高摻粉煤灰碾壓混凝土在筑壩工程中的應用

張漢濤，蔡杰龍，饒宇豪

(1.梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設管理處，廣東 梅州 514021；2.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 510635；4.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510635；5.梅州市水利水電勘測設計院，廣東 梅州 514021)

1 概述

近些年，我國社會經濟不斷發展，大量的民生水利工程，特別是水庫大壩的建設如火如荼。其中，碾壓混凝土筑壩技術作為最常用的施工技術在全國各地得到了廣泛應用。碾壓混凝土又稱“貧水泥混凝土”，是一種干硬性無坍落度的混凝土，具有施工快、水化熱低、造價低等優點[1-2]，在筑壩工程中發揮著極其重要的作用。進入21世紀，我國在建設水庫大壩的過程中，已經積累了豐富的設計與施工經驗，其中，碾壓混凝土的原材料和配合比優化設計是筑壩工程施工能否成功的關鍵。包括摻合料、外加劑使用技術等。

粉煤灰作為一種活性摻合料，在節約水泥用量、改善碾壓混凝土性能、降低水化溫升方面發揮著積極的作用。近十幾年來，大量的粉煤灰應用于混凝土工程中，特別是水利水電工程中，幾乎沒有不摻粉煤灰的大壩混凝土[3-5]。不同的碾壓混凝土壩粉煤灰的摻量不同，一般摻量占總膠凝材料用量的30%～60%，具體摻量通過實驗確定。如三峽工程3期碾壓混凝土圍堰工程中粉煤灰的摻量為50%，觀音閣水庫碾壓混凝土粉煤灰摻量最高達60%，棉花灘工程3級碾壓混凝土粉煤灰摻量為65%，石門子工程3級配碾壓混凝土中粉煤灰摻量為63%。為了發揮粉煤灰在碾壓混凝土筑壩工程中獨特的優越性，同時滿足施工及結構設計對碾壓混凝土的技術性能要求，本工程有必要進行高摻粉煤灰碾壓混凝土的各項技術性能試驗及其在工程中的應用效果評價，以實現優質綠色工程目標，同時為國內外同類筑壩工程提供重要參考。

2 試驗內容

2.1 試驗材料

1) 水泥

采用華潤水泥有限公司生產的“潤豐牌”P·O42.5水泥，其物理力學性能試驗結果見表1。

表1 華潤P·O42.5物理力學性能指標試驗結果

2) 粉煤灰

采用福建省龍巖龍能粉煤灰綜合利用有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，其品質試驗結果見表2。

表2 粉煤灰品質檢驗結果

3) 天然河砂

采用韓江河砂，其品質檢驗結果見表3。

表3 天然河砂品質檢驗結果

4) 碎石

采用當地石料場生產的碎石，粒徑規格為：5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm(品質檢驗結果見表4)。

表4 碎石品質檢驗結果

5) 其他材料

本試驗中使用的氧化鎂采用武漢某公司生產的MAG型混凝土氧化鎂膨脹劑，各項指標符合《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》(DL/T 5296—2013)；HWR-R型緩凝高效減水劑和AE-TD05型引氣劑各項性能指標分別符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)標準中緩凝型高效減水劑(HWR-R)和引氣劑(AE)的技術要求。

2.2 混凝土配合比設計

本工程設計的碾壓混凝土為3級配，最大水灰比不得大于0.65，總膠凝材料用量不宜低于130 kg/m3，氧化鎂摻量為總膠凝材料的5.0%，混凝土中需摻入一定比例引氣劑，含氣量宜控制在2.0%～3.5%，初凝時間不宜小于6 h，終凝時間不宜大于10 h；混凝土設計表觀密度宜大于等于2 250 kg/m3，強度等級為C9010，且強度保證率不得低于80%，90 d抗滲等級為W2，90 d抗凍等級為F50。碾壓混凝土拌合物在倉面的VC值宜控制在3～8 s，碾壓后的混凝土相對密實度應達到97%以上。根據設計要求，本次3種不同粉煤灰摻量的混凝土配合比設計參數見表5所示。

表5 碾壓混凝土配合比

2.3 碾壓混凝土性能測試

本次碾壓混凝土各項性能指標的測試均參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》執行。

2.4 現場施工質量評價

現場施工工藝包括原材料計量、攪拌、運輸、卸料、平倉和碾壓等。現場碾壓時對碾壓混凝土的工作性能包括Vc值和表觀密度進行實時檢測，施工后達到一定設計齡期，鉆孔取芯對混凝土芯樣質量進行綜合評定。

3 試驗結果與分析

3.1 碾壓混凝土工作性能

本次對碾壓混凝土的Vc值、含氣量和凝結時間3項指標進行測試(見表6所示)。

表6 碾壓混凝土工作性能試驗結果

根據測試結果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土的Vc值逐漸減小，當粉煤灰摻量達到74%時，碾壓混凝土工作性能最好。同時，含氣量和凝結時間均能滿足設計要求。試驗結果表明，粉煤灰摻量增加到一定程度(74%)對碾壓混凝土工作性能具有改善作用。

3.2 碾壓混凝土力學性能

本次對碾壓混凝土14 d、28 d、90 d的抗壓強度和劈裂抗拉強度兩項指標進行測試，結果如圖1～2所示。

圖1 碾壓混凝土抗壓強度測試結果示意

圖2 碾壓混凝土劈裂抗拉強度測試結果示意

根據測試結果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均有一定程度的提高。究其原因，主要是粉煤灰具有的形態效應、活性效應和微集料效應共同作用的結果，其摻量的增加對硬化混凝土的微觀結構和力學性能具有一定程度的改善作用。

3.3 碾壓混凝土耐久性能

本次對碾壓混凝土90 d的抗滲等級和抗凍等級兩項指標進行測試(見表7所示)。

表7 碾壓混凝土耐久性能試驗結果

根據測試結果可知，不同粉煤灰摻量下的3種碾壓混凝土90 d抗滲等級和抗凍等級均能滿足設計要求，其中隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土經25次和50次凍融循環后的相對動彈性模量均有提高，質量損失率均有降低，即抗凍性能整體有所提高，主要源于粉煤灰摻量的增加使碾壓混凝土微觀結構更加密實有關。

3.4 碾壓混凝土現場施工質量評價

本工程選用了PH-3#碾壓混凝土配合比進行現場施工。具體施工工藝為：采用大倉面薄層連續鋪筑，鋪筑方法為平層通倉法，采用20 t自卸車進倉及退鋪法卸料，卸料后推土機平倉，再采用BW203-AD 振動碾進行碾壓，碾壓遍數控制為“2(靜碾)+6(振碾)+2(靜碾)”，振動碾行走速度控制在1.0～1.5 km/h，混凝土拌合物從拌和到碾壓完畢歷時控制在2 h以內。鋪筑層以固定方向逐條帶鋪筑，每個碾壓條帶作業結束后，按網格布點檢測混凝土的表觀密度。具體施工質量評價如下。

1) 碾壓混凝土工作性能

經測試倉面的碾壓混凝土Vc值為4.5～6.0 s，倉面整體表面濕潤，漿體均勻，骨料未出現分離，混凝土可碾性良好。碾壓混凝土條帶作業結束，經布點檢測碾壓混凝土表觀密度為2 365～2 410 kg/m3，相對密實度為98%～100%，滿足設計要求(如圖3所示)。

圖3 碾壓混凝土現場施工示意

2) 碾壓混凝土力學性能和耐久性能

本次通過鉆孔取芯綜合評價碾壓混凝土的力學性能和耐久性能，鉆取碾壓混凝土芯樣共14.6 m，鉆孔直徑為219 mm，芯樣直徑為193 mm。

根據對現場芯樣進行分析可知，芯樣表面光滑、致密、骨料分布均勻，達到優良標準。芯樣斷口吻合，各碾壓層的層間結合良好(見圖4)。經截取標準芯樣對自然狀態下的表觀密度、抗壓強度(高徑比1:1)、抗滲等級和抗凍等級進行測試，測試齡期為635 d，每個指標各測試3組，測試結果見表8所示。

圖4 碾壓混凝土現場芯樣示意

表8 碾壓混凝土芯樣測試結果

根據測試結果可知，施工后的碾壓混凝土表觀密度、芯樣抗壓強度、抗滲等級和抗凍等級均能滿足設計要求。

綜上測試結果分析可知，當粉煤灰摻量達到74%時，碾壓混凝土的施工質量包括工作性能、力學性能和耐久性能均能滿足設計要求。

4 結語

1) 高摻粉煤灰對碾壓混凝土工作性能具有改善作用，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均有一定程度的提高，90 d的抗滲性能和抗凍性能均有一定幅度的提升。摻量達到74%的高摻粉煤灰碾壓混凝土室內各項性能測試結果均能滿足設計要求，可為現場施工提供重要參考依據。

2) 現場碾壓混凝土性能測試結果與室內成型的混凝土試件性能基本一致。當粉煤灰摻量達到74%時，碾壓混凝土可碾性和抗離析性良好，鉆孔取芯結果證明力學性能和耐久性能均能滿足設計要求。高摻粉煤灰碾壓混凝土在本筑壩工程中的成功應用，可為國內外同類工程提供借鑒與參考。