【摘 要】 寒冷地区碾压混凝土筑坝，掺加引气剂是提高抗冻性的重要途径，控制水胶比也是十分有效的方法。试验证明：将混凝土性能控制在抗渗均
大于0.6MPa，极限拉伸值在0.83×10-4～0.95×10-4，抗压弹性模量在26MPa～33GPa之间,抗冻等级达F150次以上， 即可减少水泥用量，节省投资，改善
碾压混凝土施工和易性。
【关键词】寒冷地区；碾压混凝土坝；胶凝材料；试验；设计
中图分类号：TV431.1 文献标识码：B 文章编号：1000-0860（2005）04-0088-03
1 寒冷地区全断面碾压混凝土筑坝
随着技术的发展，对100m以上的大坝已进行了大量的研究，全断面碾压混凝土坝优于“金包银”型式，已为坝工界所确认。据桃林口水库和温泉堡水
库工程实践，在非寒冷地区采用二级配富胶凝材料自身直接防渗实现全断面碾压经验是成功的。大量试验研究表明，碾压混凝土本身的渗水性很小，其渗
透系数可达到10-7～10-11cm/s，抗冻标号达F150以上。
已建的碾压混凝土坝坝体防渗方式大体可分为：（1）坝体上游部位设常态混凝土防渗层；（2）富胶凝材料二级配碾压混凝土防渗层；（3）一般碾
压混凝土自身防渗，（4）在上游坝面喷刷涂料或贴土工膜以及浇钢筋混凝土面板等多种防渗措施。
目前，在寒冷地区采用富胶凝材料二级配作为防渗层的坝高尚未超过50m坝高。 河北省温泉堡水库为碾压混凝土单曲拱坝，最大坝高48.5m，坝体在
死水位以下采用二级配碾压混凝土和PVC土工膜联合防渗，在死水位以上采用二级配碾压混凝土，设计标号90d强度为C20 W6 F150，坝体内部采用三级配
碾压混凝土，设计标号90d强度为C15 W4 F50，坝体下游为C20 W4 F150；基础垫层为常态混凝土设计标号90d强度C20 W6 F50。上游坝面的防渗层，除二
级配碾压混凝土外， 近模板周边，每层摊铺碾压前，注入水泥浆，用插入式振捣器捣实，死水位以下与PVC土工膜紧密联接，形成可靠的防渗系统。
在寒冷地区水胶比在0.5～0.6，掺粉煤灰33%时，抗压强度（90d）可超过28 MPa以上，抗拉强度（90d）可超过3.35 MPa以上，抗冻达到F200(快冻法
)，抗渗等级可达到W8以上。上游面死水位以上采用90d龄期C20 W6 F150，水胶比0.6，胶凝材料总用量为178kg/m3，其中粉煤灰用量为68kg/m3；死水位
以下采用90d强度C20 W6 F50，水胶比0.55,胶凝材料总用量为195kg/m3，其中粉煤灰用量100kg/m3。
水胶比为0.6，掺粉煤灰55%，抗压强度（90d）超过17.8 MPa，抗拉强度（90d）超过1.53 MPa，抗冻达F50（快冻法）， 抗渗等级超过W4。混凝土试
块大型抗剪（断）试验时抗剪断摩擦系数为1.39～1.64，凝聚力为0.82 MPa～1.19MPa。
2 碾压混凝土自身防渗抗冻试验
碾压混凝土自身防渗抗冻试验表明，在碾压混凝土内掺用复合外加剂，即木钙+引气剂，含气量4%～6%，抗冻等级能够达到F200、F150、F50。抗渗等
级大于W6，采取加强层间结合及浇灌特制的胶凝剂等措施，使坝体抗渗性能增强。
2.1 掺加引气剂是提高抗冻性的重要途径
（1）掺加引气剂使含气量在3.5%以上的碾压混凝土抗冻性可以达到常态混凝土水平；（2） 掺加30%粉煤灰的碾压混凝土抗冻性可达到F150以上；掺
加50%的粉煤灰，碾压混凝土抗冻性可达F100以上； 但掺气量增加到一定值后， 抗冻强度随之而降低。 所以在增加抗冻性与抗压强度之间存在一个平衡
点，此点为最佳含气量。当无试验资料时，对于二级配碾压混凝土含气量可选用4%，三级配可选用3%。
2.2 严格控制水胶比是提高抗冻性的有效方法
混凝土水胶比最大限值：外部水位以上区域为0.6；外部水位以下区域为0.55；外部水位变化区为0.50；水流冲刷区为0.5；内部为0.7。 由此可见，
水胶比增大，抗冻性下降，因此对有抗冻性要求的碾压混凝土，水胶比必须加以严格限制。
2.3 碾压混凝土自身防渗试验
碾压混凝土配合比及强度试验成果表明，在死水位以下，水胶比为0.55，胶凝材料164 kg/m3，其中水泥82 kg/m3，砂643kg/m3，石1512kg/m3，含气
量4.6%；死水位以上,水胶比为0.5,胶凝材料186kg/m3，其中水泥93kg/m3，粉煤灰93kg/m3，砂634kg/m3，石1480kg/m3，含气量为5%。二级配碾压混凝土
耐久性，以控制含气量5%±1.0%为宜。90d龄期的极限拉伸值分别为1.10×10-4及0.92×10-4，抗压弹模分别为32544MPa及29775MPa。
3 配合比主要参数的选择与试验
3.1 粗骨料级配的选择
碾压混凝土采用石子最大粒径40mm。选用小石和中石比例以50︰50为宜。
3.2 外加剂掺量的选择
由于对抗冻标号要求较高，可选择木钙减水剂与PO-2引气剂复合掺用。木钙掺量与常态混凝土相同。取0.25%，PO-2引气剂掺量按混凝土含气量5%±
1%控制。一般，在相同引气剂掺量下，不同的水泥品种和不同的粉煤灰掺量，会影响混凝土含气量。因此，引气剂掺量的大小必须通过试验确定。 采用
矿渣硅酸盐大坝P.O.42.5水泥，在粉煤灰掺量30%时的含气量实测结果列于表1。
表1 P.O.42.5水泥混凝土引气剂掺量与含气量关系 %
注：W/(C+F)=0.5 ； F/(C+F)=30% ； 木钙0.25%。
3.3 砂率的确定
在固定水胶比和用水量的条件下，拌和物稠度Vc与砂率关系的试验结果见图1。试验表明，在一定的水胶比和胶凝剂材料用量下，试验确定的砂率与
粗骨料振动压实后的空隙率大体接近。
3.6 强度试验结果与分析
各种拌和物在满足施工稠度VC=10±5s，含气量5%±1%的条件下，测其湿容重与VC值、含气量，对混凝土进行试拌调整。
选用P.O.52.5水泥，对混凝土的抗压强度90d进行统计分析，得出90d抗压强度与水胶比W/(C+F)、粉煤灰掺量F/(C+F)（%）、含气量A（%）的三元线
性回归方程为 （2） 全相关系数R=0.996，回归均方差S=1.39MPa。
由回归方程可知，R90随水胶比的减小而增加；随粉煤灰掺量的增加而降低。增加含气量会降低其强度，含气量每增加1%，强度约降低4%左右。
3.7 抗冻试验结果与分析
采用如极限拉伸等的成型方法制作试件。试模尺寸为100 mm×100 mm×400mm，粒径D＞40mm的粗骨料用湿筛法筛除。相对动弹性模量及重量损失与冻
融循环次数的关系曲线如图3。
在水胶比相同（W/（C+F）=0.55），含气量大体相近（5%±1%）的情况下，抗冻性随粉煤灰掺量的增加而降低。在粉煤灰掺量相同，含气量大体相近
的情况下，抗冻性随水胶比的增大而降低。在水胶比与粉煤灰掺量相同及含气量相近的情况下，P.O.52.5硅酸盐大坝水泥混凝土的抗冻性优于P.O.42.5矿
渣硅酸盐大坝水泥混凝土。
图3 相对弹性模量与冻融循环次数关系曲线（龄期：90d）
3.8 特性试验与绝热温升
抗渗标号一般均大于0.6 MPa，极限拉伸值与常态混凝土大体相同，其值在0.83 10-4～0.95 10-4之间；抗压弹性模量在26～33GPa之间，较常态混凝
土稍大。碾压层的允许间隔时间宜控制在混凝土的初凝时间以内。
混凝土在绝热条件下，由水化热试验可以计算出碾压混凝土28d的绝热温升，即： （3）
式中 T28－28d绝热温升（℃）；
Q28－28d胶凝材料的水化热（J/g）；
C、F－分别为水泥和粉煤灰用量（kg/m3）；
c－混凝土热比容，取 ；
－混凝土密度，取 ＝2400（kg/m3）
4 结 语
寒冷地区碾压混凝土配合比设计的特点主要由抗冻等级控制。由于抗冻要求,限制了水胶比和粉煤灰掺量，使混凝土有一定的超强。对水位变化区的
外部混凝土，应优先采用硅酸盐大坝P.O.52.5水泥，并复合掺用减水剂和引气剂，水泥用量一般为61～112 kg/m3。相应28d的绝热温升约为10℃左右。
采用复合木钙减水剂和PO-2引气剂的措施， 不仅显著地改善了碾压混凝土施工和易性，而且提高了抗冻性能，在满足抗冻标号F150等技术要求的条
件下，使碾压混凝土的单位用水量降低达73 kg/m3，可节约水泥用量。 |
