淺析巴基斯坦NJ工程貧膠混凝土配合比設計及應用

梅丹

摘 要 貧膠混凝土英文名稱為Hard-Fill Concrete（HFC），或者Cement Sand and Gravel（CSG），此筑壩技術結合了面板堆石壩和碾壓混凝土壩的特點，具有適應性廣、施工快捷、安全環保、投資經濟的優越性，是一種極富潛力的筑壩新技術。巴基斯坦NJ工程根據汛期行洪情況，為充分利用沉砂池開挖料，上游圍堰采用貧膠混凝土筑壩技術從施工效率和經濟上均是首選。在有效時間30d的情況下圍堰總填筑量1.8萬m3，順利在2012年汛期前完成貧膠混凝土填筑，并順利通過2012年和2013年2個汛期考驗。

關鍵詞 貧膠混凝土；HFC；CSG；配合比設計及應用

1 概述

貧膠混凝土筑壩技術結合了面板堆石壩和碾壓混凝土壩的特點，是國際上近年發展起來的新型筑壩技術，其特點是采用少量的膠凝材料（理論不超過100kg/m3水泥）和砂礫石材料拌和筑壩，使用高效率的土石方運輸機械和壓實機械施工，施工快速、節省投資、安全環保。與常規的混凝土和土石料筑壩相比，優點明顯，近年在日本、土耳其、希臘等國家的水電工程得到應用，其中以日本居多，主要應用于圍堰筑壩。由于是一種新型筑壩技術，實踐研究剛剛起步，國際上無任何認證的施工標準體系，故此技術在國內工程施工中幾乎是空白，有資料可查的是2006年在福建洪口工程上游圍堰運用了貧膠混凝土筑壩技術，取得了良好的效果。貧膠混凝土在巴基斯坦NJ工程的成功運用給今后國內外此類技術的研究及探討奠定了理論依據。

2 工程概況

巴基斯坦NJ工程位于巴基斯坦巴控克什米爾地區，為長隧洞引水式工程。本工程在尼魯姆河上建攔水壩和取水口，開挖一條軸線長28.6公里的引水隧洞將河水引入地下電站廠房，利用期間河水天然落差發電，電站尾水經尾水洞再次匯入尼魯姆河。電站總裝機四臺，發電總容量969兆瓦，工作水頭為420米。永久建筑物主要由右岸導流隧洞、混凝土重力壩、左岸進水口和沉砂池、左岸引水隧洞、調壓井、地下廠房、開關站及附屬設施等組成。

3 貧膠混凝土配合比設計

3.1 設計要求

貧膠混凝土設計強度為91d齡期3MPa，骨料最大粒徑250mm，全料含泥量小于5%。VB值控制在14s～19s，現場壓實度大于98%。

3.2 試驗材料

水泥采用FAUJI OPC水泥，其物理性能指標均滿足要求。

骨料采用來源于沉砂池沙礫料。圖1列出本次室內拌和用沙礫料尺寸分布。

圖1 室內拌和用沙礫料粒徑尺寸分布

從圖1可以看出，本次試驗用沙礫料級配曲線平滑，說明級配良好，但是沙礫料砂率偏低，僅17.8%，低于試驗研究的理想值27%～35%。考慮到現場施工操作便利和經濟因素，本次試驗未另外添加人工砂以補充砂率，先進行室內試驗檢驗強度指標是否能達到設計要求。

為保證施工質量，現場施工用沙礫料料源優選含砂率相對豐富的區域，施工期間實測沙礫料含砂率基本處于20%～30%范圍。從現場碾壓效果情況看，表面平整光滑，局部骨料集中、缺砂的范圍較少。

3.3 配合比設計

參考國內外貧膠混凝土配合比，其容重值一般為2200kg/m3～2400kg/m3，適宜采用容重法進行配合比設計，擬采用理論容重值為2400kg/m3。膠凝材料用量選擇上，參考試驗研究推薦的60～100kg/m3，考慮到本次試驗用砂礫料含砂率偏低，故擬采用100kg/m3水泥用量。水灰比分別采用1.0和0.8。成型方法按照美國ASTM C1176碾壓混凝土成型標準，即試模尺寸選取Φ150×300mm，配重塊為9.1kg，分三層振搗，振搗時間為拌和物表面返漿為準。由于VB值控制值較大，兩個配合比拌和物均顯得干澀，部分試件表面蜂窩麻面較多，主要是膠凝材料和砂率偏低造成。總體成型質量水灰比1.0的試件表面相對要略好于水灰比0.8。具體室內試驗成果見表1。

從表1試驗成果可以看出，兩個配合比參數的28d抗壓強度均大于3 MPa，并且水灰比1.0的容重和抗壓強度均大于水灰比0.8。主要由于水泥用量一定，用水量的降低，極易造成拌和物干澀影響成型質量，最終影響強度結果。綜合分析后擬采用水灰比1.0配合比參數作為施工配合比。

4 現場生產性試驗

為驗證貧膠配合比適用性并確定生產施工工藝，需在正式施工前進行現場生產性試驗。本次使用沙礫料含砂率25.5%，基本接近理想值。以下從四個方面闡述試驗內容。

4.1 施工工藝

（1）拌制、攤鋪及碾壓工藝。拌制：砂礫石計量按反鏟斗容量計算水泥用量。為保證水泥拌和均勻性，采用分層投料拌和，并在每層拌和中噴曬適量拌和用水。拌和料現拌現用，現場存放時間不宜超過2小時。

攤鋪：機械設備入倉前需在洗車區內將車輪和履帶沖洗干凈方可入倉。貧膠混凝土采用平攤法鋪料，推土機平整。使用人工及時分散集中的骨料，并將最大粒徑超過250mm骨料剔除。對于攤鋪完成后粗集料集中的表面，采用人工鋪灑細集料填補。攤鋪厚度控制在40cm～45cm，壓實厚度控制在35cm左右。厚度控制方法參考模板處每35cm標示層面線。攤鋪、碾壓完成后，采用方格網測量的方式檢查實際攤鋪厚度和壓實厚度。

碾壓：采用25t輪式振動碾錯輪碾壓方式即后退輪幅覆蓋前進輪輻半幅輪距，行駛速度為1～2km/h，行進方式錯輪碾壓。碾壓遍數2+X+2遍意為先2遍靜碾找平，X遍為強振碾壓，在動碾完成后需對貧膠混凝土表面進行收面處理，采用輪式振動碾弱振快速行駛碾壓2遍，周邊和局部采用手扶式振動碾碾壓，直至整個幅面返漿充分。

（2）冷縫處理。每個層面施工必須在12小時內完成，否則按冷縫處理。參考在用碾壓混凝土冷縫處理方式，層面鋪灑5mm～10mm厚層面砂漿方式處理。

（3）變態砼。為降低引水面及岸坡建基面的滲透，上下游模板區域及岸坡段1m寬的范圍內進行人工表面灑漿振搗方式。參考在用碾壓混凝土加漿量，水泥漿液水灰比0.50，按照40L/m3加漿。拆模后觀察變態混凝土表面平整、光滑、無蜂窩麻面，說明加漿量充分。

4.2 現場試驗

現場試驗主要包括VB值和壓實度測試。其中VB值控制均在14s～19s范圍內；壓實度測試分別在碾壓遍數2+6+2和2+8+2后進行，現場用灌水法分別檢測的碾壓遍數2+6+2壓實度度為91.9%（2188kg/m3）、碾壓遍數2+8+2壓實度為98.2%（2337kg/m3），故選取2+8+2為推薦碾壓遍數。由于貧膠混凝土為現場拌和，現場加水量不宜控制，影響VB值波動，故施工期間實際動碾遍數要求不低于8遍，以表面返漿，無明顯車痕控制為準。統計施工期間實測干密度在2340kg/m3～2422kg/m3范圍、平均值2367 kg/m3。

4.3 室內試驗

室內試驗主要包括抗壓強度測試。本次成型7d齡期和28d齡期試件，其中7d齡期強度非常低，幾乎無法進行試驗，28d齡期強度也僅有1.93MPa、2.20MPa和2.76MPa。分析強度偏低原因，主要是現場不方便架設振動臺，樣品只能托運回試驗室成型，期間耗時過長，加上8月份中午氣溫較高，水分損失較快，導致室內成型效果不佳。以上情況充分說明，現場拌和料只有隨拌隨用，縮短運輸、攤鋪、碾壓工序時間，盡早封閉混凝土表面，避免水分散失是貧膠混凝土質量控制的關鍵因素。施工期間避免水分散失可采取噴霧方式補充水分是行之有效的解決途徑。統計施工期間抗壓強度，其中28d齡期在2.4MPa～5.6MPa范圍、平均值4.0MPa，91d齡期在3.7MPa～8.9MPa范圍、平均值6.5MPa。

4.4 現場取芯

當貧膠混凝土達到28d齡期時，進行現場取芯。觀察芯樣表面光滑、平整，主要因為本次生產性試驗用沙礫料含砂率25.5%高于室內拌和試驗17.8%， 含砂率的提高，易使骨料間膠結密實。本次芯樣測試抗壓強度6個，分布在3.6MPa～5.6MPa范圍、平均值4.1MPa，均滿足設計強度要求。

5 運行概括

上游貧膠混凝土圍堰施工期僅僅用時一個月，總填筑量1.8萬m3，期間嚴格按照現場生產性試驗成果進行工藝流程控制，確保了工程質量。建成后經歷2012年和2013年兩次洪水，均安全度汛，壩體至今安全、穩定。

6 結束語

貧膠混凝土在高度20m的巴基斯坦NJ工程上游過水圍堰得到了成功應用，實踐證明其綜合了面板堆石壩和碾壓混凝土壩兩種主流壩的優點，具有壩基適應性廣、施工快捷、安全環保、投資經濟的優越性，是一種極富潛力的筑壩新技術，今后國內外工程可以此借鑒，逐步推廣應用。