中国碾压混凝土拱坝材料特性研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 综合篇　ＣＨＩＮＡ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　２００７．２１　中国碾压混凝土拱坝材料特性研究　戈雪良。方坤河。曾　力　（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，４３００７２，武汉）　摘要：通过对碾压混凝土原材料、配合比、技术性能三方面的研究结果表明，中国拱坝碾压混凝土具有水泥用　量少、粉煤灰掺量高、胶凝材料用量适中、绝热温升低、抗裂性好等特性；对比沙牌拱坝碾压混凝土，高抗裂碾压　混凝土强度提高、弹性模量下降、弹强比减小、极限拉伸值提高，表现出极好的抗裂性能。　关键词：碾压混凝土拱坝；材料特性；高抗裂碾压混凝土　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｏｆ　ＲＣＣ　ｄａｍ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ／／Ｇｅ　Ｘｕｅｌｉａｎｇ，Ｆａｎｇ　Ｋｕｎｈｅ，Ｚｅｎｇ　Ｌｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｍｉｘ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＲＣＣ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｌｅｓｓ　ｃｅｍｅｎｔ，ｍｏｒｅ　ｆｌｙ　ａｓｈ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｒａｔｅ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｌｏｗ　ｉｎ　ａｄｉａｂａｔｉｃ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｉｎ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＲＣＣ　ｏｆ　Ｓｈａ　ｂｒａｎｄ，　ｈｉｇｈ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ＲＣＣ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｈｏｗｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ａｎｔｉ—ｃｒａｃｋ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，５％ｌｏｗｅｒ　ｉｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ａｎｄ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｐｕｌｌｉｎｇ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｂｙ　２７％．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＲＣＣ　ａｒｃｈ　ｄａｍ；ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｈｉｇｈ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ＲＣＣ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　中图分类号：ＴＶ３　文献标识码：Ａ　文章编号：ＩＯ００一ｌ１２３（２００７　Ｊ２１－００１０—０３　一、碾压混凝土拱坝材料特　人工灰岩为主：三级配碾压混凝土粗　骨料最大粒径８０ｍｍ，二级配碾压混　凝土粗骨料最大粒径一般为４０ｍｍ，　１７％－２２％。　２．拱坝碾压混凝土配合比特性　性研究　１．拱坝碾压混凝土原材料特性　碾压混凝土胶凝材料一般由水　泥及粉煤灰、凝灰岩、磷矿渣等组成，　水泥一般为强度等级３２．５～４２．５ＭＰａ　的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，也　我国在修筑碾压混凝土拱坝时，坝　体内部一般使用三级配碾压混凝土，坝　体外部上游面防渗结构常采用二级配　碾压混凝土。表２总结了我国碾压混凝　细骨料常采用细度模数适中的中砂；　我国碾压混凝土拱坝一般掺用兼具　减水、缓凝的外加剂，个别工程根据　气候条件的需要还掺用了引气剂、抗　冻剂等外加剂。　另外．碾压混凝土中掺石粉的问　土拱坝的几个典型配合比情况。　我国碾压混凝土配合比已经形　成了水泥用量少，胶凝材料用量适　有少数碾压混凝土使用中热硅酸盐　水泥或具有微膨胀性质的水泥，砂石　题．早在建坑Ｉ：１坝时已开始研究。近　些年．我国对石粉细度小于０．０７５ｍｍ　中，掺和料掺量高，外加剂复合使用　的特点。从表２可知，拱坝碾压混凝　土中都采用粉煤灰作掺和料，胶凝材　料中粉煤灰最高可达６７％。粉煤灰的　品质对碾压混凝土的性能有较大影　骨料分人工骨料和天然骨料两类，拱　坝碾压混凝土一般都掺用外加剂。我　的细颗粒的作用及掺量已有了更深　的认识，甚至有的工程在人工砂生产　中已明确提出细粉的基本含量指标。　砂中含有适量石粉确有提高碾压混　国部分已建碾压混凝土拱坝原材料　情况见表１。　从表１可知，绝大多数碾压混凝　土拱坝的胶凝材料由普通硅酸盐水　泥和Ⅱ级粉煤灰组成：多数工程采用　人工骨料，其中又以线膨胀系数小的　收稿日期：２００７—０９—２６　响，通常情况下优质灰是最佳选择，　但绝大多数碾压混凝土拱坝工程都　凝土抗分离、促泛浆、改善层问结合　性能及抗渗性的作用，经验表明，石　粉含量占细骨料的最高比例可达　使用的是Ⅱ级粉煤灰。拱坝碾压混凝　土水胶比一般介于０．５～０．６５之问，也　作者简介：戈胄良（１９８１一】。男，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，在读博士生。　■１０　维普资讯 http://www.cqvip.com 综合　２００７．２１中国水利　有少数碾压混凝土拱坝工程水胶比　小于０．５。碾压混凝土的ＶＣ值通常为　值达１０４ｘｌＯ　，弹性模量为１９．１ＧＰａ；　三级配碾压混凝土室内抗压强度达　２０．２ＭＰａ，极限拉伸值达１０８ｘｌＯ　，弹　性模量为２０．５ＧＰａ，这些成果在当时　８～１０ｓ，少数工程ＶＣ值较小介于４～７ｓ　之间。拱坝二级配碾压混凝土理想骨　料级配一般为１：１，拱坝三级配碾压　表１　中国部分已建碾压混凝土拱坝原材料情况　坝名　普定　水泥　５２５号普硅水泥　掺和料　Ⅱ级粉煤灰　外加剂　木钙、建１、糖蜜　骨料　人工灰岩　混凝土理想骨料级配一般为３：３：４或　３：４：３（小石：中石：大石）。拱坝碾压混　凝土的砂率一般介于２８％～３８％之间，　碾压混凝土中都掺了外加剂．尽管掺　量不高．但能显著影响碾压混凝土的　凝结时间、工作性及耐久性等性能。　由于拱坝碾压混凝土中粉煤灰掺量　一般较高．碾压混凝土强度发展比较　缓慢，所以拱坝用碾压混凝土的设计　龄期一般选择９０ｄ或１８０ｄ。　３．拱坝碾压混凝土性能特性　坝体的质量主要是由筑坝材料　的性能决定的．拱坝特别是薄拱坝和　高拱坝对碾压混凝土的技术性能要　求很高。表３总结了我国部分碾压混　凝土拱坝碾压混凝土的强度性能、热　学性能（绝热温升）和变形性能（弹性　模量、极限拉伸值）的试验结果。　拱坝碾压混凝土９０ｄ抗压强度、　抗拉强度、弹性模量、极限拉伸的平　均值分别为２６．２６ＭＰａ、２．３９ＭＰａ、　３０．５７ＧＰａ、９２．６５ｘｌ０ｒ６；根据实践经验，　拱坝碾压混凝土的温升速率及最高温　升均低于常态混凝土，但其温降过程　较缓慢；另外，拱坝碾压混凝土还具有　抗渗及抗冻性能优越等技术特性。　二、高抗裂碾压混凝土研究　碾压混凝土在我国经历了２０多　年的发展和进步．已日趋成熟和完　善，总结发展历程，可以认为今后碾　压混凝土仍然以防裂、抗渗、优良层　面结合等为发展目标．其中碾压混凝　土的抗裂性仍是重点。我国在“八五”　期间，对沙牌１３２ｍ高单曲碾压混凝　土拱坝的一些关键技术进行了大量　科技攻关，取得了一些成果。沙牌拱　坝碾压混凝土的基本配合比见表４。　该碾压混凝土室内９０ｄ龄期二　级配抗压强度达ｌ８．４ＭＰａ．极限拉伸　沙牌　３２５级专用水泥　准Ｉ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＴＧ一１．Ⅱ级粉煤灰　引气剂ＴＧ　一１　人工花岗岩　招徕河　３２．５／４２．５级普硅水泥　Ⅱ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＧＫ一４Ａ　人工　白莲崖　３２．５／４２．５级普硅水泥　Ｉ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＺＢ一１　人工花岗岩　蔺河口　５２５号中热硅水泥　Ⅱ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＪＭ一Ⅱ　人工灰岩　引气剂ＤＨ　龙首一级　５２５号普硅水泥　Ⅱ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＮＦ—Ａ　Ｉ气剂ＮＦ—Ｃ　天然　流波　４２．５级普硅水泥　Ｉ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＺＢ一１　天然　温泉堡　４２．５Ｒ普硅水泥　Ⅱ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＤＨ　引气剂ＤＨ　人工灰岩　溪柄　４２５号普硅水泥　Ⅱ级粉煤灰　木钙　天然、人工　石门子　５２５号普硅水泥　Ｉ级粉煤灰　高效缓凝减水剂ＥＦ—Ｃ　天然砾石　引气剂ＤＨ。　表２中国碾压混凝土拱坝典型配合比　坝名　用水量　水泥　粉煤灰　水胶比　砂率　骨料（ｋｇ／ｍ　）　外加剂　ＶＣ　（ｋｇ／ｍ　）　（ｋｇ／ｍ　）　（ｋｇ／ｍ　）　（％）　Ｓ　Ｇ　（％）　（ｓ）　普定　９４　８５　１０３　０．５０　３８　８３６　１３９６　０．５５　１０　８４　５４　９９　０．５５　３４　７６８　１５１２　０．５５　７　温泉堡　１０７　１ｏ０　９５　０．５５　３７．７　７８８　１３ｏ０　０．５／０．０３　６～１０　９１　９５　７８　０．６０　３２．２　６８６　１５２０　０．５／０．０３　８　溪柄　１ｏ０　８０　１２０　０．５０　３３　７１９　１４５０　７　８７　７０　１０５　０．５０　３１．６　６７６　１５６０　８．６　红坡　８２　５２　９７　０．５５　３２　７３３　１５３４　７　沙牌　１ｏ０　１０８　７２　０．５５　３８　８３２　１３７８　０．５５／０．１５　８￣９　９４　８９　８９　０．５３　３４　７４３　１４７５　０．５５／０．１５　７．５￣９　石门子　８５　５７　１１６　０．４９　３０　６３２　１４８７　０．９５　７　９３　８８　１０６　０．４８　３２　６４３　１８８７　０．９５　７　蔺河口　８７　６５　１２０　０．４７　３７　８０２　１３６６　１．３／０．０３７　５￣８　８１　６０　１１２　０．４７　３４　７５０　１４５７　１．２４／０．０３５　５￣８　白莲崖　９０　５６　８４　０．６４　２８．５　６３０　０Ｉ３５　５　１０８　７２　１０８　０．６０　３４．５　７３６　０．４５　６　招徕河　８５　８９　８９　０．４８　３７　７８５　１３５５　０．６　４～６　７５　７０　８６　０．４８　３４　７４２　１４６４　０．６　４￣６　表３　中国拱坝碾压混凝土技术性能　抗压强度　抗拉强度　弹性模量　极限拉伸　绝热温升　坝名　（ＭＰａ）　（ＭＰａ）　（ＭＰａ）　（ｘｌＯ￣）　（℃）　２８ｄ　９０ｄ　２８ｄ　９０ｄ　２８ｄ　９Ｏｄ　２８ｄ　９０ｄ　２８ｄ　最终　１４．０　１８．４　１．１１　１．６１　１５．４　１９．１　９２　ｌＯ４　１４．５　１７．５　沙牌　１３．３　１８．０　１．０９　１．５３　１５Ｉ２　１９．８　１０２　１０８　１７．７　１９．９　１４、３　２０Ｉ２　１．１５　１．６４　１５Ｉ２　２０．５　９９　１０８　１７Ｉ４　１９．５　蔺河口　１８．０　２６．７　２．４５　８９　１９Ｉ２　１８．９　２５．３　２２．４　招徕河　１３．１　２９Ｉ２　１．６３　２．７１　２９Ｉ２　９０．５　１０．１　ｌ１．３　１４　５　２４．９　１＿２８　２．５５　３２Ｉ３　９４　１７．１　１８．８　龙首　２５．８　３４．４　２．１０　３．０１　２７．８　３４．２　６６　８７　１９．４　２０．８　２７．５　２９．６　７８　１６．０　１７．７　２１．４　１．９２　２．７１　３９．９　温泉堡　２４．５　２９．９　２．４１　２．７６　３３．９　２３．８　３１．０　２－２２　２．９１　３８Ｉ２　普定　２２Ｉ２　３２．１　２Ｉ２０　２．８５　３５．３　３９．２　７６　９０　１６．３　２３．６　白莲崖　１９．７　２８．７　１．９７　２４．１　３１．０　７３　７８　１５．９　１８．８　注：“　为１４ｄ绝热温升。　１１—　维普资讯 http://www.cqvip.com 综合篇　ＣＨＩＮＡ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　２００７．２１　国内外尚无先例．低弹性模量高极限　拉伸显示出了极高的抗裂性能。　在大量机理研究和后续试验的　基础上，采用与沙牌工程相同原材　料．对高抗裂碾压混凝土进行了深入　土具增强减脆双重功效的硅粉以及　具延迟性膨胀性质的氧化镁。氧化镁　所以，我国碾压混凝土拱坝筑坝　技术的提高应重视材料特性方面的　的后期膨胀在约束条件下产生的预　压应力对提高碾压混凝土的抗裂性　是有利的，水泥用量的减少和水胶比　研究工作。在配合比设计方面，高拱　坝应采用更长的设计龄期（１８０ｄ或　３６０ｄ甚至更长），以充分利用碾压混　研究，高抗裂碾压混凝土的配合比和　性能见表５、表６。　高抗裂碾压混凝土粉煤灰掺量高　的降低使高抗裂碾压混凝土的绝热　温升和干缩均小于普通碾压混凝土，　这对提高碾压混凝土的抗裂性，减少　凝土的后期性能：在掺和料方面，研　究适用于高碾压混凝土拱坝材料性　能的新型掺和料，如磷矿渣、凝灰岩、　于沙牌工程碾压混凝土，但水泥用量　碾压混凝土的早期裂缝及后期裂缝　却大幅度减少，总胶凝材料用量适中。　都是非常有利的。　通过掺入５％硅粉及４％氧化镁使碾压　混凝土的脆性系数大幅度下降。对比　三、结论与展望　沙牌工程碾压混凝土，三级配高抗裂　我国碾压混凝土拱坝已形成水　碾压混凝土的９０ｄ龄期性能与三级配　泥用量少，粉煤灰掺量高，胶凝材料　沙牌碾压混凝土基本相当，抗裂性较　用量适中，绝热温升低，抗冻、抗渗性　高：但二级配高抗裂碾压混凝土在　好，抗裂性能优越等特性。但由于碾压　９０ｄ强度略大于沙牌二级配碾压混凝　混凝土的薄层连续施工，一些常用的　土的情况下，弹性模量却降低了５％，　成熟温控技术很难在碾压混凝土拱坝　且弹强比减小，极限拉伸值约提高了　施工中得到较好的应用，以及受运输　２７％，抗裂性能明显优于沙牌工程碾　方式及振实方式的限制，使得在地基　压混凝土。　接合处、廊道等应力复杂地方碾压混　我国在高抗裂碾压混凝土配合　凝土的材料性能参数难以控制．严重　比设计方面总体保持了胶凝材料用　影响碾压混凝土拱坝的安全可靠性。　量适中的特性．但粉煤灰掺量进一步　另外，高碾压混凝土拱坝的温度应力　提高，水泥用量大幅度减少且水胶比　控制方面主要以结构方式为主，且结　也适量降低，同时掺入了对碾压混凝　构方式的可靠性还在研究之中。　表４沙牌碾压混凝土拱坝工程配合比　砂率　外加剂　材料用量（ｋｇ／ｍ　）　编号　（％）　（％）　水胶比　水　水泥　粉煤灰　砂　石　ＳＰ３　３４　０．７　０．５０　８９　８９　８９　７６８　１４９６　ＳＰ２　３８　０．７　０．５５　９９　１０８　７２　８５２　１３９５　注：ＳＰ３为三级配碾压混凝土，ＳＰ２为二级配碾压混凝土。　表５高抗裂碾压混凝土配合比　编号　砂率　外加剂　水胶比　ＭｇＯ　Ｆ／Ｂ　Ｓ　Ｂ　Ｃ　Ｂ　ｆ％１　ｒ％１　ｒ％１　ｒ％１　ｆ％１　（ｋ咖］）　（ｋｇ／ｍ３）　ＨＣＲ３　３６　０．７　０．５２　４　５８　５　６６　ｌ７７　ＨＣＲ２　３９　０．７　０．４９　４　５０　５　９０　２ｏｏ　注：ＨＣＲ３为三级配碾压混凝土．ＨＣＲ２为二级配碾压混凝土。　表６高抗裂碾压混凝土性能　抗压强度　抗拉强度　弹性模量　极限拉伸值　编号　ｆＭＰａ１　（ＭＰａ）　（ＧＰａ）　（Ｘ１０１　２８ｄ　９０ｄ　２８ｄ　９０ｄ　９０ｄ　９０ｄ　ＨＣＲ３　１１．３　ｌ５．５　１．１６　１．４２　１６．６７　ｌ０ｌ　ＨＣＲ２　１４．６　ｌ９．５　１．３８　１．６８　ｌ８．１５　ｌ３２　■１２　矿渣微粉等，为在粉煤灰匮乏地区修　建高拱坝提供技术支持，降低工程造　价：在骨料方面，研究骨料特性对高　拱坝材料强度及弹性模量等性能的　影响，对提高坝体的安全性意义较　大：在碾压混凝土技术性能方面．应　加强高抗裂碾压混凝土，人工砂石　粉、超细石粉的活性以及氧化镁筑坝　技术等方面的研究，这些都将推动拱　坝碾压混凝土技术性能的发展。　●　参考文献：　［１１　ＳＨＥＮ，Ｃ．］Ｇ．Ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ＲＣＣ　ｄａｍ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ［Ｃ１．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏ－　ｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｒｏｌｌｅｒ　Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｄａｍｓ，Ｓａｎｔａｎｄｅｒ　５ｐａｉ　ＯｃｔｏｂｅＬ１９９５．　【２】贾金生，陈改新，马锋铃，李新宇　译．碾压混凝土坝发展水平和工程实　例【Ｍ】．北京：中国水利水电出版社，　２００６（５）．　【３】梅锦煜，郑桂斌．我国碾压混凝土　筑坝技术的新发展［Ｊ］．水力发电，　２００５（６）．　『４］方坤河．中国碾压混凝土坝的混　凝土配合比研究［Ｊ］．水力发电，２００３　（１１）．　【５】沈崇刚．我国碾压混凝土筑坝技　术的新进展［Ｊ］．水力发电，１９９６（９）．　【６】钟永江．高碾压混凝土拱坝结构　分缝及材料特性研究［Ｊ］．水力发电，　２００１（８）．　【７】黄达海．碾压混凝土拱坝的发展　［Ｊ］．水利水电科技进展，２０００（６）．　【８】张严明．我国碾压混凝土筑坝技　术的应用与发展『Ｊ］．水力发电，　１９９１（７）．　责任编辑韦凤年