堆石混凝土施工密实度控制与分析

刘建成

（山西省水利工程质量与安全监督站 山西太原030002）

1 堆石混凝土技术发展情况简述

土石坝和混凝土坝是国内外最主要的两种坝型。从筑坝材料看，土石坝是利用当地土料、石料或土石混合料经过抛填、碾压等方法堆筑而成，混凝土坝是由混凝土浇筑或碾压而成。堆石混凝土是同时利用混凝土和石料两筑坝材料，由自密实混凝土充填堆石体胶结而成，是介于两种筑坝材料之间的过渡性材料。

堆石混凝土施工技术是将一定粒径的堆石通过自卸汽车、吊车、缆车等机械直接入仓，形成有空隙的堆石体，再将自密实混凝土通过泵车、挖掘机、吊罐等设备倒入堆石体,利用自密实混凝土的良好的流动性能充填堆石体间的空隙，形成密实的堆石混凝土。分析堆石混凝土施工工艺，堆石混凝土内部充填是否密实将直接影响该混凝土的力学性能和耐久性，从而直接影响建筑物的质量和寿命。

堆石混凝土是在自密实混凝土施工技术基础上发展出的一种新型大体积混凝土。自密实技术起源于上世纪80年代末的日本，2003年由清华大学金峰教授和安雪晖教授提出了堆石混凝土技术。堆石混凝土应用时间短，其质量控制措施和检验标准还处在不断发展、完善中，国家尚未颁布质量标准及施工技术规范。为促进堆石混凝土施工技术的发展，本文结合堆石混凝土在山西的施工应用，分析了堆石混凝土密实度影响因素，介绍了施工密实度控制措施，旨在为今后堆石混凝土施工提供参考。

2 自密实混凝土填充堆石体密实度影响因素分析

2.1 自密实混凝土填充性能

堆石混凝土密实度在很大程度上受到浇注过程中所使用的自密实混凝土的流动性能和充填能力的影响。要形成致密、完整、密实、有较高强度的堆石混凝土，就要求混凝土具有良好的流动性、抗离析性和填充性，以保证自密实混凝土在灌注过程中能够依靠自身重力势能的推动充填堆石体空隙。

2.2 堆石料堆积状况

堆石体由堆石料自然堆积而成，形成的堆石空隙应能保证自密实混凝土顺利通过，才能使混凝土快速均匀流入堆石缝隙、包裹堆石料表面，使松散的堆石颗粒胶结在一起，构成完整的混凝土胶结体。堆石体空隙受堆石料粒径大小、堆积状况等影响。根据二元混合料堆积密实度线性模型，可将堆石料与自密实混凝土理想化为两种粒级的骨料，当堆石料粒径d1远大于自密实混凝土粒径d2时，两种骨料无相互作用。无相互作用即一种尺寸颗粒的局部排列不因邻近的另一种尺寸颗粒存在面造成紊乱。此时d1粒径堆石料所形成的堆石体与自密实混凝土不发生相互作用，自密实混凝土能够自由填充堆石体空隙。参考de Larrard及其同事在Blois地区道桥实验室内进行的二元混合料模型标定试验，当d1/d2为16倍时，混合料密实度最大。说明堆石混凝土应控制堆石料的最小粒径。另外针状、片状堆石料易造成堆石与堆石之间大面接触，应控制堆石料针、片状含量，并在在石料堆积过程中施加人为干涉，减少大面接触对混凝土填充带来的不利影响。

2.3 混凝土浇注方式

自密实混凝土依靠自身重力势能充填堆石体空隙，填充过程中随混凝土流动距离的增加和高度下降，重力推动的作用逐渐减小，影响堆石混凝土填充密实度。尤其对于大体积混凝土，仓面大，填充面积和流动距离大，应合理布置混凝土浇注点，控制流动距离使混凝土快速填充。

3 堆石混凝土施工密实度控制措施

3.1 堆石体

1）堆石料

堆石料的爆破开采应通过爆破试验确定合理的爆破参数。开采的石料应进行简易筛分，粒径不宜小于300 mm，最大粒径以运输、入仓方便为限，且不宜超过1.0 m；允许使用少量片石但其重量不得超过堆石料总重的10%，且不得集中堆放。石料应新鲜、完整，质地坚硬，无剥落层和裂纹，软弱颗粒。

2）堆石入仓

堆石入仓应采用随机堆放的方式，遇较大粒径堆石应置于仓面的中下部，避免堆石与堆石、堆石与基础混凝土大面积接触。堆石入仓应减小基础仓混凝土冲击，以免对下层低龄期混凝土造成损伤；减小堆石之间的撞击，控制堆石棱角磨损产生的碎屑沉积于基础仓混凝土表面影响混凝土给合面质量。每层堆石厚度不得超过试验厚度，堆石过程中清除堆石体表面可见小于20 cm的石块。

3.2 自密实混凝土

1）原材料

水泥可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，有抗冻要求时宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号不低于42.5。

粉煤灰宜满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T159）中Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰的技术性能指标要求。

细骨料宜优选级配良好的中粗河砂，粗骨料最大粒径不超过20 mm，针片状颗粒含量不超过8%。骨料其它性能指标应符合《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）中的相关规定。

自密实混凝土应使用聚羧酸系高性能减水剂，其品质应满足《混凝土外加剂》（GB/T8076）高性能减水剂的基本要求，并应通过标准自密实砂浆试验的检测。

2）混凝土工作性能

自密实混凝土的工作性能采用坍落度试验、坍落扩展度试验、V形漏斗试验和自密实性能稳定性试验检测，其指标应符合坍落度250～280 mm、坍落扩展度630～750 mm、V形漏斗通过时间7～25s、自密实性能稳定性不小于1h的要求。

3.3 混凝土浇注

浇注过程中浇注点应均匀布置于整个仓面，浇注点间距不超过3m，混凝土填充快速、均匀流入堆石缝隙，浇注过程中无离析、泌水情况。在堆石混凝土浇筑仓预埋PVC管，待堆石混凝土硬化后将PVC管抽出，观测孔壁有无明显缺陷,同时对预埋孔注水检查，检查是否漏水，以评价堆石混凝土的密实性。

3.4 密实度检查

1）容重

参照《浆砌石坝施工技术规定》（SD120-84）中的相关规定对堆石混凝土容重、堆石与混凝土的比例和空隙率进行检测。

2）钻芯法检查

钻孔取芯是评定堆石混凝土质量的综合方法，通过测定芯样容重、外观描述可评价堆石混凝土的均质性和密度性。同时也可通过芯样获得率评价堆石混凝土的均质性，压水试验评定堆石混凝土抗渗性，测定芯样抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量和拉伸变形等性能评定堆石混凝土的均质性和结构强度。

4 工程应用

某重力坝坝高55.5m，坝顶宽8m，最大坝底宽52.45m，坝顶长123.5m，坝体部分采用堆石混凝土，设计容重不小于2.35t/m3。

4.1 密实度施工质量控制

根据重力坝分区和堆石混凝土施工特点，堆石混凝土部分划为一个分部工程，每一仓堆石混凝土划分为一个单元工程，每一单元工程又划分为施工缝处理、模板安装、堆石入仓、预埋件安装、自密实混凝土浇注、外观质量检查等6个工序。施工中将堆石混凝土密实度控制措施，作为堆石入仓和自密实混凝土浇注两个工序的主要检查项目，逐项检查验收，使堆石混凝土施工密实度控制措施贯穿施工始终，以提高堆石混凝土施工密实度。

4.2 密实度检查

1）预埋孔密实度检查

预埋孔密实度共检查126个单元，检查结果均符合质量要求。

2）挖坑法检查堆石混凝土容重

采用挖坑法对堆石混凝土密实度检测5次，堆石混凝土容重在2.528～2.628t/m3之间，平均值为2.576t/m3，容重符合设计要求。

3）钻芯检查

施工结束后，采用XY-2型地质钻机对堆石混凝土密实度进行钻芯检查，取芯孔孔径219mm。选取符合试验要求的混凝土芯样进行容重检测，共检测12个，容重最大值2.764t/m3，最小值2.385t/m3，平均值为2.579t/m3，检查结果符合设计要求。试验结果见表1。

表1 堆石混凝土芯样容重、抗压强度检测结果

4.3 检查结果综合评价

从堆石混凝土芯样容重检查结果看，芯样容重在2.385～2.764t/m3之间,较挖坑法检测结果变化区间增大，表明小试件检测堆石混凝土容重离散性较大，但两种检查方法得到的容重平均值很接近，相互印证了检查结果的客观性。

在检测芯样容重的同时，对芯样进行抗压强度试验，芯样抗压强度最大值为65.0 MPa，最小值为17.8MPa，平均值为38.5MPa。对照施工过程堆石混凝土大试件块强度检查结果，大试件抗压强度检测共11个，最大值为46.6MPa，最小值为19.4MPa，平均值为39.4MPa。与容重检测结果具有同样的规律，即大试件或大尺寸试坑对堆石混凝土的强度或容重检测结果变化区间较小，但与小试件检测得到的强度或容重平均值接近。试验规律反映了试样中堆石料含量随机变化对试验结果的影响，试样越大代表性越强，检查结果的变化区间越小，总体平均值代表性最强，趋于真实值。

大试件现场作制采用2.0 m×3.0 m×2.0 m方形试模，模拟堆石混凝土现场浇注，石料采用人工入仓，受试模尺寸限制石料粒径较为均匀，混凝土填充条件优于施工现场。从强度检查结果来看，芯样平均强度达到大试件强度平均值的97.7%，强度值接近，反映堆石混凝土施工密实度较好，也验证了与堆石混凝土密实度控制措施、取样方法和检查结果的合理性。

5 结语

堆石混凝土施工具有机械化程度高、施工速度快、质量容易保证、温控措施简单、工程造价相对较低等特点，特别适合大体积混凝土施工，在水利工程建设应用前景广阔。同时堆石混凝土施工密实度易受当地岩石地质特性、建筑材料、施工设备、施工方法等影响，应加强堆石混凝土施工工艺性试验。通过工艺试验确定石料爆破开采、石料入仓方式、堆石仓厚、自密室混凝土生产、浇注点间距等施工参数，以验证各项力学性能指标是否满足设计要求。开展堆石体多元混合料填充理论基础研究，细化堆石料质量控制项目，如堆石料级配、堆积方法等，进一步完善堆石混凝土施工密实度质量控制措施。