碾压混凝土层面成熟度及其不同处理方法对层间各项性能影响的研究

耿士超 张 成 何腾飞 李 赛

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

碾压混凝土属于干硬性贫水泥混凝土，20 世纪80 年代从国外引入到中国，它具有生产工艺简单、成本低、运输方便、生产率高的特点。碾压混凝土在中国得到长足的发展，特别是已经建成的普定碾压混凝土拱坝再一次证明了我国碾压混凝土筑坝技术已达到国际水平。虽然国内水电市场近年来渐现饱和迹象，但国外水电行业，特别是非洲市场正在蓬勃发展。由于非洲地区经济基础薄弱，电力资源匮乏，融资能力有限，碾压混凝土施工速度快、成本低、适应性强的优势刚好满足其发展条件。下凯富峡水电站位于赞比亚首都卢萨卡东南约90 km 的Kafue 河上，大坝坝顶高程581 m，最大坝底宽度120 m，最大坝顶宽度374 m，最大坝高130.5 m，大坝从左岸向右岸共分为19 个坝段。大坝主体混凝土方量140 万m3，其中碾压混凝土129 万m3，常态混凝土11 万m3，碾压混凝土主体配合比选用全断面R12（等同于国内C15）设计。在碾压混凝土试验段论证阶段，过程中采用成熟度和凝结时间双控法判别碾压混凝土施工层间缝类别，通过不同处理方法对层间结合粘接强度、抗剪强度、渗透系数性能研究。

1 试验段使用的碾压混凝土原材料

1.1 水泥

水泥选用国际著名供应商拉法基公司成产的大象牌CEM-I 42.5N 水泥。水泥检测结果见表1。

1.2 粉煤灰

粉煤灰选择曼巴电厂生产的曼巴粉煤灰。粉煤灰检测结果见表2。

表1 拉法基CEM-I 42.5N 水泥检测结果[1]

表2 曼巴粉煤灰检测结果[2]

1.3 骨料

骨料在项目区域内业主指定的地方开采，经过检验，采石场岩石不存在潜在有害物质。人工砂检测结果见表3；骨料检测结果见表4。

1.4 外加剂

减水剂选用十一局外加剂厂生产的SN-2 型高效减水剂，满足规范ASTM C494 中的F 类减水剂要求。

缓凝剂选用十一局外加剂厂生产的SN-GH 型缓凝剂，满足规范ASTM C494 中B 类缓凝剂要求。减水剂和缓凝剂的检测结果见表5。

表3 人工砂检测结果[3]

表4 骨料检测结果[4]

表5 外加剂检测结果

2 试验段碾压混凝土配合比的选择

碾压混凝土配合比的选择分别为：水118 kg，水泥81 kg，粉煤灰81 kg，胶材总量162 kg，砂741 kg，小石子（4.75～19 mm）415kg，中石（19～37.5 mm）562 kg，大石头（37.5～75 mm）418kg，减水剂（SN-2）1.616 kg，缓凝剂（SN-GH）0.485 kg。

3 碾压混凝土的主要性能指标

根据《下凯富峡水电站施工技术要求》和美国垦务局规范碾压混凝土EM1110-2006[3]，大坝碾压混凝土的主要设计指标：最大骨料粒径75 mm，抗压强度≥12 MPa，劈裂抗拉强度≥1.2 MPa，极限抗拉强度≥0.9 MPa，渗透系数＜1×10-6 cm/s，混凝土密度≥2 400 kg/m3。

（注:混凝土强度按照φ150 mm*300 mm 圆柱体试块设计，根据ACI 318M-11，150 mm 立方体试块和φ150 mm×300 mm 圆柱体试块强度装换关系：fc’，cy=0.8×fc’.cu，即：强度等级R12 等同于国标C15（fc’，cy—圆柱体试块强度，fc’.cu—立方体试块强度）[6]）

4 碾压混凝土试验段层间缝类别的判断和处理方式

4.1 改正成熟度（MMF）

改正成熟度是碾压混凝土层间暴露时间乘以（每小时仓号内平均气温读数加12℃），是国际公认的成熟度算法。此方法考虑到混凝土-12℃以下时，其强度不在增长的实际情况，具有实际操作意义。

4.2 层间缝判别依据及标准

现场碾压混凝土试验段采用了8 层7 种层间，时间间隔分别为4 h、8 h、16 h、22 h、32 h、48 h、60 h，每种时间间隔采用3 种不同处理方式，分别为层间不处理、层间铺水泥净浆、层间铺水泥砂浆。试验段浇筑完成56 天后，采用双管取芯法进行现场取芯，取芯发现层间间隔22 h 以下3 种处理方式的碾压混凝土芯样，层间结合处粘接均良好，故判断暴露22 h 以下为热缝。层间间隔32 h 以下经过铺水泥净浆或砂浆处理的混凝土芯样，层间结合处粘接均良好，故判断暴露超过22 h 但不超过32 h 为温缝。层间超过32 h 为冷缝，需要按照碾压混凝土施工规范的要求，进行停仓，冲毛后重新验仓。

根据以上试验段的试验结果和赞比亚当地各月平均气温计算改正成熟度判定层间缝标准见图1。

图1 碾压混凝土层缝成熟度判定标准

5 碾压混凝土层间缝不同处理方式下粘接强度、抗剪强度、抗渗性能结果

5.1 粘接强度

粘接强度样品制备，在试验段56 d 后进行双套筒取芯，取出芯样按照高程分辨出层间缝位置，在层间缝的两侧分别延伸同样长度截取高径比2∶1 的芯样进行粘接强度试验。层间不同处理方式下的粘接强度见表7。

通过上表绘制出不同处理方式下，不同时间间隔的芯样粘接强度见图2。

表7 层间不同处理方式下的粘接强度

图2 碾压混凝土层缝粘接强度

5.2 层间抗剪强度

层间抗剪采用室内成型立方体试件，试件尺寸150 mm 立方体试块。成型方式先经过测量成型下半部碾压混凝土，在按照不同时间间隔，和处理方式进行处理，最后再成型上部碾压混凝土。在试件整体终凝后拆模。养护至90 d 龄期。通过自制抗剪仪器进行剪切试验，自制剪切设备已经获得国家实用新型专利。

碾压混凝土层间剪切强度，对于碾压混凝土层间的抗剪强度，采用最大粒径75 mm，曼巴灰，设计抗压强度12 MPa，90 d 设计龄期的碾压混凝土配比，在10 h 和16 h 的层间暴露时间下，对碾压混凝土进行试验，层间抗剪切试验结果如下表8。

5.3 层间渗透系数结果

层间渗透系数检测采用室内成型圆柱体试件，和现场验证的方式进行。最大粒径75 mm，曼巴灰，设计抗压强度12 MPa，90 d 设计龄期的碾压混凝土渗透系数检测结果见表9。

现场采用压水试验的方式检测层间结合部位的碾压混凝土的渗透系数，试验段从上到下钻孔，孔径75 mm，孔深2.1 m（包括所有试验段层间），然后以0.2 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，0.8 MPa 和1 MPa 压力分别测试了层间渗透系数，每个压力维持时间约为60 min，渗出水量为零。最后，以1.2 MPa 的压力测试整体渗透系数，维持时间约为100 min，渗出水量也为零。

表8 层间剪切试验检测结果

表9 层间渗透系数试验检测结果

通过以上试验可以证明，碾压混凝土抗渗性能良好，通过现场试验段的压力换算可以承受120 m 高水头而不渗漏，能够满足大坝的设计要求。

6 结论

碾压混凝土层间结合采用成熟度和初凝时间双控的方法对碾压混凝土层间处理情况进行判定，按照不同月份的月平均气温计算成熟度的控制极值。通过试验段取芯结果和数据计算的方式总结出最终的合理评判标准。国内现有的碾压混凝土施工方法普遍要求6 h 覆盖，最长暴露时间超过12 h 不在允许进行浇筑按照冷缝处理。通过对全断面同级配高掺量粉煤灰且添加适当掺量缓凝剂的碾压混凝土配合比设计，以延长凝结时间的方式可以实现最长暴露28 h 以内可以按温缝处理，可为国内碾压混凝土大坝连续快速施工提供参考依据。

从碾压混凝土粘接强度、抗剪强度、抗渗性能可以看出，碾压混凝土的层间结合处理方法铺净浆优于铺砂浆。另外在实际生产施工中也可以发现铺净浆的效率远大于铺砂浆，这样就提高工作效率降低施工成本有利于减少层间处理时间，碾压混凝土可以快速覆盖，更有利于层间结合。