改善碾压混凝土坝层间结合性能的主要措施探讨.docx
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改善碾压混凝土坝层间结合性能的主要措施探讨
改善碾压混凝土坝层间结合性能的主要措施
摘 要:
层间结合性能较差是碾压混凝土坝的一个薄弱环节,文中提出合理设计碾压混凝土配合比以改善连续浇筑层缝性能,采用二级配垫层碾压混凝土处理冷缝或水平施工缝的方法优于洒水泥浆法,并认为采用绝对体积法设计碾压混凝土配合比时,需以α、β、PV值进行校核。
关键词:
碾压混凝土层间结合劈拉强度措施
1 前言
碾压混凝土坝施工速度快,建设周期短,坝体结构简单,工程造价低,自20世纪70年代开始采用碾压混凝土筑坝技术以来,得到了快速推广应用。
但碾压混凝土坝存在着一个薄弱的环节---层间结合性能较差,渗漏量较大,影响混凝土的耐久性和大坝的抗滑稳定性。
因此,改善碾压混凝土坝层间结合性能成为人们关注的主要问题。
影响碾压混凝土坝层间结合性能的因素很多,如原材料质量,混凝土配合比,施工机械,施工工艺,气候及施工管理等。
本文重点从混凝土配合比设计和冷缝或水平施工缝处理方法进行探讨,提出改善碾压混凝土坝层间结合性能的主要措施。
2 改善连续浇筑层缝性能的措施
高粉煤灰掺量碾压混凝土抗压强度与水胶比W/(C+F)的关系与常规混凝土一样,完全符合水灰比定则。
试验资料表明,在水胶比相同的条件下,碾压混凝土抗压强度随胶凝材料用量的增多而提高;随混凝土容重增大而提高,碾压混凝土的抗渗性、抗冻性和其它性能,在很大程度也取决于压实程度。
要提高碾压混凝土连续浇筑层间结合性能,在配合比设计时,就要为解决层间骨料的胶结和可能出现的空腔创造条件。
(1)适当减少粗骨料中大石的含量
碾压混凝土是超干硬性混凝土,拌合物松散无粘性,手捏才能成团,在卸料、转运和摊铺过程中,大小颗粒容易产生分离,下层面上大粒径骨料较多,甚至局部地区还出现大粒径骨料集中。
为改善碾压混凝土的抗分离性,《水工碾压混凝土施工规范》SL53-94规定“粗骨料的最大粒径以不大于80mm为宜,使用最大粒径超过80mm的粗骨料应进行技术经济论证。
不宜采用间断级配。
”
粗骨料中大石所占的比例大,则混凝土的容重也较大,拌合物大小颗粒较容易产生分离。
我国三级配碾压混凝土粗骨料的比例一般为小石:
中石:
大石=30~40%:
40~30%:
30~40%。
常规混凝土粗骨料级配比例选择的原则是:
最大振实容重和生产平衡。
对于碾压混凝土来说,选择粗骨料级配的原则必须增加拌合物的抗分离性能,并把抗分离性能列为首选原则。
表1可见,我国早期(约于1989年以前)建成的碾压混凝土坝,大石比例较大,在1989年以后,大石含量减少,绝大部分工程碾压混凝土采用粗骨料级配为小石:
中石:
大石=30%:
40%:
30%,说明这一级配的碾压混凝土拌合物抗分离性较好。
由于重力和惯性力的作用,当汽车将拌合物卸入仓面时,在料堆四周的大石含量必定较大,也就是说减少级配中大石的含量,并不能完全解决碾压混凝土拌合物的分离问题。
因此,在施工时辅以人工,将料堆四周的大石铲除,并分散撒布在未平仓的拌合物上。
(2)适当增大浆砂的体积比
目前,我国常用绝对体积法设计碾压混凝土配合比,在配合比设计时,必须选择
最佳砂率。
最佳砂率的选定标准:
①骨料分离少;②在固定水胶比及用水量条件下,拌合物VC值小,混凝土容重大,强度高。
但在实际操作中,往往没有按此进行选定砂率,而是凭经验,在《水工碾压混凝土施工规范》SL53-94规定的范围内选择一个砂率,然后进行试拌,凭眼观察评定砂浆填充程度,只要VC值和强度达到设计要求,此砂率便为选用砂率,且在选定砂率时,没有采用包裹系数进行校核。
碾压混凝土各组成材料是按填充理论胶结成一个整体,胶浆体积除填充细骨料空隙外,还要有一定的盈余,盈余系数α(胶浆体积与细骨料空隙体积之比)一般在1.1~1.3。
砂浆体积除填充粗骨料空隙体积之外,也要有一定的盈余,盈余系数β(砂浆体积与粗骨料空隙体积之比)一般在1.2~1.5。
反映游离浆体多少用PV值(胶浆体积与砂浆体积之比)表示,一般为0.38~0.42,几个工程的α、β和PV值见表2。
表2碾压混凝土配合比参数表
工程名称
设计标号
用水量
(kg/m3)
砂率
(%)
胶材用量
(kg/m3)
α值
β值
PV值
骨料种类
水泥品种
龙门滩
100#
98
36.0
140
0.397
人工骨料
溪柄
R90=150#
95
32.5
206.5
0.39
人工骨料
425#R普硅
大广坝
R90=100#
100
33.0
150
0.39
人工骨料
425#普硅
高坝洲
R90=150#
91
27.0
170
0.40
d然骨料
525#中热
锦江
R90=100#
88
30.0
150
1.08
1.68
0.37
d然骨料
425#普硅
三峡
纵向围堰
上纵段
R90=150#
84
32.0
160
1.15
1.88
0.35
d然骨料
425#低热
R90=200#
89
31.0
175
1.28
1.86
0.37
坝身段
R90=150#
81
30.0
162
1.24
1.76
0.37
525#中热
R90=200#
80
29.0
178
1.31
1.71
0.38
表中说明锦江工程和三峡一期工程纵向围堰的β值偏大,PV值偏小。
从α、β和PV值的定义可得出:
在保持胶浆体积不变的条件下,PV值和α值随砂率的增大而减少,β值随砂率的增大而增大。
三峡一期工程纵向围堰碾压混凝土原设计砂率为30%,在1994年11月27日的审查会议上决定:
为了提高碾压混凝土的层间结合性能,将砂率提高到32%。
以表3中87#配合比为基准的碾压混凝土配合比特性参数与层面粘结性能的关系,试验成果见表4。
表4说明层缝劈拉强度随间歇期的延长而降低;本体混凝土劈拉强度和连续浇筑层缝劈拉强度随PV值的增大而提高;连续浇筑层缝劈拉强度对PV值很敏感,PV=0.36,劈拉强度为100%,当PV=0.38时,劈拉强度猛增到124.7%,PV>0.38,连续浇筑层缝劈拉强度增长缓慢;PV值为0.36~0.38时,连续浇筑层缝劈拉强度为本体混凝土68.1~82.1%,PV值为0.40~0.41时,连续浇筑层缝劈拉强度为本体混凝土的83.1~87.1%。
图1[4]说明PV值为0.45时,连续浇筑层缝的胶结强度可达到本体混凝土的强度。
碾压混凝土坝连续浇筑层缝是大量的,要使连续浇筑层缝的胶结强度接近本体混凝土,适当增大碾压混凝土PV值尤为必要,PV值不宜小于0.38,宜控制在0.38~0.42,这样,在振动过程中,游离浆体易于渗入下层混凝土面,把层间的骨料胶结起来。
表3普定碾压混凝土配合比
配合比
编号
设计标号
水胶比
砂率
(%)
材料用量(kg/m3)
外加剂
(%)
VC
(s)
W
C
F
S
大石
中石
小石
87#
R90=150#
0.62
31
77
50
75
713
557
557
475
0.85
13
Py-31
R90=200#
0.50
38
94
85
103
836
/
830
554
0.85
10
90#
R90=150#
0.55
34
84
54
99
768
454
604
454
0.85
10
图1层间结合性能与Pv值关系
(3)适当降低VC值
VC值表示碾压混凝土的稠度,碾压混凝土配合比各参数对可碾性的影响由VC值综合反映出来,VC值小,可碾性较好,VC值大,可碾性较差。
碾压混凝土VC值按照测量地点的不同,可分为机口VC值、入仓VC值和仓面VC值。
机口VC值是拌合物出拌和机后抽样测得的,供控制机口混凝土质量使用。
入仓VC值是拌合物运输至浇筑地点、卸入仓内抽样测得的,供了解运输途中拌合物的VC值损失。
仓面VC值是拌合物入仓摊铺后、振动碾开始碾压前抽样测得的,它反映在具体的施工环境和管理水平下拌合物的可碾性,施工过程中以仓面VC值为控制标准,测得仓面VC值后及时地反馈给机口人员,供控制机口VC值使用。
单位用水量的大小,对VC值影响很大,在生产过程中,一般采用胶材用量和骨料量不变,仅调整单位用水量来改变拌合物的VC值,图2[3]就是仿照这种情况的试验果。
由图2可见,当VC值小于15s时,碾压混凝土本体的抗压和劈拉强度,随着VC值的增大(实质是水胶比减小)而提高;当VC值大于15s时,碾压混凝土本体抗压和劈拉强度,随着VC值的增大(实质是水胶比减小)反而有所降低,说明VC值较大的碾压混凝土拌合物游离浆体相对减少,混凝土难以振实。
碾压混凝土坝是一层层碾压后连续浇筑建成的,且层间胶结强度低于本体混凝土强度,为提高坝体抗滑稳定性,我们更应着重关注层间胶结强度与VC值的关系,图2可见VC值在5~30s范围内,初凝前后(间隔18h)层缝劈拉强度随VC值的增大(实质是水胶比减少)而明显下降。
三峡一期工程碾压混凝土纵向围堰进行了层间结合性能与VC值关系的现场模拟试验,试模放置在仓外,先成型1/2高度,间隔一定时间后,再从仓内料堆选取所需VC值的拌合物(当VC值大时,采用仓外薄层铺放获取)成型上一层,试验成果见图3。
从图3可以看出,在下层碾压混凝土间歇时间相同的情况下,上层碾压混凝土VC值愈小,层缝劈拉强度则愈高。
说明:
上图3中层缝间歇时间为10h左右
我们将表4(注:
原设计配合比测得的VC值,不是模仿施工现场仅调整单用水量测得的VC值)的试验成果制成图4,说明碾压混凝土的本体和不同间隔时间的层缝劈拉强度都随VC值增大而降低。
表4碾压混凝土胶凝材料用量与层缝粘结强度
序号
胶材用量(kg/m3)
配合比特性参数
本体劈拉(90d)
层缝劈拉(90d)
VC
(s)
α
β
PV
(MPa)
强度比
(%)
连续浇筑层缝
间隔18h层缝
间隔24h层缝
(MPa)
强度比
(%)
(MPa)
强度比(%)
(MPa)
强度比
(%)
1
115
15
1.10
1.25
0.36
2.26
147
1.54
100
0.87
56.5
0.62
40.3
2
125
12
1.23
1.31
0.37
2.31
122
1.89
100
1.18
62.4
0.81
42.9
3
135
10
1.31
1.35
0.38
2.34
122
1.92
100
1.49
77.6
/
/
4
145
8
1.40
1.38
0.40
2.38
120
1.99
100
1.60
80.4
1.52
76.4
5
155
6
1.48
1.42
0.41
2.41
115
2.10
100
/
/
1.68
80.0
在实际施工中,碾压混凝土仓面VC值控制得越来越小。
例如,三峡一期工程纵向围堰碾压混凝土仓面VC值统计平均值为7.6s,三峡二期工程左导墙碾压混凝土仓面VC值统计平均值为6.0s。
笔者认为:
目前我国主要采用德国宝马系列、国产YNJ-10B和YZJ-10P等大型振动碾,在不陷碾情况下,仓面VC值宜控制在4~10s。
提高碾压混凝土PV值、降低VC值,可能涉及增加胶浆总量问题。
常规混凝土水泥用量增加10kg/m³,混凝土绝热温升提高1℃。
因此,要提高碾压混凝土PV值、降低VC值,需相应地采取下列措施:
①增加粉煤灰掺量。
水泥与水直接发生水化反应,而粉煤灰是与水泥水化产物发生化学反应,因此,增加粉煤灰掺量,可以降低水化热,降低最高绝热温升。
水泥熟料经破碎、粉磨后,水泥颗粒是多面体,粉煤灰是高温燃烧的产物,颗粒是球体,增加粉煤灰掺量,可改善混凝土的可碾性。
粉煤灰的比重小于水泥,在水胶比和单位胶材用量不变的条件下,增加粉煤灰掺量,可增加胶浆体积。
优质粉煤灰需水量比小于100%,保持单位胶材用量不变,增加粉煤灰掺量,可降低水胶比,增强游离浆体的胶结力。
因此,在粉煤灰掺量不超过65%和技术指标满足设计要求的情况下,尽量多掺粉煤灰对改善层缝结合性能有好处。
②适当降低砂率,把β值控制在1.2~1.5,以减少砂的空隙体积。
③掺加缓凝、减水、引气复合外加剂。
④掺加缓凝、减水、引气复合外加剂
碾压混凝土拌合物从拌和加水时起,至上层混凝土碾压完毕止,所需时间长,要求在碾压混凝土初凝前全部完成,掺加缓凝剂的主要作用是延长和控制混凝土的初凝时间。
减水剂的主要作用是减少混凝土单位用水量,在胶材总量不变的情况下,降低水胶比,提高胶浆稠度,增强胶浆与骨料界面处的胶结力。
三峡二期工程采用的浙江龙游外加剂厂缓凝高效减水剂ZB-1A,掺量0.6%,平均减水率为21.5%;北京冶建特种材料厂缓凝高效减水剂JG3,掺量0.6%,平均减水率为23.0%;意大利马贝缓凝高效减水剂X404,掺量1.0%,平均减水率为24.9%,这些减水率远远超过国家一等品标准(≥12%)。
引气剂的主要作用是增加拌合物含气量,提高柔韧性和可碾性,减少泌水离析,提高硬化混凝土的抗渗和耐久性能。
河北石家庄外加剂厂引气剂DH9,掺量0.5‰,含气量平均为5.2%,超过国家一等品标准(>3%)。
将二者复合掺用,称之为缓凝高效引气减水剂,可降低碾压混凝土单位胶材用量,提高拌合物的弹塑性、粘聚性和可碾性,增强抗分离能力,有利于层间结合。
三峡工程要求缓凝高效减水剂与引气剂复合后的减水率在25%以上,在常温条件下,碾压混凝土的初凝时间在8h以上。
我国早期碾压混凝土,VC值控制在20±5s,拌合物干涩,引气剂的引气效果不佳,仅采用缓凝、减水复合剂,大多数工程采用木质素磺酸钙减水剂。
木钙减水剂对VC值的影响见图5。
目前机口碾压混凝土VC值控制在3~7s,仓面VC值控制在4~10s,VC值减小了,引气剂可以发挥其作用。
贵州普定工程掺用缓凝高效引气减水剂,应用成功。
三峡一期工程纵向围堰(含坝身段)碾压混凝土原设计抗冻标号为D50,单掺0.25%木钙减水剂的配合比可满足设计和施工的要求,后来的专家会议上,提出耗巨资建成的大坝,必须延长其寿命,要求抗冻标号由D50提高到D100。
因此,在上纵围堰施工一段时间后,改掺0.25%木钙和1/万DH9复合外加剂,碾压混凝土含气量在4%左右。
新疆石门子工程,采用0.3%JG4和4/万DH9复合外加剂,碾压混凝土抗冻标号可达到D200或D300的要求。
我国北方地区,气候寒冷,在碾压混凝土中掺入引气剂,以提高其抗冻性,大家认识是一致的。
对于南方地区,气候温和,混凝土抗冻标号要求不高,一般为D50,仅从抗冻要求来说,可以不掺引气剂。
但混凝土耐久性包涵抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性,掺入引气剂有利于提高碾压混凝土的可碾性、抗渗性和抗侵蚀性。
笔者认为:
为提高碾压混凝土的可碾性和层间胶结性能,延长大坝寿命,南方地区的碾压混凝土也需掺加引气剂。
3 冷缝和水平施工缝的处理方法
碾压混凝土坝施工特点是连续填筑上升,当遇到原材料供应不上,施工设备出现故障,连续下中、大雨,……等特殊情况,导致碾压混凝土间歇时间超过混凝土初凝时间,称为冷缝。
冷缝需进行特殊的处理,否则影响碾压混凝土层间胶结强度。
冷缝的处理与水平施工缝的处理采用相同的方法,我国对冷缝的处理常用三种方法:
洒水泥浆、铺水泥砂浆和垫层混凝土。
(1)葛洲坝工程的试验资料
葛洲坝1#船闸下导航墙左侧护坦采用碾压混凝土浇筑,层缝劈拉强度室内试验资料见表5,表中说明碾压混凝土层面间歇在12~72h内,只要采用铺砂浆处理,层间胶结强度大致相同;间歇72h不铺砂浆处理,层间胶结强度明显降低。
表5葛洲坝1#船闸下导航墙碾压混凝土层缝劈拉强度(kg/cm2)
间歇时间
2h
24h
48h
72h
劈拉强度层面条件
配合比号
本体混凝土
不刷毛、铺砂浆
刷毛
铺砂浆
不刷毛
不铺砂浆
R4567
10.9
7.2
7.7
7.5
7.7
8.4
5.9
RA
14.0
7.2
7.7
7.6
7.6
7.5
5.8
(2)锦江工程的试验资料
锦江工程现场碾压混凝土试验块,90d令期钻孔取芯,10个钻孔总进尺30.42m,平均芯样获得率为97.5%,最长芯样为100cm,其中芯样长度小于45cm(注:
压实层厚控制在30cm)的占总数76.6%。
钻孔穿过连续浇筑和间歇8h、36h、41h的层缝90条,有52%层面胶结良好,局部层面因粗骨料集中或缺少砂浆而出现架空,芯样在层缝处断开,另一些层面可能是由钻进中机械扭断。
在加工层面轴拉试件时,又有2件沿层面裂开。
芯样抗剪断试验沿层面剪开,断面较平整,可见到层面处理采用刷浓水泥浆和砂浆的痕迹,f=1.485,C=0.556MPa。
在连续填筑的第9层和第10层间,90d令期进行层间原位抗剪试验,f=1.375,C=0.319MPa。
连续浇筑缝的胶结强度低于经处理的间歇层缝的胶结强度,可能与碾压混凝土α值偏小(1.08)、β值偏大(1.68)、PV值偏低(0.37)有关。
(3)大广坝工程的试验资料
大广坝工程采用15×15×15cm试模,在阳光的直接照射下进行碾压混凝土层间结合性能试验,试件分上下两部分成型,采用表面型振动马达加压重,从上面对试件施振。
层面采用不处理、铺砂浆(砂浆标号较碾压混凝土高一级标号)和降低上层碾压混凝土VC值等三种方法处理,试验成果见表6:
表6室外高温时RCC层面结合试验成果
序号
水泥品种标号
层面处理
方式
层面暴露时间
(h)
VC值(s)
最高气温
(℃)
RCC表面
温度
(℃)
接缝28d
劈拉强度
(MPa)
接缝抗渗标号
下层
上层
1
柳州硅酸盐525#(R)
不处理
1.0
8
8
37
32~43
0.632
S4
2
″
″
3.0
9
9
34
28~40
0.113
3
″
″
5.0
9
9
34
28~40
0.109
4
″
铺砂浆
5.0
8
8
35
29~42
1.090
S1
5
″
″
7.0
8
8
35
29~42
1.000
S3
6
″
降低上层VC值
5.0
9
5
34
28~40
0.392
7
″
″
7.0
8
5
39
32~45
0.340
S0
8
叉河普硅425#
不处理
1.5
7
7
36
31~43
0.462
S3
9
″
″
3.5
7
7
37
32~43
0.293
S0
10
″
″
5.5
6
6
33
30~38
0.135
11
″
铺砂浆
5.5
6
6
35
29~42
0.670
S2
12
″
″
7.5
7
7
37
32~43
0.566
S4
13
″
降低上层VC值
5.5
6
4
34
28~40
0.203
14
″
″
7..5
6
4
29~42
0.160
S1
注:
柳州水泥碾压混凝土的初凝时间为3h12分;叉河水泥为3.5h。
表6说明
①层面不处理的,在初凝后2h以前,层缝28d劈拉强度随层面暴露时间的延长而降低。
②层面采用铺砂浆和降低上层碾压混凝土VC值至5~4s的处理方法,层面在初凝后暴露2h和4h,层缝28d劈拉强度差别不大。
③层面在初凝后暴露2h和4h,采用铺砂浆处理方法,能明显提高层缝28d劈拉强度,采用降低上层碾压混凝土VC值至5~4s处理方法,虽能改善层缝28d劈拉强度,但效果不显著。
大广坝工程在现场试验块层面未处理的第11层和第12层间进行原位抗剪断试验结果,初凝前复盖新鲜混凝土的层面,f=1.0、C=1.09MPa,可以满足设计要求;初凝后结合的层面,使用砂浆比较富裕的二级半(在三级配混凝土扣除部分大石)低VC值碾压混凝土处理,f=0.9,C=0.65MPa,未能达到设计要求。
通过现场层面原位抗剪试验,在工程施工时,,要求仓面VC值控制在5~10s,对老混凝土面铺2~3cm厚、比碾压混凝土提高一级150#砂浆,对已初凝的新混凝土层面也作同样处理。
该工程钻孔取得芯样进行抗剪试验成果见表8。
表8和现场试验块层面原位抗剪试验成果说明:
①胶结强度:
本体混凝土>连续层缝>间隙层缝。
②采用铺砂浆方法处理的间歇层缝胶结强度明显高于采用二级半碾压混凝土处理方法。
表7大广坝大坝碾压混凝土芯样抗剪试验成果
层面状况
间歇层
连续层
本体混凝土
项目
试件数
平均值
试件数
平均值
试件数
平均值
f
18
1.84
6
1.64
6
1.20
C(MPa)
1.77
1.93
2.77
(3)普定工程的试验资料
采用表3中90#和PY-31配合比进行碾压混凝土层面暴露时间对层缝性能影响的试验,试验成果见表8,说明层面未进行处理的三级配(90#配比)和二级配(PY-31配比)碾压混凝土,层缝劈拉强度、抗剪强度和抗渗性能都随层面暴露时间的延长而降低。
表9是用于挡水建筑物上游抗渗区的PY-31二级配碾压混凝土,层面间歇48h,层面采用不同处理方法的室内试验成果,说明层缝劈拉强度和抗渗性能:
采用涂W/C=0.45水泥浆>涂W/C=0.70水泥浆>铺砂浆>不处理。
表11是PY-31二级配碾压混凝土层面不同处理方法的室外仿真模拟试验成果,说明层缝劈拉强度、抗剪强度和抗渗性能:
本体混凝土>终凝后刷水泥浆>终凝后铺砂浆>初凝前不处理>终凝后不处理。
表8不同层间暴露时间的层缝粘结强度与抗渗标号
配比
编号
层面暴露时间
(h)
层面凝结
状态
层缝劈拉强度(90d)
层缝抗剪强度
带缝试件渗透性能
(MPa)
强度比(%)
(MPa)
强度比
(%)
抗渗
标号
渗透系数
(10-10cm/s)
90#
0
整体
2.31
100
2.81
100
>S8
——
4
初凝前
1.96
84.8
2.43
84.4
>S8
——
7
初凝前
1.86
80.5
2.15
76.4
S8
——
13
初凝后
1.37
59.3
1.59
56.5
S7
——
19
终凝
1.34
58.0
1.37
48.8
S7
——
24
终凝后
1.29
55.8
1.09
38.8
S5
41.9
PY-31
0
整体
2.45
100
2.69
100
>S8
7
初凝前
1.85
75.5
——
——
>S8
18
初凝后
1.38
56.2
1.71
63.6
S8
24
初凝后
1.53
64.5
1.47
54.6
S7
30
终凝后
1.51
61.6
——
——
S5
48
终凝后
1.13
46.1
1.03
38.3
S4
说明
90#配比初凝时间为10.5h,终凝时间
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