碾压混凝土材料性能和耐久性研究

　　碾压混凝土材料性能和耐久性研究蔡跃波陆采荣孙君森2（1.南京水利科学研究院，江苏南京210029；中南勘测设计研究院，湖南长沙410014）混凝土性能、碾压混凝土在不同水力梯度作用下的渗透和溶蚀特性、高温条件下高温缓凝减水剂、新型掺合料等碾压混凝土材料性能和耐久性关键技术的研宄。提出了碾压混凝土配合比的数据库和计算机辅助设计方法、龙滩大坝4个分区优化配合比、碾压混凝土的渗透溶蚀机理、含层面碾压混凝土的系列性能、新型高温缓凝减水剂HRN和复合高温缓凝剂CHR及其缓凝机理、层面保塑砂浆技术、磷矿渣和凝灰岩复合掺合料生产和施工应用等研宄成果。

　　许多研宄成果己用于龙滩水电站高碾压混凝土坝设计和大朝山水电站工程建设，取得了显著的技术、经济和社会效益。

　　料的品质指标、生产控制、11土配制和施工应用技术为liSh授级高工主要从事水工设计科研管理工作t/ww.enkUetbookmark3 1研究的主要内容及目标目标是立足碾压混凝土高坝建设的前沿领域，在“七五”、“八五‘攻关研宄成果的基础上，结合龙滩工程对碾压混凝土配合比进行优化设计，进行层面系列性能研宄，就碾压混凝土溶蚀问题作出评估，推出经济实用的新型高温缓凝剂技术，结合大朝山工程开展磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的研宄和应用。主要研宄内容如下。

　　开发碾压混凝土配合比数据库和计算机辅助设计软件，结合龙滩工程优选材料，进行配合比分析比较，并进行多种配合比的物理、力学、变形和耐久性等系列性能试验论证，在‘八五“成果的基础上进一步降低水泥用量，提出龙滩大坝4个分区碾压混凝土防渗和抗裂优化配合比研宄含层面碾压混凝土的性能（抗压、抗拉、弹模、极限拉伸和抗剪等），并建立各性能参数的数学表达式，研宄抗剪尺寸效应，以及能提高层面结合的垫层材料。

　　研宄碾压混凝土在不同水力梯度作用下的渗透溶蚀特性，从微观孔结构和化学成分稳定性角度研宄渗透溶蚀耐久性，对龙滩工程的影响作出评估。

　　研制化学合成的新型高温（35C左右）缓凝减水剂，缓凝时间6~8h减水效果15~20；提出多种外加剂复合使用对碾压混凝土缓凝、减水效果及性能的影响。研宄高温缓凝减水剂对凝结时间、硬化碾压混凝土主要力学性能的影响，及缓凝剂对单矿物和水泥水化速率的作用机理。

　　结合大朝山水电站工程研宄磷矿渣和凝灰岩复合掺合国缺少粉煤灰地区修筑碾压混凝土坝开发新的掺合料资源。

　　2研究取得的主要成果本专题联合科研、设计、高校和建设等单位进行科技攻关，取得了一批创新性的科研成果。主要研宄成果可概括为：①一个基础理论：碾压混凝土的临界水力梯度和渗透溶蚀机理；②一套程序软件：碾压混凝土配合比数据库和计算机辅助设计程序；③四个优化配合比：考虑防渗与防裂要求的龙滩高坝4个分区碾压混凝土配合比；④一套系列性能：系统地建立了有层面碾压混凝土的力学、变形、抗剪等性能参数间的数学关系；⑤两个新型产品：高温缓凝减水剂HRN和磷矿渣凝灰岩复合掺合料通过对碾压混凝土在不同水力梯度作用下的渗透和溶蚀特性的试验研宄，得到渗透系数与碾压混凝土龄期的关系、渗透系数与碾压混凝土渗透历时关系等，提出了临界水力梯度。临界水力梯度定义为：一定厚度的混凝土承受的作用水头超过某值后，其内部结构开始发生破坏，造成渗透流量、渗透系数随时间的延长而增大的水力梯度。混凝土的渗基金项目：九五“国家重点科技攻关项目（96~22001-03）―）男，江西铅山人，教授级高工，南京水利科学研究院副所长，主要从事水泥基复合与改性材料的研究；陆采荣（1963―）男，江苏兴化人，南京水利科学研究院教授级高工，主要从事水工混凝土配合比优化和耐久性的研究；孙君森（1939―）男，江苏连云港人国家电力公司中南勘测设计研究院教透系数越小，临界水力梯度越大。采用龙滩工程原材料及配合比LTRU和LTR1V进行碾压混凝土渗透特性试验，对于水泥和粉煤灰用量分别为55、105kg/m3的龙滩碾压混凝土，其90d龄期临界水力梯度为1 867，120d龄期临界水力梯度则达到2400用于防渗结构的碾压混凝土的临界水力梯度更高渗透溶蚀耐久性研宄结果表明，影响混凝土渗透溶蚀的主要因素是混凝土的不透水性及水力梯度。当渗透水无化学侵蚀性时，随着渗透时间的延长，渗透液的pH值有所降低，但仍高于11随着混凝土龄期和渗透历时的延长，其渗透系数减小，混凝土渗透液的pH值将逐渐稳定。水的渗透导致部分CaO或Si2从混凝土中溶出，但溶出量随着渗透时间的延长逐渐减少并趋于稳定。混凝土中胶凝材料CaO/Si2比值接近于1时，混凝土发生物理渗透溶蚀较少，即较稳定。根据混凝土渗透溶蚀出的Si2和CaO的数量以及相应的允许溶出量，可估算混凝土的渗透溶蚀耐久性。经计算，LTR111及LTRV两配合比碾压混凝土可以长期耐久，证明了200m级高坝碾压混凝土的渗透和溶蚀耐久性有可靠保证。

　　通过调查收集大量碾压混凝土坝工程资料，分析整理建立数据库，设计了基于VisualFoxPro的集数据库维护、数据查询、碾压混凝土配合比辅助设计和结果打印为一体的程序软件，可通过人机对话形式，选择符合碾压混凝土坝设计要求的碾压混凝土配合比。利用数据库对碾压混凝土的胶凝材料用量、粉煤灰掺量、用水量和砂率等进行了统计分析。从配合比角度，对碾压混凝土抗渗、抗冻和抗裂性进行了探讨。

　　对工程配合比的验算表明，计算配合比与工程实际比较接近。

　　程序开发基础来自碾压混凝土工程的试验和实测资料因而具有实用、灵活、可简化试验工作量等特点。

　　结合龙滩水电站高坝碾压混凝土的设计要求，在“八五‘攻关研宄的基础上，通过选用1级粉煤灰，运用计算机辅助设计软件进行配合比分析。采用龙滩工程拟用的工程原材料，进一步试验优化配合比，进行了碾压混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸、干缩、徐变、自生体积变形、绝热温升、抗渗、抗冻、抗碳化等试验论证，提出了技术、经济指标更为合理的龙滩大坝4个分区的碾压混凝土试验推荐配合比，水泥用量比原设计减少10~15kg/m3绝热温升值进一步降低237C，关键部位的抗渗等级达W18以上，明显增强了龙滩大坝碾压混凝土的抗渗和防裂性能。

　　采用龙滩工程拟用的各种原材料，研宄在4、12、24、72h层间间隔时间条件下，碾压混凝土层面分别采取不处理、铺水泥粉煤灰浆、水泥砂浆等措施和采用不同的胶凝材料用量，对碾压混凝土层面变形和强度特性、层面抗渗性能、层面抗剪断特性的影响。得出不同层间间隔时间、不同胶凝材料用量以及不同试验龄期分别与碾压混凝土层面抗剪断强度的相关关系式；含层面碾压混凝土平均抗压强度、劈拉强度和轴拉强度分别是碾压混凝土本体相应强度的0 81、064和078，层面极限拉伸值约为本体的090层面与本体两者的弹模之比约为087并给出各参数间相关关系表达土的胶材用量对层面抗剪性能没有显著影响；试验论证了用水泥砂浆、水泥净浆作为层面结合材料的可行性；通过碾压混凝土抗剪断尺寸效应研宄，获得大小试件对抗剪断参数的影响，给出了相关关系表达式。提出的层面保塑砂浆技术可有效提高层面的粘聚力C7，采用H2A保塑砂浆在室外37C间隔5~7h的条件下进行的碾压混凝土试验结果表明，层面粘聚力可与不分层本体的相当。研宄工作针对龙滩高碾压混凝土重力坝设计的需要，其成果为即将开工的龙滩工程建设提供了重要的依据。

　　针对依托工程龙滩碾压混凝土大坝面临的夏季气温高、水分蒸发快而又需要大仓面、连续快速施工的难题，采用化学合成方法研制出新型高温缓凝减水剂HRN采用物理方法筛选出具有高温缓凝作用的CHR通过两种途径解决了高气温条件下碾压混凝土的缓凝问题。HRN是在原研制的FDN-HR高温缓凝剂的基础上，对原合成工艺的聚合部分及后处理阶段引入了环氧烷烃在碱性条件下的聚合，并配合少量的泡沫稳定剂，控制分子量及羟值等指标，得到综合效果较好的A组分。HRN除了具有更好的高温缓凝作用外，也具有一定的引气、减水作用。采用龙滩工程拟用原材料及配合比进行了新拌、硬化碾压混凝土性能试验，掺HRN 075时减水率达到19，室内温度35~375C条件下初凝时间为10.9h，室外环境温度36~40C条件下初凝时间为65h，能满足高气温下碾压混凝土的可施工性、强度和抗渗等要求，达到了攻关技术指标要求。得出了强日晒条件下的水分蒸发是影响碾压混凝土初凝时间的重要因素的结论，并提出了提高混凝土保水性能的有效措施，提出采用保塑砂浆进行层面处理有利于提高层面之间的粘聚力。采用结合水法、定量X射线衍射法、透射电镜形貌观察等手段，对掺高温缓凝剂的单矿物、水泥的水化过程进行微观分析，结果表明，高温缓凝剂能降低水泥及矿物的初期水化速率常数（10倍），抑制矿物C3A、C3S的水化，代表水化程度的总体结合水量降低，宏观上表现为在高温环境下初凝时间仍可有效延长。

　　在建的“九五”国家重点建设工程云南澜沧江大朝山水电站，工程当地缺乏可利用的优质粉煤灰资源，掺合料问题成为制约混凝土大坝建设的关键因素之一。在调研、室内试验和现场大型工业性试验的基础上，总结提出了磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的生产、质量控制及工程应用成套技术。

　　大朝山水电站采用的磷矿渣与凝灰岩按质量1：1的比例混磨，获得了一种接近U级粉煤灰技术指标的新型掺合料。

　　式；同胶材用量的抗剪试验结果表明适量减少碾压混凝1油工需求的10n2fymiM掺合每品质指凝的性性bookmark4经过长期的研宄和论证，磷矿渣和凝灰岩复合掺合料于1997年4月开始在大朝山水电站大体积混凝土中应用。1998年3月，在拱围堰上开始大仓面碾压混凝土连续施工，1998年11月开始在拦河坝上进行碾压混凝土施工，浇筑了碾压混凝土75万m3拱围堰经受了12次过洪水的考验，大坝取得了长达10.47m的混凝土心样，证明磷矿渣和凝灰岩复合掺合料碾压混凝土具有优良的性能。各种施工检测数据和试验资料表明，磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的生产规模大于混凝土施磷矿渣和凝灰岩复合掺合料碾压混凝土的VC值应取低值，甚至在1s以内也具备可碾性。三枯阶段施工的R15―3碾压混凝土的水泥用量为67kg/m3，掺合料用量为111kg/m3，掺合料的大掺量为6236.碾压混凝土90d强度普遍超强，后期强度增长较大有关层间抗剪参数超过设计要求17 ~78，而设计要求值又是设计进行大坝稳定计算的1. 3倍值）因此其碾压混凝土配合比可应用于坝高大于大朝山水电站大坝（坝高111m）的工程实践证明二级配碾压混凝土完全可用于高碾压混凝土坝上游防渗。

　　综上所述，本专题结合龙滩工程开展的碾压混凝土材料性能和耐久性研宄表明，高坝碾压混凝土的物理、力学、变形、抗渗、抗冻等性能均能达到设计指标要求，优化配合比的抗渗和防裂性得到提高，渗透溶蚀耐久性安全，高温条件下的层面结合保障技术取得新的进展这些创新性的研宄成果为建设200m级碾压混凝土高坝进一步提供了有力的理论和技术支持。磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的研宄和应用，为西南水电基地澜沧江梯级电站的建设提供了碾压混凝土筑坝新技术和新经验。

　　3成果应用、社会经济效益及推广应用前景针对龙滩工程的配合比优化和试验论证研宄成果己被设计采用，与原设计配合比相比获得综合经济效益6 000万元以上。层面系列性能参数为龙滩高坝安全稳定分析及体形优化提供了技术依据。碾压混凝土数据库和配合比的计算机辅助设计软件，符合高新技术和信息智能化的发展方向，具有良好的开发应用前景。

　　对碾压混凝土临界水力梯度及渗透溶蚀耐久性的分析厚度、进一步降低内部碾压混凝土的水泥用量和大量掺用粉煤灰提供了理论依据，并得到龙滩工程设计的采用。

　　新型高温缓凝减水剂HRN和复合高温缓凝剂CHR，为解决碾压混凝土夏季连续施工难题提供了高新技术产品，产业化前景广阔。

　　用磷矿渣和凝灰岩复合掺合料代替粉煤灰作为碾压混凝土的掺合料在国内外是首次，其配比、混磨工艺和施工应用等研宄成果，己成功应用于大朝山水电站拱围堰和主体重力坝，浇筑了75万m3碾压混凝土，现场检测试验成果证明碾压混凝土质量良好，完全符合设计要求。大朝山水电站碾压混凝土掺合料就地取材，避免了从600km以外的昆明运输大量粉煤灰，为工程节省了运费，磷矿渣和凝灰岩的开采与加工解决了近百人的就业问题，并增加了地区的税收，对西南地区的经济发展起到促进作用，具有明显的社会效益。

　　磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的成功应用，为缺乏优质粉煤灰的西南地区建设混凝土坝提供了一个新的掺合料技术途径。

　　专题研宄成果不仅己直接用于两个攻关依托工程，产生了显著的技术经济效益，还具有广阔的应用前景，对保持我国碾压混凝土筑坝技术在世界范围内的先进地位也具有重大意义。

　　（上接第13页）点，对龙滩工程大坝靠近坝基某一层面采用100个随机样本进行统计分析，在考虑上游排水受阻的情况下，研宄该层面每个样本的扬压力分布，设计单位选定的防渗方案层面扬压力大大小于设计扬压力。

　　本专题依托于在建的江垭工程RCC重力坝（现己建成）和即将动工兴建的龙滩工程高RCC重力坝。在研宄工作中，使渗流分析和防渗结构的研宄取得了一大批创新性成果包括：①满足高RCC重力坝防渗要求的防渗材料配合比研宄；②提高RCC密实性、改善层、缝面结合特性的研宄；③RCC渗流特性的研宄；④渗流试验资料的统计特性研宄；⑤新设备、新材料和新技术的应用研宄；⑥RCC重力坝渗流特性和计算模型的研宄；⑦高RCC重力坝面板结构应力分析方法的研宄；⑧高RCC坝坝体和面板温度应力和温控防裂计算方法研宄；⑨对依托工程江垭RCC重力坝进行渗流分析和防渗结构试验的统计分析其结果表明：江垭工程RCC重力坝防渗系统能满足131m高RCC坝的防渗要求3成果应用情况及推广前景本专题在攻关过程中，不仅超额完成了合同规定的攻关任务和课题专题组长工作会议上对本专题的进一步要求，而方面进行了全面深入的研宄，使渗流分析和防渗结构的研宄取得一大批创新性成果，并推荐了可供龙滩工程后选用的防渗方案，对于类似工程亦有重要的借鉴意义。本成果的推广应用，对于指导RCC高坝的渗流分析和防渗排水结构设计，将产生明显的经济效益，对加快我国水电事业的发展、制定有关规范（如RCC坝现场压水试验规程、坝工规范、RCC心样室内试验规程、RCC施工规范、变态混凝土室内成型及试验规程等）及开展RCC高坝的安全监测等，都有较高的理论指导意义和重要的价值。

　　本专题紧密依靠在建（现己建成）的江垭工程RCC重力坝（坝高131m）系统地研宄了该坝使用的材料的物理力学性能和施工技术，对江垭工程RCC二级配、三级配与变态混凝土的渗透特性进行了系统分析，并论证了江垭大坝防渗结构的可靠性。根据龙滩工程2165m高RCC重力坝的要求，补充做了材料配合比特别是变态混凝土与层面结合材料性能的试验，研宄了适合于龙滩工程高RCC重力坝的防渗材料，并对多种防渗结构进行了应力、温控和防渗计算。本专题成果己直接应用于龙滩大坝工程设计，推荐的坝体防渗设计方案与原设计方案比较，具有防渗效果好、结构可靠、节省造价、方便施工等优点，该工程如果提前1a发电，就可以多获得157亿kWh的电量，具有重大的经济效益和社会效且从材料、施工试验设备与验方法渗流与渗控分I析c等多lish益gHouse.Allrightsreserved，http://www.cnki.net