荷載為0.08 MPa;第三組最大法向荷載加至2.0 MPa,第四組最大法向荷載加至2.55 MPa），切向按照預估最大荷載的10%逐級施加，直至剪斷。碾壓混凝土間隔時間和層面處理方法見表2。

（2）試件制備。碾壓混凝土養護到180 d 齡期的前30 d 開始制備原位抗剪試件，試件制備流程為放樣、切割、開挖、加工逐步進行，試件設計剪切面為50 cm×50 cm，高約30 cm，誤差小于2 cm。試件底部以剪切面控制，頂部用砂漿找平，以滿足法向加荷的需要。

3.2 原位抗剪試驗主要儀器設備

試驗設備由3個系統組成，包括法向加荷系統：地錨、反力架、雙向液壓千斤頂；水平加荷系統：雙向液壓千斤頂、手動油泵、鋼板、滾軸排、拐臂頂頭、傳力柱；位移測量系統：測表支架、磁力表座及不同量程的百分表等組成。

3.3 原位抗剪試驗方法及步驟

原位抗剪試驗按照SL 352-2006 《水工混凝土試驗規程》及SL 264-2001《水利水電巖石試驗規程》的規定進行。采用平推法進行試驗：整個法向加荷系統必須與剪切面垂直且垂直合力應通過剪切面中心；水平推力應通過預定剪切面且與碾壓方向垂直。每組4 塊試件，最大法向應力按照設計要求的3.0 MPa 施加。垂直荷載分3～5 級施加。加荷以時間控制，每5 min 加一級，加荷后立即讀數，5 min 后再讀一次數即可施加下一級荷載。加到預定荷載后，仍按上述規定讀數，當連續兩次垂直變形讀數之差不超過1%（mm）時視為穩定，可開始施加水平荷載。

開始按照預估最大剪切荷載的8%～10%分級均勻等量施加，當水平變形為前一級荷載作用下變形的1.5倍以上時，減荷按4%～5%施加，直至剪斷。荷載的施加方法以時間控制，按照每5min 加荷一次，每級荷載施加前后各測讀一次；臨近剪斷時，加密觀測壓力及變形。在整個剪斷過程中，垂直荷載始終保持恒定。

試體剪斷后，將試體用千斤頂推回原位，繼續進行摩擦試驗，并測記在大致相等的剪應力作用下的試體位移，直至發生較大位移（≥1.5 cm）而剪切力趨于穩定值時止。然后分4～5 級將水平荷載退至零，觀測回彈變形，結束試驗。試驗完畢后，翻轉試體，對剪切面的特征，如破壞型式、起伏差、擦痕范圍及方向等詳加描述。測量混凝土剪切斷面的實際面積并拍照記錄。

3.4 原位抗剪試驗結果及分析

3.4.1 試驗結果及計算

按照下列公式分別計算作用于剪切面上的正應力σ 值和剪應力τ 值。

式中 σ、τ——分別為作用于剪切面上的正應力和剪應力（MPa）；

P、Q——分別為作用于剪切面上的總垂直荷載和水平荷載（N）；

F——剪切面積（mm2）。根據庫侖公式τ＝σf＋c，對每組4個試件用最小二乘法求得抗剪切特性參數f 和c。現場原位抗剪試驗結果和抗剪特征參數分別見表2，表3。

表2 現場原位抗剪試驗結果 MPa

表3 不同層面結合條件下碾壓混凝土原位抗剪特性參數

3.4.2 結果分析

（1）由表2 不同層面結合條件下的抗剪特性參數可知，根據工程特點采用不同間隔時間和層面處理工藝下，其摩擦系數f′在1.02～1.69 之間，粘聚力c′在（1.07～1.55）MPa 之間。

（2）B3 為初凝前鋪灑凈漿處理，f′與c′值最高；B1 與B2 為初凝前不處理直接上升方式，其結果次之；B5 屬于初凝之后，終凝之前采用鋪砂漿上升方式，B6、B7 同屬于終凝之后，B6 采用鋪砂漿處理，而B7 采用提高一個等級一級配常態混凝土接縫處理，B5、B6、B7 的f′、c′結果相當，但相對于B1、B2 又稍低。B4 為初凝之后,終凝之前未處理直接上升方式，其f′、c′值最低。

（3）混凝土初凝之后,終凝之前間隔時間為15 h，采用未處理直接上升時摩擦系數f′為1.02,粘聚力c′為1.07 MPa;間隔時間為15 h 采用鋪砂漿上升的摩擦系數f′為1.21,粘聚力c′為1.27 MPa；采用鋪砂漿的摩擦系數f′、粘聚力c′明顯高于未處理直接上升方式。

（4）混凝土終凝后，間隔時間為78 h 時采用鋪砂漿上升方式的摩擦系數f′=1.18,粘聚力c′=1.24 MPa；與間隔時間為78 h 時采用鋪提高一個等級一級配常態混凝土上升方式時的摩擦系數（f′=1.24）、粘聚力（c′=1.25 MPa）基本相同。

4 結語

（1）沐若碾壓混凝土原位抗剪試驗采取正常的處理方式進行施工，其原位剪切摩擦系數f′在（1.18～1.69）之間，粘聚力c′在（1.24～1.55）MPa 之間，與國內已建類似工程如大朝山水電站、索風營水電站等碾壓混凝土壩的設計指標和實際檢測結果基本一致且粘聚力c′較之略高。

（2）碾壓混凝土接近初凝階段，層面鋪灑水泥凈漿的摩擦系數f′均高于其他處理工藝，粘聚力c′與初凝前相當，但明顯高于初凝后。

（3）碾壓混凝土終凝后，層間結合采用沖毛鋪砂漿和鋪高一個等級一級配常態混凝土的處理工藝，其極限抗剪強度、摩擦系數和粘聚力結果基本相同，均低于初凝前層面鋪灑水泥凈漿的極限抗剪強度、摩擦系數和粘聚力。

（4）采用砂巖石粉作為摻和料的碾壓混凝土工作性和可碾性均較好，但在原位抗剪試驗中發現骨料有裹粉現象，在粗骨料生產中應引起高度重視。