许崇欣
(黑龙江省穆棱市奋斗水库项目建设管理处，黑龙江 穆棱 157599)
摘 要：黑龙江省穆棱市奋斗水库工程所在地为北方严寒地区，混凝土抗冻等耐久性能求高，碾压混凝土配合比抗冻等级跨度大，从F50、F100至F300，混凝土设计要求也就更高，骨料采用天然砂石料，石粉含量极少且含泥量高，配合比设计带来一定的难度。文章主要介绍大坝碾压混凝土原材料检测及配合比设计过程及混凝土性能结果。
关键词：奋斗水库；碾压混凝土；材料检测；配合比设计
奋斗水库行政区划属于黑龙江省穆棱市，距穆棱镇东南14.1km的穆棱河干流上游。水库以城镇供水为主，结合防洪，兼顾灌溉和发电等综合利用任务。水库为大(2)型，属Ⅱ等工程。主要建筑物挡水坝段、泄水坝段、进水口坝段、鱼道过坝段为2级，导流洞封堵标准为2级：厂房、鱼道坝进、出水口、鱼池及次要建筑物为3级，电站坝后式厂房为小(2)型，3级建筑物。导流建筑物为4级；进场道路等级参照4级，坝下交通桥为大桥，汽车荷载等级为公路—Ⅱ级；坝肩边坡为2级，电站厂房边坡为3级。水库正常蓄水位为382.00m，死水位为362.00m，装机容量4.0MW，多年平均发电量1060×104kW·h。
奋斗水库工程混凝土工程量共约277247m3，其中常态混凝土45426m3，碾压及变态混凝土231821m3。本工程合同总工期36个月(2015年11月1日—2018年 10月31 日)。水库大坝所在地区为严寒地区，外部和水位变化区混凝土抗冻性能要求高。碾压混凝土配合比特点是抗冻等级跨度大，骨料采用开采至河床的天然砂石骨料，天然砂中石粉含量极少且含泥量大，混凝土配合比设计试验工作量较大。
2.1 碾压混凝土配合比设计等级、使用部位及技术要求
碾压混凝土配合比强度等级、使用部位及技术要求见表1。
表1 碾压混凝土技术要求
设计指标碾压混凝土防渗层死水位以上及下游外表面防渗层死水位以下内部分区编号RIRⅢRⅡ名称C9025W6F300C9020W6F100C9015W4F50设计龄期/d909090强度保证率/%808080抗渗等级(90d)W6W6W4抗冻等级(90d)F300F100F50极限拉伸值≥(10-4)28d0.750.750.790d0.80.80.75层面抗剪断强度均值≥(90d,保证率80%)f1.11.11.1C/MPa1.731.731.73线膨胀系数(10-5/℃)≤0.77≤0.77≤0.77绝热温升(28d)≤27℃≤27℃≤18℃容重≥(kg/m3)235023502350相对密实度≥/%989898级配二二三Vc值(出机口)2s-5s2s-5s2s-5s
2.2 碾压混凝土配制强度
配置强度计算公式采用：
fcu,o=fcu,k+tσ
(1)
式中：fcu,o为混凝土的配制强度，MPa；fcu,k为混凝土设计龄期的强度标准值，MPa；t为概率度系数，依据保证率P选定；σ为混凝土强度标准差。
碾压混凝土配合比配制强度见表2。
表2 碾压混凝土配合比配制强度
序号混凝土等级抗压强度及配制强度要求28d90d保证率/%标准差/MPa标准值fcuk/MPa配制强度/MPa保证率/%标准差/MPa标准值fcuk/MPa配制强度/MPa备注(级配)1C9025W6F300////804.025.028.422C9020W6F100////804.020.023.423C9015W4F50C9015F50////803.515.017.93
3.1 水泥品质检测
使用的水泥为牡丹江北方水泥有限公司生产的“牡丹江”牌P.MH42.5水泥，水泥密度3.16 g/cm3，比表面积300m2/kg，28d抗压强度44.6 MPa，碱含量0.49%，氧化镁含量2.00%，3d水化热237 KJ/kg，7d水化热270 KJ/kg，水泥所检性能都满足规范要求。
3.2 粉煤灰品质检测
粉煤灰采用大唐七台河发电有限责任公司生产的F类I级粉煤灰，密度2.22 g/cm3 ，细度6.6%，需水量比94%,烧失量3.21%，28天活性指数74%，CaO含量0.76%，粉煤灰质量较优，所检测指标都符合F类I级粉煤灰要求。
3.3 细骨料(天然砂)
本工程使用的细骨料为奋斗水库库区腰岭子料场开采的混合料筛分的天然砂，送检的原样天然砂含泥量高达8.7%，且颗粒较粗，细度模数FM=3.13，不适合直接配制碾压混凝土及进行碾压混凝土配合比试验。在进行配合比试验前对原砂样进行处理，筛去部分粗颗粒(去掉5mm以上及约1/3的2.5mm以上的颗粒)，经水洗去掉大部分泥土后脱水，并对加工处理后的天然砂进行检测并用于碾压混凝土配合比试验。
筛洗后天然砂细度模数为2.96，表观密度2620kg/cm3,饱和面干密度2.57g/cm3，吸水率2.2%，云母含量0，细度模数2.96，属中砂，含泥量2.6%，坚固性6.0%，碱骨料反应膨胀率(14d砂浆棒快速测定)0.02%，骨料无碱活性。处理后的砂样已检项目符合规范要求，且采用粉煤灰替代部分天然砂后，砂的细度模数将进一步降低，细骨料生产中应保证砂的含泥量≤3%，细度模数控制在2.2-3.0。
3.4 粗骨料
本工程碾压混凝土使用的粗骨料为奋斗水库库区腰岭子料场开采的混合料冲洗筛分的天然卵石，共分3个粒级，粒径分别为5-20mm、20-40mm、40-80mm。3个粒级表观密度分别为2710kg/m3、2750kg/m3、2730kg/m3，面干密度分别为2.64 g/cm3、2.70 g/cm3、2.70g/cm3，面干吸水率分别为1.50%、1.06%、0.68%，骨料吸水率总体偏大，坚固性分别为8%、3%、0，小石坚固性偏大，组合后骨料坚固性满足抗冻混凝土要求。碱骨料反应膨胀率(14d砂浆棒快速测定)0.03%，骨料无碱活性。根据试验碾压混凝土三级配骨料比例为：小石∶中石∶大石=30∶40∶30，二级配骨料比例为：小石∶中石=40∶60[1]。
3.5 混凝土外加剂
碾压混凝土减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的萘系SBTJM-II缓凝高效减水剂及高效引气剂GYQ-I，掺用外加剂的混凝土物理、力学性能检测结果见表5。
表5 掺用外加剂的混凝土物理、力学性能检测结果
序号外加剂名称、掺量减水率/%含气量/%泌水率比/%凝结时间差/min抗压强度比/%初凝终凝7d28d1SBTJM-II(0.7%)19.01.7652522591721392引气剂GYQ-I(固50%)(0.01%)6.54.94056679388DL/T5100-2014缓凝高效减水剂≥15<>
备注：基准用水量200Kg，初凝时间为456min，终凝时间为648min，泌水率为8.8%，7d抗压强度为16.9MPa,28d抗压强度为28.1MPa。
碾压混凝土强调拌和物的黏聚性和施工的可碾性及层间结合，由于本工程碾压混凝土细骨料采用天然砂，<>
4.1 天然砂中粉煤灰替代率的确定
根据筛除部分>2.5mm颗粒和冲洗后的天然砂细度模数仍较大，FM为2.96;结合国内许多工程施工经验和本工程不同粉煤灰替砂率的碾压混凝土拌和效果，确定天然砂细骨料中粉煤灰的替砂率(体积比)为10%。这样细骨料的细度模数可降至2.71，适宜碾压混凝土用砂。
4.2 碾压混凝土引气剂掺量确定
1)碾压混凝土不同引气剂掺量与含气量关系,见表6。
2) 结合国内相关工程经验及本工程采用天然砂，使用部分粉煤灰替石粉，而三级配和二级配碾压混凝土的掺灰量分别为55%和45%。根据试验结果及规范要求，三级配C9015W4F50和C9015F50碾压混凝土的引气剂掺量为胶凝材料的0.06%，二级配C9020W6F100碾压混凝土的引气剂掺量0.08%，二级配C9025W6F300碾压混凝土的引气剂掺量0.16%。不同引气剂掺量与含气量关系见表6。
表6 碾压混凝土不同引气剂掺量与含气量关系(减水剂掺量0.8%)
引气剂掺量/%混凝土种类 三级配(W/(C+F)=0.55,F=55%,减水剂0.8%,粉煤灰替砂率10%,W=82kg/m3),Vc=2s-5s00.030.040.050.060.080.100.120.140.16碾压混凝土(VC=2-5S)0.92.22.52.83.03.43.74.14.44.7 引气剂掺量/%混凝土种类 二级配(W/(C+F)=0.45,F=45%,减水剂0.8%,粉煤灰替砂率10%,W=90kg/m3),Vc=2s-5s00.040.060.080.100.120.140.160.180.20碾压混凝土(VC=2-5S)1.12.83.33.84.24.54.85.15.45.6
4.3 碾压混凝土砂率与用水量确定
4.3.1 碾压混凝土砂率确定
碾压混凝土砂率与Vc值关系试验结果见表7及图1、图2。
表7 碾压混凝土砂率与Vc值关系
级 配三级配(灰50%,减水剂0.8%,引气剂0.06%)W/(C+F)=0.55,W=82kg/m3),灰替砂10%二级配(灰45%,减水剂0.8%,引气剂0.16%)W/(C+F)=0.45,W=90kg/m3),灰替砂10%砂率/%VC/S砂率/%VC/S305.5345.4314.8354.7324.2364.0334.7374.6345.1385.2355.8396.1
图1 碾压混凝土砂率与Vc值关系图(三级配)
图2 碾压混凝土砂率与Vc值关系图(二级配)
由表7可知：
1)三级配碾压混凝土，当用水量为82kg/m3,砂率为32%时，VC值最小；二级配碾压混凝土，当用水量为90kg/m3,砂率为36%时，VC值最小。
2)为了保证现场碾压混凝土可碾性，在上述最佳砂率的基础上分别增加1%，即三级配碾压混凝土砂率为33%，二级配碾压混凝土的砂率为37%[2]。
4.3.2 碾压混凝土用水量确定
碾压混凝土用水量与Vc值关系试验结果见表8。
表8 碾压混凝土用水量确定
级 配三级配(灰50%,减水剂0.8%,引气剂0.06%)W/(C+F)=0.55),灰替砂10%,砂率33%二级配(灰45%,减水剂0.8%,引气剂0.16%)W/(C+F)=0.45),灰替砂10%,砂率37%用水量(kg/m3)VC(S)用水量(kg/m3)VC(S)767.5866.8786.2885.6805.3904.5824.6923.5843.6942.6862.5961.8
由表8可知：为了保证二、三级配碾压混凝土VC值在2-5S范围内，确定三级配碾压混凝土用水量为84 kg/m3,二级配碾压混凝土用水为92 kg/m3。
4.4 碾压混凝土VC值经时损失测定
4.4.1 碾压混凝土VC值经时损失检测结果
4.4.2 碾压混凝土Vc值经时损失测定结果分析
由图3-6可知：
1)三级配和二级配碾压混凝土在环境温度为21℃时，经过2.5h后VC值还保留在10s以内，可满足现场施工需要。
2)在环境温度较高情况下，VC值损失较快。
4.5 碾压混凝土振实效果图(二、三级配)
图3 碾压混凝土VC值经时损失检测结果图(一) 图4 碾压混凝土VC值经时损失检测结果图(二)
图5 碾压混凝土VC值经时损失检测结果图(三) 图6 碾压混凝土VC值经时损失检测结果图(四)
图7 碾压混凝土振实效果图(二、三级配)
4.6 碾压混凝土及垫层砂浆抗压强度与水胶比关系
1)碾压混凝土抗压强度与水胶比关系(见表9-10及图9-12)。
表9 碾压混凝土抗压强度与水胶比关系
混凝土种类级配引气剂掺量/%水胶比抗压强度/MPa7d28d90d180d相关方程Y=ax+b相关系数(r)备注RCC(灰55%)减水剂0.8%30.060.604.88.413.420.30.555.710.416.322.60.507.313.119.625.80.459.317.524.830.1R7=8.2214X-9.0657R28=16.3606X-19.1731R90=20.3796X-20.7417R180=17.7135X-9.42970.99680.99540.99810.9987Vc=2S-5SRCC(灰45%)减水剂0.8%20.080.555.610.615.922.40.507.313.920.626.10.459.617.725.630.60.4012.722.931.536.7R7=10.4444X-13.4998R28=17.9662X-22.0846R90=22.7518X-25.1773R180=20.9403X-15.75970.99930.99980.99910.9998Vc=2S-5SRCC(灰45%)减水剂0.8%20.160.554.99.716.220.80.506.713.219.624.90.458.817.224.829.60.4011.721.631.235.4R7=9.9367X-13.1910R28=17.4337X-21.7977R90=22.2154X-24.4822R180=21.3555X-17.92110.99980.99900.99910.9999Vc=2S-5S
表10 碾压混凝土不同掺灰量与抗压强度关系
混凝土种类级配引气剂掺量/%水胶比抗压强度/MPa7d28d90d180d相关方程Y=ax+b相关系数(r)备注RCC掺灰量与强度关系减水剂0.8%20.160.4521.3(74)31.6(100)39.2(124)43.6(138)0.4517.5(64)27.4(100)35.0(128)40.0(146)0.4512.4(56)22.3(100)30.4(136)36.2(162)0.458.2(49)16.7(100)25.2(151)30.8(184)0.455.2(42)12.3(100)21.3(173)25.0(203)0.453.0(40)7.5(100)17.2(229)19.4(259)0.451.6(38)4.2(100)9.5(226)10.6(252)抗压强度与粉煤灰掺量关系(其中X为灰掺量)R7=21.9859-24.5511XR28=33.5972-32.8060XR90=41.4137-32.4916XR180=47.0824-35.9353X-0.9960-0.9756-0.9510-0.9241掺灰0%掺灰20%掺灰40%掺灰60%掺灰70%掺灰75%掺灰80%
图9 碾压混凝土抗压强度与水胶比关系图(一)
图10 碾压混凝土抗压强度与水胶比关系图(二)
图11 碾压混凝土抗压强度与水胶比关系图(三)
图12 碾压混凝土抗压强度与水胶比关系图(四)
2)碾压混凝土抗压强度与水胶比关系试验结果分析
由表9-10及图9-12可知：
1)碾压混凝土前期强度较低，但后期强度发展较快，可满足设计要求。
2)从粉煤灰掺量与强度关系可以看出：早期碾压混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量增加而减小，曲线较直，相关性较好，说明前期主要是水泥在进行水化，但随着龄期增加，抗压强度与粉煤灰掺量相关性逐渐下降，说明粉煤灰参与了二次水化作用。
3)随着粉煤灰掺量增加，7d抗压强度与28d抗压强度比率逐渐降低，而90d抗压强度与28d抗压强度比率逐渐增加，但当粉煤灰掺量超过75%时，90d抗压强度与28d抗压强度比率有所降低，说明此时水泥中水化的有效Ca(OH)2已无法激发过多的活性粉煤灰，故粉煤灰的掺量应通过试验加以论证，当然也可通过水泥、粉煤灰的化学分析以及粉煤灰的活性试验理论上计算后加以佐证[3]。
4.7 碾压混凝土配合比水胶比确定
4.7.1 满足抗压强度碾压混凝土水胶比的确定
满足抗压强度碾压混凝土水胶比见表11。
表11 满足抗压强度碾压混凝土水胶比的确定
序号混凝土强度等级混凝土配制强度/MPa满足配制强度所需水胶比(W/(C+F)28d90d28d90d满足抗压强度所需的水胶比1C9015W4F50(3)/17.9/0.520.522C9015F50(3)/17.9/0.520.523C9020W6F100(2)/23.4/0.460.464C9025W6F300(2)/28.4/0.420.42
4.7.2 碾压混凝土及垫层砂浆水胶比的确定
各强度等级碾压混凝土及垫层砂浆水胶比见表12。
表12 碾压混凝土水胶比的确定
序号混凝土强度等级满足抗压强度水胶比满足抗渗等级强度水胶比满足抗冻等级水胶比规范及招标文件规定最高水胶比最后确定水胶比1C9015W4F50(3)0.52≤0.65≤0.58≤0.600.522C9015F50(3)0.52/≤0.58≤0.600.523C9020W6F100(2)0.46≤0.60≤0.55≤0.500.464C9025W6F300(2)0.42≤0.60≤0.45≤0.500.42
4.8 碾压混凝土配合比
碾压混凝土浆配合比见表13-16。
表13 碾压混凝土和变态混凝土及垫层砂浆配合比
编号设计强度级配配合比参数单位体积材料用量/kg·m-3水胶比掺灰量/%砂率/%SBTJM-II缓凝高效减水剂/%GYQ-1引气剂/%水泥粉煤灰天然砂5-20/mmGS20-40/mmGm40-80/mmGL水粉煤灰替砂VC/S含气量/%αβ浆砂比1C9015W4F50C9015F5030.5255330.80.06738962844459144484602-52-41.381.830.462C9020W6F10020.4645370.80.0811090678535802/92652-53-51.482.070.473C9025W6F30020.4245370.80.1612198664523786/92642-54-61.622.160.49
4.9 碾压混凝土和变态混凝土及垫层砂浆拌合物性能及硬化物力学性能。
表14 碾压混凝土和变态混凝土及垫层砂浆拌和物性能及硬化物力学性能
编号设计强度级配容重/kg·m-3凝结时间/h:min抗压强度/MPa劈拉强度/MPa初凝终凝7d28d90d180d7d28d90d180d1C9015W4F50C9015F50324189:0514:356.712.719.225.10.581.031.411.782C9020W6F100223769:3015:208.416.824.329.50.681.261.661.923C9025W6F300223549:4015:4510.521.029.133.60.831.451.952.19
4.10 碾压混凝土力学和变形性能
表15 碾压混凝土力学和变形性能
编号设计强度混凝土类别级配静力抗压弹性模量(×104MPa)抗拉弹性模量(×104MPa)轴心抗拉强度/MPa极限拉伸(×10-4)7d28d90d180d7d28d90d180d7d28d90d180d7d28d90d180d1C9015W4F50C9015F50碾压30.971.582.13/1.021.522.27/0.611.071.38/0.410.610.77/2C9020W6F100碾压21.242.052.55/1.302.142.58/0.711.381.72/0.530.680.85/3C9025W6F300碾压21.332.352.75/1.452.412.72/0.891.382.14/0.670.790.96/
4.11 碾压混凝土和变态混凝土耐久性能
表16 碾压混凝土和变态混凝土耐久性能
配合比编号混凝土类别强度等级级配抗渗强度(90d)抗冻强度(90d)冻融次数相对动弹模数P/%质量损失率/%抗冻标号评定2碾压混凝土C9015W4F50C9015F503≥W45085.20.38≥F506碾压混凝土C9020W6F1002≥W610083.20.24≥F10010碾压混凝土C9025W6F3002≥W630082.50.38≥F300
奋斗水库工程所在地为北方严寒地区，混凝土抗冻等耐久性能求较高，碾压压混凝土配合比抗冻等级跨度大，从F50、F100至F300，混凝土设计要求也就更高，骨料采用天然砂石料，石粉含量极少且含泥量高，需采用粉煤灰替代石粉，以提高碾压混凝土可碾性，碾压混凝土配合比设计相对较复杂，从设计龄期90d试验结果可知，设计的3个推荐的碾压混凝土各种性能可满足设计要求。
参考文献：
[1]缪昌文.高性能混凝土外加剂[M].北京：化学工业出版社，2008：41-67.
[2]田育功.碾压混凝土快速筑坝技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010：27-38.
[3]梅锦煜.中国碾压混凝土筑坝技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010：27-36.
文章编号：1007-7596(2017)08-0162-02
Key Technology of Roller Compacted Concrete Mixture Ratio of Natural Sandy Material——Taking the Fendou Reservoir as an Example
XU Chong-xin
(Muling Urban Fendou Reservoir Project Construction ManagementDepartment Heilongjiang Province, Muling 157599, China)
Abstract：The Fendou reservoir project of Muling City is located in northern cold area in Heilongjiang Province, the concrete durability against frost is high, the large scale of roller compacted mixture ratio against frost is from F50, F100 to F300, requesting more high design demand on concrete, natural sandy material used for aggregate with less contents of limestone and high contents of silt, bring a certain of difficulty to the design of mixture ratio. This paper introduced mainly the inspection on roller compacted concrete raw material of the dam, procedure of mixture ratio design and the results of concrete properties.
Key words：Fendou reservoir; roller compacted concrete(RCC); material inspection; design of mixture ratio
文章编号：1007-7596(2017)08-0001-07
[收稿日期]2017-07-16
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