三河口大坝碾压混凝土配合比参数优选研究

任喜平 李元来 张永强 杨瑞

摘 要：针对秦岭腹地南北气候分界线特殊区域的碾压混凝土大坝中混凝土配合比参数确定的经验较少。通过三河口水利枢纽碾压混凝土大坝中混凝土配合比的试验研究，总结了该特殊地区碾压混凝土大坝中配合比设计中各原材料参数选择的经验。结果表明：优化组合大坝碾压混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、单位用水量等主要参数可提高混凝土各项物理性能指标，在满足相关设计文件和规范要求的条件下，保证混凝土质量，降低水泥用量，可达到节省成本的目的。

关键词：碾压混凝土;优选;参数;配合比;试验;三河口大坝

中图分类号：TV53 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.025

Optimization of RCC Mix Ratio Parameters in Sanhekou Dam

REN Xiping， LI Yuanlai， ZHANG Yongqiang， YANG Rui

（Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：At present， there is little experience in determining the concrete mixture ratio parameters of RCC dams in the special zone of climate boundary between north and south in the hinterland of Qinling Mountains. Based on the experimental study of the concrete mixture ratio in the RCC dam of Sanhekou Water Control Project， the experience of selecting the raw material parameters in the mixture ratio design of RCC dam in this special area was summarized. The results show that the optimization of the mix proportioning of the combination of RCC dam， fly ash and admixture of cement， aggregate and unit water consumption can improve the main concrete parameters， such as the physical performanceindex， satisfythe requirement of related design documents and specifications in condition， ensure the quality of concrete， reduce the dosage of cement and can achieve the purpose of saving cost. The experimental results have been successfully applied to Sanhekou Water Control Project， which can be used as a reference for the selection of RCC mixture ratio parameters in Jinxia Dam of Yinhan and Weiwei project.

Key words： roller compacted concrete; optimization; parameters; mixture ratio; test; Sanhekou Dam

碾壓混凝土大坝作为三河口水利枢纽工程的主要建筑物，其混凝土的浇筑过程是影响工期和质量的重要环节。而三河口水利枢纽地处南北气候分界区域特殊环境中，其碾压混凝土大坝的浇筑施工存在一系列的问题和挑战，如干硬性贫水泥混凝土运输方式、拌制和入仓手段、碾压时的错振和漏振等[1]。这就要求在大坝碾压混凝土施工过程中，必须保证碾压混凝土自身的质量，对碾压混凝土配合比进行优化，获得满足现场施工工艺和特殊环境要求的混凝土，并经过科学设计和选取施工组织措施，在二者合理配合的条件下完成坝体碾压混凝土施工。碾压混凝土配合比的确定是通过试验研究，得到单位体积碾压混凝土中各原材料用量，使混凝土的各项物理性能参数满足相应的设计指标和施工工艺要求，其中碾压混凝土配合比的优化是经过优化组合大坝碾压混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、水等主要参数[2]，提高混凝土各项物理性能指标，在满足相关设计文件和规范要求的条件下，保证混凝土质量，降低水泥用量，确定最终碾压混凝土配合比。

笔者对三河口大坝

碾压混凝土配合比中水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、水等原材料的配制、试调、优化进行了分析研究。

1 工程概况

三河口水利枢纽位于陕西省汉中市佛坪县内距大河坝镇上游3.8 km的子午河大峡谷，水库总库容为7.1亿m3，调节库容6.5亿m3，坝体高度为141.5 m，居国内同类坝型第二，坝顶高程和宽度分别为646 m和9 m。在坝体高程588.0～646.0 m间设置三孔15 m×15 m溢流表孔;在坝体高程534.0～540.0 m间设置两孔4 m×5 m底孔。大坝、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约为109.8万m3，其中碾压混凝土约为90.68万m3。该工程基础层碾压混凝土通仓浇筑面积大，混凝土基础容许温差约束应力与基础块混凝土尺寸成比例增加，碾压混凝土拱坝大体积混凝土施工过程温控难度大、要求高。

2 原材料试验

2.1 水 泥

水泥选用陕西尧柏水泥厂生产的普通硅酸盐P.O42.5水泥，其物理力学性能参数、化学试验测试成果都满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）标准，具体值见表1、表2。

2.2 粉煤灰

粉煤灰选用陕西华西电力有限公司生产的F类分选Ⅱ级粉煤灰，参数见表3。

2.3 骨 料

细骨料采用人工砂外掺原状砂石粉与砂混合构成，在生产过程中可把石粉含量控制在13.5%～17.6%之间，粉煤灰代替砂量的4%进行大坝碾压混凝土配合比试验，满足相关配合比试验规程要求。粗骨料采用三河口柳木沟砂石加工系统生产的花岗岩碎石，在对骨料筛分后进行配合比试验时，超逊径按零考虑，粗骨料各项性能检测结果都在相关规范要求的范围内。

2.4 外加剂

碾压混凝土的质量、耐久性等一系列的性能对拌和过程中添加的外加剂质量和水泥品种的适应性起到关键作用，三河口水利枢纽大坝混凝土配合比试验采用的外加剂为山西康力公司生产的萘系高效减水剂KLN-3、引气剂KLAE，配制的混凝土各项指标经现场试验均满足《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）规定。

3 配合比中各参数优选试验

碾压混凝土配合比试验参数主要有水胶比、單位用水量、砂率、粉煤灰添加量等，这些参数对混凝土各项物理特性有着直接的影响[3]。在满足相关设计文件和规范要求的条件下，碾压混凝土二、三级配试验的水胶比取0.45、粉煤灰掺量分别取50%和55%、KLN-3减水剂掺量1.0%、KLAE引气剂掺量分别取0.15%和0.12%、用水量分别取97 kg/m3和86 kg/m3。通过对这些参数进行优化选择，达到工程建设中节省成本的目的。

3.1 骨料级配选择

从抗分离性、均匀性等碾压混凝土自身的特性方面分析，试验过程中采取的二级配骨料中、小石之间的比例为45∶55，三级配骨料大、中、小石之间的比例为30∶40∶30。

3.2 最优砂率选择

配合比中的砂率关系到混凝土的单位用水量、和易性及凝固后各项物理特征，所以经过试验选取最优砂率后，试样会有较好的泛浆效果、最小的单位用水量等优良特征。在确定水胶比、粉煤灰添加量、单位用水量的条件下进行砂率最优选取试验，试验过程中不断改变砂率值，通过对试样在规定振动频率、振幅及表面压强下，振至表面泛浆所需的时间VC值进行全面评定，得到相应最优砂率[5]。

试验结果表明：当水胶比为0.45时，碾压混凝土三级配砂率为33%时出机VC值最小，二级配砂率为37%时出机VC值最小，碾压混凝土砂率与VC值关系曲线见图1。

3.3 单位用水量和VC值的变化规律

在确定水胶比、粉煤灰掺量、砂率的条件下通过试验选取最优单位用水量[4-5]，在试验过程中经过对单位用水量的改变，观测VC值的变化特点。

试验结果表明：在碾压混凝土水胶比、砂率、级配确定的情况下，VC值每增大1 s，用水量相应减小1.5～2.0 kg/m3。碾压混凝土单位用水量与VC值的关系曲线见图2。

3.4 水胶比与抗压强度的关系

确定用水量和砂率，选取恰当的水胶比、粉煤灰添加量，开展水胶比和抗压强度变化规律试验，能够为碾压混凝土配合比的设计起到一定的参考作用。

试验结果表明：不同粉煤灰掺量条件下，碾压混凝土水胶比与抗压强度有较好的相关性。碾压混凝土水胶比与抗压强度的关系见图3。

3.5 抗压强度发展系数

粉煤灰掺量不同的同龄期混凝土抗压强度发展系数存在差异。把混凝土龄期28 d的抗压强度作为标准值，得到各龄期抗压强度发展系数，见表4。

3.6 最优石粉含量的选择

人工骨料中石粉含量关系到碾压混凝土的各项物理性能，合理的石粉含量直接关系到碾压混凝土的均匀、抗分离、易密等特性，最优石粉含量的选择是在配合比中水胶比、砂率、粉煤灰掺量固定的条件下，经过石粉含量的改变，对试样的和易性、VC值进行对比，以便最终选取石粉含量，在具体试验过程中通过添加花岗岩石粉取代一定量的人工砂来改变石粉含量。

试验结果表明：砂石骨料中石粉含量达18%时，混凝土试样的观感、骨料包裹状态逐步变好。通过试验得到VC值后，从容器中取出的拌和物试样表面密实、光滑，同时浆体特别充足，在不断增大石粉含量时，试样的黏聚性不断增强，相应混凝土中物质的总表面积也在不断增大。人工砂石粉含量每增加1%，碾压混凝土用水量相应增加约1 kg/m3。石粉含量为16%时抗压强度最高，但和易性较差;石粉含量为18%时的抗压强度比石粉含量为16%时的稍低，但碾压混凝土拌和物性能较好。综上所述，配合比试验选择的人工砂中石粉含量选择16%～18%比较合理。

3.7 优化后的配合比

通过对三河口水利枢纽碾压混凝土试验参数选取开展试验，经计算分析，优化后的配合比见表5。

4 碾压混凝土性能试验及碾压效果

4.1 性能试验结果

经过配合比试验优化后碾压混凝土容重、凝结时间、含气量、VC值、抗压强度及抗渗和抗冻等性能见表6。可以看出，优化后混凝土的各项指标均能达到设计要求。

4.2 现场施工碾压效果

三河口水利枢纽大坝施工过程采用振动碾进行碾压，振动碾在碾压过程中的行走速度为1.25 km/h，每个碾压层厚0.3 m，先2遍静碾进行封闭，再进行6遍振动碾压，对仓面压实后，试验人员在监理工程师的监督下采用核子密度进行实际密度现场测定，结果见表7。可见，经过碾压混凝土的配合比参数优化后仓面混凝土碾压性能较好，碾压层表层的泛浆效果、密实度等质量特性有了很大改变，各点位所测压实度都达到了设计要求且分布均匀。

5 结 语

本次试验为三河口大坝碾压混凝土配合比参数的选择提供了合理的依据，也为引汉济渭黄金峡碾压混凝土大坝配合比参数的优选起到借鉴作用。碾压混凝土配合比的水胶比、砂率、单位用水量以及粉煤灰掺量等参数与混凝土的各项物理性能指标之间有着密切的关系，经过优化组合大坝碾压混凝土配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、单位用水量等参数，使混凝土质量得到了保证，降低了水泥用量，达到了工程建设中节省成本的目的。

参考文献：

[1] 王泽秀.碾压混凝土配合比参数的优选研究[J].水科学与工程技术，2007，48（1）：21-23.

[2] 孔佑鹏，周学友，何延平.浅谈官地水电站碾压坝混凝土配合比参数应用[J].中国西部科技，2011，24（12）：87-89.

[3] 郭红伟，高真奎.官地水电站碾压混凝土配合比试验研究[J].水利水电施工，2012，35（7）：123-125.

[4] 朱大勇.白莲崖碾压混凝土拱坝施工的温控措施[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2011，49（11）：57-59.

[5] 汪永剑，丁仕辉，谢祥明.大掺量高钙粉煤灰碾压混凝土配合比试验研究[J].人民长江，2008，32（8）：167-169.

【责任编辑 张华岩】