高掺粉煤灰碾压混凝土在筑坝工程中的应用

张汉涛，蔡杰龙，饶宇豪

(1.梅州市大埔韩江高陂水利枢纽工程建设管理处，广东 梅州 514021；2.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；3.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635；4.广东省水利重点科研基地，广东 广州 510635；5.梅州市水利水电勘测设计院，广东 梅州 514021)

1 概述

近些年，我国社会经济不断发展，大量的民生水利工程，特别是水库大坝的建设如火如荼。其中，碾压混凝土筑坝技术作为最常用的施工技术在全国各地得到了广泛应用。碾压混凝土又称“贫水泥混凝土”，是一种干硬性无坍落度的混凝土，具有施工快、水化热低、造价低等优点[1-2]，在筑坝工程中发挥着极其重要的作用。进入21世纪，我国在建设水库大坝的过程中，已经积累了丰富的设计与施工经验，其中，碾压混凝土的原材料和配合比优化设计是筑坝工程施工能否成功的关键。包括掺合料、外加剂使用技术等。

粉煤灰作为一种活性掺合料，在节约水泥用量、改善碾压混凝土性能、降低水化温升方面发挥着积极的作用。近十几年来，大量的粉煤灰应用于混凝土工程中，特别是水利水电工程中，几乎没有不掺粉煤灰的大坝混凝土[3-5]。不同的碾压混凝土坝粉煤灰的掺量不同，一般掺量占总胶凝材料用量的30%～60%，具体掺量通过实验确定。如三峡工程3期碾压混凝土围堰工程中粉煤灰的掺量为50%，观音阁水库碾压混凝土粉煤灰掺量最高达60%，棉花滩工程3级碾压混凝土粉煤灰掺量为65%，石门子工程3级配碾压混凝土中粉煤灰掺量为63%。为了发挥粉煤灰在碾压混凝土筑坝工程中独特的优越性，同时满足施工及结构设计对碾压混凝土的技术性能要求，本工程有必要进行高掺粉煤灰碾压混凝土的各项技术性能试验及其在工程中的应用效果评价，以实现优质绿色工程目标，同时为国内外同类筑坝工程提供重要参考。

2 试验内容

2.1 试验材料

1) 水泥

采用华润水泥有限公司生产的“润丰牌”P·O42.5水泥，其物理力学性能试验结果见表1。

表1 华润P·O42.5物理力学性能指标试验结果

2) 粉煤灰

采用福建省龙岩龙能粉煤灰综合利用有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其品质试验结果见表2。

表2 粉煤灰品质检验结果

3) 天然河砂

采用韩江河砂，其品质检验结果见表3。

表3 天然河砂品质检验结果

4) 碎石

采用当地石料场生产的碎石，粒径规格为：5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm(品质检验结果见表4)。

表4 碎石品质检验结果

5) 其他材料

本试验中使用的氧化镁采用武汉某公司生产的MAG型混凝土氧化镁膨胀剂，各项指标符合《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL/T 5296—2013)；HWR-R型缓凝高效减水剂和AE-TD05型引气剂各项性能指标分别符合《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)标准中缓凝型高效减水剂(HWR-R)和引气剂(AE)的技术要求。

2.2 混凝土配合比设计

本工程设计的碾压混凝土为3级配，最大水灰比不得大于0.65，总胶凝材料用量不宜低于130 kg/m3，氧化镁掺量为总胶凝材料的5.0%，混凝土中需掺入一定比例引气剂，含气量宜控制在2.0%～3.5%，初凝时间不宜小于6 h，终凝时间不宜大于10 h；混凝土设计表观密度宜大于等于2 250 kg/m3，强度等级为C9010，且强度保证率不得低于80%，90 d抗渗等级为W2，90 d抗冻等级为F50。碾压混凝土拌合物在仓面的VC值宜控制在3～8 s，碾压后的混凝土相对密实度应达到97%以上。根据设计要求，本次3种不同粉煤灰掺量的混凝土配合比设计参数见表5所示。

表5 碾压混凝土配合比

2.3 碾压混凝土性能测试

本次碾压混凝土各项性能指标的测试均参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》执行。

2.4 现场施工质量评价

现场施工工艺包括原材料计量、搅拌、运输、卸料、平仓和碾压等。现场碾压时对碾压混凝土的工作性能包括Vc值和表观密度进行实时检测，施工后达到一定设计龄期，钻孔取芯对混凝土芯样质量进行综合评定。

3 试验结果与分析

3.1 碾压混凝土工作性能

本次对碾压混凝土的Vc值、含气量和凝结时间3项指标进行测试(见表6所示)。

表6 碾压混凝土工作性能试验结果

根据测试结果可知，随着粉煤灰掺量的增加，碾压混凝土的Vc值逐渐减小，当粉煤灰掺量达到74%时，碾压混凝土工作性能最好。同时，含气量和凝结时间均能满足设计要求。试验结果表明，粉煤灰掺量增加到一定程度(74%)对碾压混凝土工作性能具有改善作用。

3.2 碾压混凝土力学性能

本次对碾压混凝土14 d、28 d、90 d的抗压强度和劈裂抗拉强度两项指标进行测试，结果如图1～2所示。

图1 碾压混凝土抗压强度测试结果示意

图2 碾压混凝土劈裂抗拉强度测试结果示意

根据测试结果可知，随着粉煤灰掺量的增加，不同龄期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均有一定程度的提高。究其原因，主要是粉煤灰具有的形态效应、活性效应和微集料效应共同作用的结果，其掺量的增加对硬化混凝土的微观结构和力学性能具有一定程度的改善作用。

3.3 碾压混凝土耐久性能

本次对碾压混凝土90 d的抗渗等级和抗冻等级两项指标进行测试(见表7所示)。

表7 碾压混凝土耐久性能试验结果

根据测试结果可知，不同粉煤灰掺量下的3种碾压混凝土90 d抗渗等级和抗冻等级均能满足设计要求，其中随着粉煤灰掺量的增加，碾压混凝土经25次和50次冻融循环后的相对动弹性模量均有提高，质量损失率均有降低，即抗冻性能整体有所提高，主要源于粉煤灰掺量的增加使碾压混凝土微观结构更加密实有关。

3.4 碾压混凝土现场施工质量评价

本工程选用了PH-3#碾压混凝土配合比进行现场施工。具体施工工艺为：采用大仓面薄层连续铺筑，铺筑方法为平层通仓法，采用20 t自卸车进仓及退铺法卸料，卸料后推土机平仓，再采用BW203-AD 振动碾进行碾压，碾压遍数控制为“2(静碾)+6(振碾)+2(静碾)”，振动碾行走速度控制在1.0～1.5 km/h，混凝土拌合物从拌和到碾压完毕历时控制在2 h以内。铺筑层以固定方向逐条带铺筑，每个碾压条带作业结束后，按网格布点检测混凝土的表观密度。具体施工质量评价如下。

1) 碾压混凝土工作性能

经测试仓面的碾压混凝土Vc值为4.5～6.0 s，仓面整体表面湿润，浆体均匀，骨料未出现分离，混凝土可碾性良好。碾压混凝土条带作业结束，经布点检测碾压混凝土表观密度为2 365～2 410 kg/m3，相对密实度为98%～100%，满足设计要求(如图3所示)。

图3 碾压混凝土现场施工示意

2) 碾压混凝土力学性能和耐久性能

本次通过钻孔取芯综合评价碾压混凝土的力学性能和耐久性能，钻取碾压混凝土芯样共14.6 m，钻孔直径为219 mm，芯样直径为193 mm。

根据对现场芯样进行分析可知，芯样表面光滑、致密、骨料分布均匀，达到优良标准。芯样断口吻合，各碾压层的层间结合良好(见图4)。经截取标准芯样对自然状态下的表观密度、抗压强度(高径比1:1)、抗渗等级和抗冻等级进行测试，测试龄期为635 d，每个指标各测试3组，测试结果见表8所示。

图4 碾压混凝土现场芯样示意

表8 碾压混凝土芯样测试结果

根据测试结果可知，施工后的碾压混凝土表观密度、芯样抗压强度、抗渗等级和抗冻等级均能满足设计要求。

综上测试结果分析可知，当粉煤灰掺量达到74%时，碾压混凝土的施工质量包括工作性能、力学性能和耐久性能均能满足设计要求。

4 结语

1) 高掺粉煤灰对碾压混凝土工作性能具有改善作用，随着粉煤灰掺量的增加，不同龄期(14 d、28 d和90 d)的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均有一定程度的提高，90 d的抗渗性能和抗冻性能均有一定幅度的提升。掺量达到74%的高掺粉煤灰碾压混凝土室内各项性能测试结果均能满足设计要求，可为现场施工提供重要参考依据。

2) 现场碾压混凝土性能测试结果与室内成型的混凝土试件性能基本一致。当粉煤灰掺量达到74%时，碾压混凝土可碾性和抗离析性良好，钻孔取芯结果证明力学性能和耐久性能均能满足设计要求。高掺粉煤灰碾压混凝土在本筑坝工程中的成功应用，可为国内外同类工程提供借鉴与参考。