碾压混凝土试验.docx
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碾压混凝土试验
亭子口电站碾压混凝土施工试验技术成果
【摘要】：
为给大坝主体碾压混凝土施工提供各项技术资料和施工参数，按照设计要求要进行碾压混凝土试验块施工试验，因此对碾压混凝土的原材料进行检测、筛选、配合比设计、试验、施工及取芯试验,选择出最优单位用水量、水胶比、砂率及力学性能指标满足设计要求的优化配合比，此优化配合比具有用水量小、胶凝材料用量少、耐久性良好等特点。
同时，在原材料检测过程中，首次检测出假冒的I级粉煤灰，对于在水利工程中如何打假提供了范例。
关键词：
亭子口碾压混凝土施工试验技术成果
1、概述
亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。
工程坝轴线全长995.4m，坝顶高程465m，最大坝高115m；工程等别为Ⅰ等，工程规模为大
（1）型，水库总库容40.67亿m3，电站装机1100MW，通航建筑物为2×500t级；大坝Ⅱ标混凝土约102万m3,其中常态混凝土约25m3，碾压及变态混凝土约77m3。
试验采用甲供的水泥、粉煤灰，左岸砂石系统生产的砂石骨料，碾压混凝土专用特殊配方的江苏博特JM-Ⅱ（C）缓凝高效减水剂、JM2000引气剂，进行其品质和适应性检测，通过室内试拌、调整，获取拌合物性能、抗压强度、劈拉强度、极限拉伸、弹模、抗冻及抗渗性能等试验成果，确定满足设计技术要求、现场施工要求和确保工程质量的碾压混凝土最优施工配合比。
碾压混凝土强的等级及主要设计指标见表1。
表1碾压混凝土主要强度等级及设计指标
编号
标号
级配
抗冻等级
抗渗等级
限制水胶比
粉煤灰最大掺量
极限拉伸值（×10－4）
1
R90150
三
F50
W6
0.55
60％
≮0.70
2
R90200
二
F100
W8
0.55
60％
≮0.75
2、原材料检测
2.1水泥
试验水泥采用四川华蓥山广能集团蓥峰特种水泥有限责任公司蓥峰42.5中热硅酸盐水泥，水泥物理力学性能及水化热的试验结果见表2.1。
表2.1水泥物理力学性能试验结果
厂家
水泥物理力学性能
水化热（kJ/kg）
细度
比表面积
稠度
安定性
凝结时间h:
min
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
（%）
（m2/Kg）
（%）
初凝
终凝
3d
7d
28d
3d
7d
28d
1d
3d
7d
蓥峰水泥
8.8
325
24.8
合格
2:
43
3:
36
17.6
26.4
48.5
4.3
6.2
8.2
168
238
285
GB200-2003
≤12
≥250
/
合格
≥1:
00
≤12:
00
≥12.0
≥22.0
≥42.5
≥3.0
≥4.5
≥6.5
/
≥
251
≥
293
检测结果表明：
蓥峰42.5中热硅酸盐水泥各项性能指标均符合《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB200-2003）标准的技术要求。
2.2粉煤灰
2.2.1粉煤灰玻璃微珠球体检验
粉煤灰玻璃微珠球体的作用是减少混凝土用水量、改善和易性，降低混凝土的水化热温升，粉煤灰与水泥混合加水得到的扩散水泥颗粒和致密水泥浆体有利于提高混凝土的密实性、强度和耐久性；粉煤灰在胶凝材料与水的二次反应和水化过程中提升了混凝土的性能。
Ⅰ级粉煤灰烧失量低、颗粒细、球形颗粒含量高，10um左右的玻璃微珠球体含量在90%左右。
使形态效应、微集料效应和火山灰效应得以充分发挥，具有1+1＞2的效果。
重庆珞璜Ⅰ级粉煤灰玻璃微珠球体成分比例分析见图1、图2。
图1图2
某厂家生产的粉煤灰玻璃微珠球体成分分析见图3、图4。
图3图4
2.2.2Ⅰ级粉煤灰减水效果试验
Ⅰ级粉煤灰减水作用是由形态效应和微集料效应决定的。
粉煤灰中的玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒之间的摩擦力降低，使水泥颗粒均匀分散，在相同稠度条件下降低用水量；另外Ⅰ级粉煤灰颗粒较细，可改善胶凝材料的颗粒级配，使填充胶凝材料这部分空隙的用水量减少，因而也降低用水量。
由表2.2.2可见，采用江苏博特JM-Ⅱ缓凝高效减水剂（掺量0.6%）、JM2000引气剂（掺量万分之0.7）、华珞Ⅰ级粉煤灰，混凝土用水量随粉煤灰掺量的增加而减少，当粉煤灰掺量30%时减水率约13%，掺量为50%减水率约18%，可见良好的Ⅰ级粉煤灰有显著的减水效果。
表2.2.2Ⅰ级粉煤灰掺量与混凝土用水量关系
粉煤灰掺量（%）
基准混凝土（W/C=0.50）
JM2000掺量（‰）
二级配用水量
三级配用水量
（Kg/m3）
减水率（%）
（Kg/m3）
减水率（%）
0
120
0
100
0
0.07
10
114
5
96
4
20
108
10
89
11
30
103
14
87
13
40
98
18
85
15
50
97
19
83
17
60
96
20
82
18
2.2.3粉煤灰品质检验
通过对不同品种的粉煤灰品质检测，排除了劣质Ⅰ级粉煤灰，选择了重庆华珞粉煤灰开发有限公司生产的华珞Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰品质检验结果见表2.2.3。
表2.2.3粉煤灰品质检验结果
粉煤灰品种
密度
（g/cm3）
细度
（%）
烧失量
（%）
需水量比（%）
含水量（%）
SO3
（%）
强度比（%）
重庆珞璜粉煤灰
2.40
8.4
4.8
95.0
0.24
1.21
85
DL/T5055-2007
/
≤12
≤5
≤95
≤1
≤3
/
检测结果表明：
重庆珞璜粉煤灰所检测的各项指标符合DL/T5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》Ⅰ级粉煤灰的标准。
2.3不同掺量粉煤灰胶砂强度试验
水泥与不同掺量粉煤灰的胶砂强度与水化热试验结果见表2.3。
结果表明：
水泥胶砂抗压强度、抗折强度、水化热均随粉煤灰掺量增加而降低，且对抗折强度的影响要大于抗压强度。
表2.3不同粉煤灰掺量水泥胶砂强度和水化热试验结果
试验编号
煤灰掺量（%）
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
水化热（kJ∕kg）
3d
7d
28d
3d
7d
28d
1d
2d
3d
4d
5d
6d
7d
A0
0
17.6
26.4
48.5
4.3
6.2
8.2
168
221
238
257
268
274
285
A1
10
/
22.5
39.8
/
5.8
7.1
156
199
224
245
250
254
256
A2
20
/
18
37.3
/
5.2
6
151
194
219
236
245
247
252
A3
30
/
15.1
31.9
/
4.2
5.7
142
178
200
211
220
229
234
A4
40
/
12.5
25.5
/
3.9
5
120
152
174
189
194
205
210
A5
50
/
9.7
20
/
3.3
4.6
101
127
147
158
166
169
173
A6
60
/
8.4
14.7
/
2.6
4.1
78
103
115
125
128
135
139
2.4外加剂
本次试验采用的减水剂为JM-Ⅱ（C）缓凝高效减水剂，是江苏博特新材料有限公司生产的碾压砼专用配方减水剂，属于萘系类缓凝高效减水剂；引气剂采用JM-2000，属于改性松香酸盐类，主要成分为非离子型树脂表面活性剂。
2.4.1外加剂品质检验
检验按《混凝土外加剂（GB8076-2008）》及《水工混凝土外加剂技术规程（DL/T5100-1999）》进行，试验结果见表2.4.1。
表2.4.1外加剂品质检验项目表
外加剂品种
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
3d
7d
28d
JM-Ⅱ（C）
0.6%
21.8
2.8
15.6
+189
/
/
131
128
JM-2000
6/万
6.8
5.2
35.6
-14
-25
96
98
92
GB8076-2008
缓凝高效减水剂
≥14
≤4.5
≤100
≥+90
/
/
≥125
≥120
GB8076-2008引气剂
≥6
≥3.0
≤70
-90～+120
≥95
≥95
≥90
2.4.2不同外加剂掺量净浆流动度试验
外加剂净浆流动度试验主要检测外加剂对水泥的分散效果。
试验采用表2.4.2所列试验组合进行，试验结果表明：
在水胶比不变，单掺减水剂和联掺减水剂、引气剂、粉煤灰的情况下，减水剂在掺量为0.6~0.7%时，净浆流动度最大。
表2.4.2不同外加剂掺量净浆流动度试验结果
外加剂掺量
粉煤灰掺量
净浆流动度
JM－Ⅱ（C）（%）
JM－2000/万
％
mm
－
－
－
67.9
0.4
－
－
158.1
0.5
－
－
203.7
0.6
－
－
224.8
0.7
－
－
223.8
0.8
－
－
223.2
0.4
0.7
20
214.6
0.5
0.7
20
237.1
0.6
0.7
20
238.2
0.7
0.7
20
237.9
0.8
0.7
20
229.2
2.4.3外加剂适应性试验
外加剂的适应性试验，主要检验外加剂与水泥、粉煤灰以及两种外加剂相互之间的相容性，避免现场施工中出现不正常现象。
试验结果表明各种组合之间的相容性良好。
具体试验结果列于表2.4.3。
表2.4.3外加剂的适应性试验
JM－Ⅱ（C）%
JM－2000
/万
粉煤灰掺量
%
标稠
%
安定性
凝结时间
初凝
终凝
-
-
-
24.8
合格
2:
43
3:
36
0.6
-
-
20.8
合格
8:
35
16:
18
0.6
6
10
18.9
合格
12:
05
17:
57
0.6
6
20
18.4
合格
12:
56
18:
48
检测结果表明：
蓥峰42.5中热硅酸盐水泥与JM－Ⅱ（C）缓凝高效减水剂、引气剂和20%重庆珞璜Ⅰ级粉煤灰联合掺用，均具有较高的减水效果，且与JM-2000引气剂之间有良好的适应性。
2.5骨料
2.5.1细骨料
试验细骨料主要采用亭子口砂石系统生产的人工混合砂。
试验用砂品质检验结果及砂颗粒级配筛分试验结果见表2.5.1-1、2.5.1-2，砂颗粒级配分布曲线见图3。
检测结果表明：
该系统生产的天然砂，颗粒级配良好，符合DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》要求对细骨料的技术要求。
表2.5.1-1砂品质检验结果
细骨料
品种
细度
模数
石粉
含量
%
饱和面干
表观密度Kg/m3
堆积密度kg/m3
紧密密度kg/m3
有机质
坚固性
%
人工混合砂
2.62
-
2650
1590
1780
无
5.1
DL/T5144-2001
2.2-3.0
-
≥2500
/
/
不允许
≤8.0
表2.5.1-2砂筛分试验结果
细骨料
品种
累计筛余百分数（%）
细度
模数
0.08mm以下颗粒含量%
5.0
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
人工混合砂
2.9
22.4
33.6
41.1
79.2
92.4
2.62
1.8
在碾压混凝土中，砂中适当的石粉含量（d≤0.16mm的颗粒），不仅能改善混凝土的工作性、可碾性及抗分离性，同时由于砂中细颗粒的增加，进一步填充了混凝土中的微小空隙，增加了混凝土的密实度，从而提高了碾压混凝土的抗压强度及抗渗、抗冻等耐久性能。
但砂中石粉含量过高时，碾压混凝土的工作性能变差，VC值增大，不利于碾压混凝土施工，使混凝土的干缩增大，对于碾压混凝土性能产生不良的影响。
因此在进行碾压混凝土配合比设计时，在砂中掺入一定量的石粉（0.16mm以下颗粒占85.7%），检测结果满足石粉含量14%～20%的范围内。
掺石粉砂子品质检测结果及筛分结果见表2.5.1-3、2.5.1-4及图4。
表2.5.1-3掺石粉砂品质检测结果
细骨料
品种
细度
模数
石粉
含量
%
饱和面干
表观密度Kg/m3
堆积密度kg/m3
紧密密度kg/m3
有机质
坚固性
%
人工混合砂
2.51
-
2650
1600
1790
无
4.5
DL/T5144-2001
2.2-3.0
14～20%
≥2500
/
/
不允许
≤8.0
表2.5.1-4掺石粉砂筛分试验结果
细骨料
品种
累计筛余百分数（%）
细度
模数
0.08mm以下颗粒含量%
5.0
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
混合砂+石粉
2.8
24.3
39.5
48.6
67.3
83.5
2.56
5.8
2.5.2粗骨料
试验用粗骨料为左岸葛洲坝砂石料系统生产的卵石，粗骨料品质检测结果见表2.5.2-1。
试验结果表明：
葛洲坝砂石料系统生产的天然粗骨料符合SL352-2006《水工混凝土试验规程》要求对粗骨料的技术要求。
表2.5.2-1粗骨料品质检测结果
试验项目
试验结果
5～20mm
20～40mm
40～80mm
堆积密度（kg/m3）
1450
1420
1430
表观密度（kg/m3）
2710
2720
2730
紧密容重（kg/m3）
1730
1650
1620
空隙率（%）
36.2%
39.3%
40.7%
吸水率（%）
0.54
0.33
0.21
含泥量（%）
0.28
0.2
0.11
压碎指标（%）
8.5
/
/
针片状（%）
2.2
1.5
0
通过不同规格粗骨料组合容重试验，选择最佳的粗骨料级配组合，以利于降低混凝土单位用水量，提高混凝土拌和物施工性能，本次试验在经验范围内进行，试验结果见表2.5.2-2。
表2.5.2-2粗骨料组合容重试验结果
大石：
中石：
小石
容重（kg/m3）
空隙率（%）
堆积
振实
堆积
振实
45：
25：
30
1630
1830
40.1%
32.7%
50：
20：
30
1710
1900
37.1%
30.1%
40：
30：
30
1650
1890
39.3%
30.5%
30：
40：
30
1650
1860
39.3%
31.6%
0:
40:
60
1670
1890
38.1%
30.0%
0:
60:
40
1680
1880
37.8%
30.4%
0:
50:
50
1680
1870
37.8%
30.7%
0:
55:
45
1690
1900
37.4%
29.6%
骨料级配以振实容重最大、振实空隙率最小为选择优原则。
根据表12的试验结果，结合其它工程的现场施工经验，为避免碾压混凝土在施工过程中易出现的骨料分离现象，故混凝土中大粒径骨料不宜过多，因此选择混凝土骨料级配为：
碾压混凝土三级配比例为30：
40：
30（大石：
中石：
小石）
碾压混凝土二级配比例为55：
45（中石：
小石）
2.5.3骨料的碱活性试验
本次试验用骨料为左岸砂石料系统生产的人工混合骨料，按SL352-2006《水工混凝土试验规程》，“骨料碱活性检验（化学法）”对骨料进行试验。
本试验方法通过测定溶液中溶出的二氧化硅浓度（Sc）和碱度减低值（Rc）来评定骨料的碱活性，骨料活性评定标准：
当试验出现Rc＞70，而Sc＞Rc或Rc＜70，而Sc＞35+Rc/2中的任何一种，该试样就被评定为具有潜在有害反应。
其结果见表2.5.3。
表2.5.3混合骨料试验结果
试样名称
二氧化硅浓度（Sc）mol/L
碱度减低值（Rc）mol/L
结果评定
混合骨料
43.65
36.25
非活性
亭子口水利枢纽作为百年大计工程，对骨料的碱活性要有严格的要求，为了保证工程的永久质量，又在混凝土的配合比中限制每方混凝土的总碱含量不超过2.5kg/m3的要求，更为重要的是在水泥中掺适量Ⅰ级粉煤灰取代相应量的水泥，而Ⅰ级粉煤灰可以有效的抑制碱-骨料反应膨胀，这就做到了多重有效措施，确保了工程质量。
3混凝土配合比设计
3.1混凝土配合比参数选择试验
3.1.1外加剂掺量选择
由于混凝土单位用水量随着减水剂掺量的增加而递减，对碾压混凝土而言，减水剂掺量过高，胶凝材料用量过少使混凝土可碾性变差，极限拉伸值也难以达到设计技术要求。
因而根据前期工程的应用经验，选择本工程碾压混凝土缓凝高效减水剂掺量为0.6%，引气剂掺量按控制混凝土含气量3～4%确定。
3.1.2单位用水量与VC值的关系
在水胶比不变的情况下，随着单位用浆量（胶材和水）的增大，拌和物中骨料颗粒周围浆层增厚，游离浆体增多，故而导致混凝土拌和物的VC值减小。
试验条件：
二、三级配混凝土采用水胶比0.50、粉煤灰掺量为50%，JM-Ⅱ（C）掺0.60%、JM-2000掺6/万，混凝土Vc值控制在3～5s，含气量控制3～5%，石粉掺量控制在14%～20%范围。
通过试拌二、三级配混凝土的单位用水量及与VC值的关系见表3.1.2。
表3.1.2碾压混凝土用水量与VC值的关系试验结果
水胶比
煤灰
（%）
减水剂JM-Ⅱ（C）
引气剂JM2000
级配
砂率
（%）
单方
用水量
（kg/m3）
胶材
总用量
（kg/m3）
VC值（S）
实测
减少值
0.50
50
0.60%
6/万
三
30.0
71
148
5.4
0
72
150
4.2
1.2
73
152
3.1
1.1
74
154
1.7
1.4
0.50
50
0.60%
6/万
二
33.0
80
160
5.7
0
81
162
4.4
1.3
82
164
3.4
1.0
83
166
2.2
1.2
84
168
1.4
0.8
备注
试验结果表明，在VC值控制在小于6S时，用水量每增加1kg/m3，VC值则降低1.0s左右。
根据以上试验结果，建立用水量与VC值关系曲线，如下附图所示：
3.1.3最优砂率的选择
碾压混凝土的砂率直接关系到单位用水量的高低、拌合物工作性以及硬化后混凝土的各项性能。
因此必须通过试验选择在设定条件下工作性能好且单位用水量较小的最优砂率。
本次试验采用二、三级配碾压混凝土，按石子最佳比例，固定一个水胶比和用水量，分别对三个不同砂率进行试验，最终选择以拌合物用水量较低、工作性能较好、拌合物密度较大的砂率为最优砂率，试验成果见表3.1.3。
表3.1.3不同砂率混凝土性能试验成果
级配
水胶比
JM-Ⅱc
（%）
JM2000
（%）
粉煤灰掺量（%）
用水量
（kg/m3）
砂率（%）
VC值（s）
含气量（%）
混凝土湿密度（kg/m3）
外观描述
二
0.50
0.6
6.0
50
82
31
6.4
3.8
2451
砂率偏小
33
3.5
3.6
2458
砂率较适中
35
5.3
3.0
2453
砂率偏大
三
0.50
0.6
6.0
60
72
28
5.9
2.8
2480
砂率偏小
30
4.2
3.2
2486
砂率较适中
32
4.8
3.6
2483
砂率偏大
由以上试验结果表明：
在用水量一定的条件下，混凝土随着砂率的变化，其拌合物VC值随之变化。
根据本次试验成果并结合以往工程经验，二级配最优砂率为33%,三级配最优砂率为30%。
3.1.4碾压混凝土拌和物VC值、含气量经时损失试验
为了解碾压混凝土在掺用缓凝效果的减水剂和引气剂时在施工时的工作性，以及含气量随时间延长的损失情况，以便于现场混凝土拌和机口控制，确保入仓混凝土具有合适的VC值和满足设计要求的耐久性。
试验条件：
二级配混凝土、水胶比0.50、粉煤灰掺量为50%，JM-Ⅱ（C）掺0.6%、JM-2000掺6/万、混凝土Vc值控制在3～5s，石粉掺量控制在14%～20%范围。
试验结果见表3.1.4及图5。
表3.1.4碾压混凝土VC值损失及含气量损失试验结果
项目
Vc值（s）
含气量（%）
时间（min）
0
30
60
90
0
30
60
90
实测值
4.0
5.6
6.8
8.6
4.2
3.8
2.4
1.3
损失率%
0
40.0
70.0
115.0
0
9.5
42.9
69.0
3.1.5碾压混凝土拌和物凝结时间与环境温度关系
试验条件：
三级配混凝土、水胶比0.55、粉煤灰掺量为60%；二级配混凝土、水胶比0.50、粉煤灰掺量为50%，JM-Ⅱ（C）掺0.60%、JM-2000掺6/万，Vc值控制在3～5s，含气量控制在3～5%，石粉掺量控制在14%～20%范围。
在不同环境下测定其凝结时间，测试分别在养护室、自然条件下进行，其试验成果见表3.1.5。
表3.1.5碾压混凝土拌和物凝结时间与环境关系试验结果
环境
试验条件
水胶比
Vc值
（s）
初凝
（h:
min）
终凝
（h:
min）
备注
温度
湿度
养护室
19.7－20.3℃
98%
0.55
4.5
18:
22
30:
15
三级配
自然条件
22.0－30.0℃
60%～75%
6:
13
17:
34
养护室
19.7－20.3℃
98%
0.50
4.1
17:
48
29:
52
二级配
自然条件
22.0－30.0℃
60%～75%
7:
42
20:
05
3.1.6混凝土水胶比与强度的关系
水胶比是决定混凝土强度的主要因
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