CN114671657A - 绿色高性能碾压混凝土及其在特高拱坝中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种绿色高性能碾压混凝土及其在特高拱坝中的应用，该混凝土力学性能C18030~40，水胶比为0.36~0.40，减水剂采用聚羧酸减水剂，碾压混凝土为二级配和/或三级配；二级配时，水泥用量为45~58.3kg/m3，粉煤灰掺量为70%；三级配时，水泥用量为41.9~55kg/m3，粉煤灰掺量为70~75%。该碾压混凝土可应用于200m级以上特高拱坝碾压混凝土筑坝材料，该混凝土具有高力学性能、高耐久性能、优良的变形性能、低绝热温升、高施工性能、优越的经济性及良好的环保性。

Description

绿色高性能碾压混凝土及其在特高拱坝中的应用
技术领域
本发明涉及碾压混凝土筑坝技术，具体涉及一种绿色高性能碾压混凝土及其在特高拱坝中的应用。
背景技术
碾压混凝土筑坝技术在我国得到迅猛发展，技术达世界领先水平。随着碾压混凝土高拱坝高度记录不断刷新，势必要求碾压混凝土向更高性能化方向发展。
最新《碾压混凝土坝设计规范》(SL314-2018)规定(节选)：坝高大于200m或特别重要的碾压混凝土坝设计，应对枢纽布置、坝体结构和防渗、坝体分缝、坝体材料性能、施工条件、温度控制及防裂措施等进行专门研究。坝体碾压混凝土应满足强度、变形、热学等要求，并应根据坝体的工作条件、环境条件，具有相应的抗渗、抗冻、抗腐蚀、抗冲磨等耐久性性能，且应符合SL654的相关规定。碾压混凝土的配合比应由试验确定。碾压混凝土总胶凝材料用量不宜低于140kg/m3；水泥用量应根据大坝级别、坝高并通过试验研究确定，且不宜低于50kg/m3。胶凝材料中掺和材料所占的重量比，外部碾压混凝土宜小于总胶凝材料的55％，内部碾压混凝土宜小于65％。坝体碾压混凝土最大水胶比宜小于0.65。在环境水有腐蚀的情况下，坝体外部水位变化区及水下混凝土水胶比宜小于0.45，并应通过试验论证。
目前我国建成的坝高大于200m的有龙滩碾压混凝土重力坝(一期坝高192.0m已经建成、二期按坝高216.5m设计)、光照碾压混凝土重力坝(坝高200.5m)，在建的有黄登碾压混凝土重力坝(坝高203m)。建成的最高的碾压混凝土拱坝为万家口子(坝高167.5m)，坝高大于200m的碾压混凝土坝的工程实践经验仍比较缺乏。此外，考虑到我国已建坝高大于150m的碾压混凝土拱坝仅一座(万家口子)，因此，对坝高大于150m的碾压混凝土拱坝的坝体应力、横缝或诱导缝灌浆设计、温控设计等关键技术问题也要专门研究。部分国内碾压混凝土坝的混凝土配合比统计为：碾压混凝土标号为R90～180100～200或C90～18010～25，水胶比0.42～0.70，水泥用量46～136kg/m3，粉煤灰掺量40～70％；碾压混凝土极限拉伸值一般为0.72～0.91*10-4。
综上可知，现有的碾压混凝土工程技术，尚无法满足200m级以上特高拱坝碾压混凝土筑坝材料所需的高强度、低热量、高耐久性等特性的要求。
发明内容
本发明提供一种绿色高性能碾压混凝土及其在特高拱坝中的应用，可应用于200m级以上特高拱坝碾压混凝土筑坝材料，该混凝土具有高力学性能、高耐久性能、优良的变形性能、低绝热温升、高施工性能、优越的经济性及良好的环保性。
本发明的技术方案是，一种绿色高性能碾压混凝土，该碾压混凝土为二级配和/或三级配；混凝土力学性能C18035～40，水胶比为0.36，减水剂采用聚羧酸减水剂；二级配时，粉煤灰掺量为70％；三级配时，粉煤灰掺量为70～75％。
进一步地，该混凝土中，按质量比计，减水剂掺量为0.75％，引气剂14/万。
进一步地，该混凝土中含有人工砂，人工砂粒径在5mm以下，粒径0.16mm以下为石粉，人工砂中石粉的含粉率18±2％。
进一步地，二级配时，粉煤灰掺量70％，用水量为70㎏/m3，水泥用量为58.3㎏/m3，粉煤灰为136.1㎏/m3，人工砂767㎏/m3，碎石包括中石891㎏/m3和小石551㎏/m3。
进一步地，三级配时，粉煤灰掺量70％，具体配比为用水量66㎏/m3，水泥用量55.0㎏/m3，粉煤灰128.3㎏/m3，人工砂708㎏/m3，碎石为大石460㎏/m3、中石660㎏/m3和小石414㎏/m3。
进一步地，三级配时，粉煤灰掺量75％，具体配比为用水量66㎏/m3，水泥用量45.8㎏/m3，粉煤灰137.5㎏/m3，人工砂685㎏/m3，碎石为大石466㎏/m3、中石668㎏/m3和小石420㎏/m3。
进一步地，所述碎石中大石、中石和小石的粒度分别为80～40mm、40～20mm和20～5mm；水泥为中、低热普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；粉煤灰采用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰。
进一步地，所述聚羧酸减水剂为超高性能聚羧酸系高性能减水剂，减水率大于35％。
本发明还涉及所述绿色高性能碾压混凝土在特高拱坝中的应用，其中坝高200m级以上。
进一步地，特高拱坝上游防渗层为二级配碾压混凝土；坝体内部采用三级配碾压混凝土；大坝周边、廊道周边及基础垫层相关难以碾压部位采用同部位同水胶比的变态混凝土。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的配方具有超低水胶比，小于现有最低值0.42；水泥掺量小于现有规范50kg/m3，粉煤灰掺量大于现有规范65％。本发明提供的配方，既要满足高强度需要，又要满足低水化热需要，同时要满足施工性能需要，是存在技术难点的，其既突破水胶比0.42的限制，将水胶比降低至0.36，进而实现C30以上高强度需要，采用高减水率的聚羧酸减水剂，可以减少用水量，但并不是减水剂减水率越高就越好，通常减水率越高，混凝土和易性不易满足，为了增加碾压混凝土和易性，采用人工砂中高掺适量石粉来解决。综上所述，低水胶比解决了高强度和耐久性问题，低水泥用量和高掺粉煤灰解决了低水化热问题，高掺适量石粉改善了混凝土和易性问题。
2、本发明中粉煤灰掺量70％时，水胶比为0.36时，碾压混凝土强度等级可满足C18040；当粉煤灰掺量75％时，水胶比为0.36，碾压混凝土强度等级可满足C18035。均大于传统碾压混凝土强度等级C10～25，满足200m级以上高拱坝C30～40的高强度需要。
3、当粉煤灰掺量70％时，水胶比为0.36，抗渗等级＞W18，抗冻等级>F300；当粉煤灰掺量75％时，水胶比为0.36，抗渗等级＞W17，抗冻等级>F300；满足200m级以上高拱坝高抗渗、高抗冻指标要求且能力有余。
5、高极限拉伸值：当粉煤灰掺量70％时，水胶比0.36碾压混凝土极限拉伸值110.4×10-6；当粉煤灰掺量75％时，水胶比0.36碾压混凝土的极限拉伸值105.3×10-6，传统碾压混凝土的极限拉伸值不大于90.0×10-6，本发明极限拉伸值均大于90.0～100.0×10-6，完全满足200m级以上高拱坝的高极限拉伸值要求。
6、低干缩：该碾压混凝土干缩性能优于传统碾压混凝土，且在早期表现更突出，1～14天早期龄期干缩率是传统碾压混凝土的35～70％，这有利于防止碾压混凝土早期开裂。
7、低绝热温升，同类似强度等级传统碾压混凝土比较，本发明绝热温升低7～10℃；早期(3～7天龄期)放热速率是传统碾压混凝土的33～70％，对大体积碾压混凝土坝温控极为有利。
8、高施工性能适宜的工作度(易于碾压施工)、高缓凝性性(缓凝时间可达10～20小时，适于大仓面、高温天气施工，层间结合良好)、高保塑性(VC值经时损失小)、高粘聚性(粗骨料分离小)、高保水性(水分损失小)等。与传统碾压混凝土相比，适应性更好，保塑性更优，VC值经时损失更小，且无泌水现象。
9、优越的经济性及良好的环保性超掺粉煤灰或其它掺合料、超低水泥用量、温控防裂措施简化、快速筑坝、工期缩短、性能长期稳定维护费用低等，技术经济效益显著；本发明中使用了超高粉煤灰掺量或其它掺合料，“变废为宝”；低水泥用量；温控防裂措施大为简化等，产生的节能减排等生态和环境效益明显。
综上，本发明配合比的特点是三低两高，即超低水胶比、低水用量、低水泥用量、高掺粉煤灰、高掺适量石粉，制备得到的混凝土特点是四高三低，即高施工性能、高力学性能、高耐久性能、高变形性能、低水化热温升、低能耗和低成本。超低水胶比可以使碾压混凝土获得高力学性能、高耐久性能，低水泥用量和高掺粉煤灰可以使碾压混凝土降低水化热温升，从而可以减少温控措施，高掺适量石粉可以改善碾压混凝土和易性，提高施工性能，进而降低能耗，减少成本。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
实施例1：该碾压混凝土为2级配混凝土，其配合比中水胶比为0.36，砂率为35％，粉煤灰掺量为70％，减水剂掺量为0.75％，引气剂加入量为14.0/万，含气量为3.0％，VC值为3.5s。
具体地：每立方米混凝土中，水为70kg、水泥为58.3kg，粉煤灰为136.1kg，人工砂767㎏/m3，碎石包括中石891㎏/m3和小石551㎏/m3。
该混凝土中，水泥为42.5Mpa水泥，可选华新水泥(昆明东川)有限公司生产的“堡垒”牌P.LH42.5水泥、粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，减水剂可选江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA聚羧酸系高性能减水剂(缓凝型)，其减水率＞35％，使用时配置成40％浓度的溶液，引气剂可选江苏苏博特新材料股份有限公司生产的GYQ型引气剂，使用时配置成5％浓度的溶液。
人工砂粒径5mm以下，其中石粉粒径0.16mm以下，含粉率18±2％；大石、中石和小石的粒度分别为80～40mm、40～20mm和20～5mm；水泥为中、低热普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；粉煤灰采用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰。砂、石料均以饱和面干状态为基准，使用时须视实测含水率换算使用。
实施例2：
该碾压混凝土为3级配混凝土，其配合比中水胶比为0.36，砂率为31％，粉煤灰掺量为70％，减水剂掺量为0.75％，引气剂加入量为14.0/万，含气量为2.7％，VC值为4.1s。
具体地：每立方米混凝土中，水为66kg、水泥为55.0kg，粉煤灰为128.3kg，人工砂708㎏/m3，碎石为大石460㎏/m3、中石660㎏/m3和小石414㎏/m3。
其余同实施例1。
实施例3：
该碾压混凝土为3级配混凝土，其配合比中水胶比为0.36，砂率为31％，粉煤灰掺量为75％，减水剂掺量为0.75％，引气剂加入量为14.0/万，含气量为3.0％，VC值为4.4s。
具体地：每立方米混凝土中，水为66kg、水泥为45.8kg，粉煤灰为137.5kg，人工砂685㎏/m3，碎石为大石466㎏/m3、中石668㎏/m3和小石420㎏/m3。
其余同实施例1。
上述实施例1～3制备的混凝土检测指标如下表1所示。
表1
Figure BDA0003614895110000051
溪洛渡水电站为混凝土双曲拱坝，最大坝高278米，坝体采用了常态混凝土，其强度等级为C18030～40、抗渗等级≥W13～15、抗冻等级为≥F300、极限拉伸值≥0.9～1.0×10-4、绝热温升≤26～28℃、自生体积变形＜-20×10-6、允许水胶比≤0.42～0.50等(见溪洛渡水电站大坝混凝土配合比优化试验研究，杨富亮等，水利水电施工2010年第2期，74～78页)。
从表1的数据与溪洛渡水电站的大坝混凝土技术要求对比可以，本发明实施例1中的碾压混凝土强度等级可满足C18040，抗渗等级＞W16，抗冻等级满足F300；实施例2中当水胶比为0.36时，粉煤灰掺量70％时碾压混凝土强度等级可满足C18040，抗渗等级＞W16，抗冻等级满足F300；实施例3中当水胶比为0.36，粉煤灰掺量75％时，碾压混凝土强度等级可满足C18035，抗渗等级＞W16，抗冻等级满足F300；上述混凝土满足200m级以上高拱坝C30～40的高强度需要，满足200m级以上高拱坝高抗渗、高抗冻指标要求且能力有余。实施例1～3绝热温升12～13℃远远小于26～28℃，对大坝防裂极为有利，可极大简化温控措施，解决了传统混凝土大坝温控复杂、易开裂的难题，完全满足200m级以上高拱坝的低绝热温升要求；极限拉伸值和自生体积变形均符合200m级以上高拱坝相关指标要求。
优选的应用方案中，在200m以上特高拱坝中的应用时，特高拱坝上游防渗层为二级配碾压混凝土；坝体内部采用三级配碾压混凝土；大坝周边、廊道周边及基础垫层相关难以碾压部位采用同部位同水胶比的变态混凝土。

Claims (10)

1.一种绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：该碾压混凝土为二级配和/或三级配；混凝土力学性能C18035~40，水胶比为0.36，减水剂采用聚羧酸减水剂；二级配时，粉煤灰掺量为70%；三级配时，粉煤灰掺量为70~75%。
2.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：该混凝土中，按质量比计，减水剂掺量为0.75%，引气剂14/万。
3.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：该混凝土中含有人工砂，人工砂粒径在5mm以下，粒径0.16mm以下为石粉，人工砂中石粉的含粉率18±2%。
4.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：二级配时，用水量为70㎏/m3，水泥用量为58.3㎏/m3，粉煤灰为136.1㎏/m3，人工砂767㎏/m3，碎石包括中石891㎏/m3和小石551㎏/m3。
5.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：三级配时，粉煤灰掺量70%，具体配比为用水量66㎏/m3，水泥用量55.0㎏/m3，粉煤灰128.3㎏/m3，人工砂708㎏/m3，碎石为大石460㎏/m3、中石660㎏/m3和小石414㎏/m3。
6.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：三级配时，粉煤灰掺量75%，具体配比为用水量66㎏/m3，水泥用量45.8㎏/m3，粉煤灰137.5㎏/m3，人工砂685㎏/m3，碎石为大石466㎏/m3、中石668㎏/m3和小石420㎏/m3。
7.根据权利要求4~6任意一项所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：碎石中，大石、中石和小石的粒度分别为80~40mm、40~20mm和20~5mm；水泥为中、低热普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；粉煤灰采用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰。
8.根据权利要求1所述的绿色高性能碾压混凝土，其特征在于：所述聚羧酸减水剂为超高性能聚羧酸减水剂，减水率大于35%。
9.权利要求1~8任意一项所述的绿色高性能碾压混凝土在特高拱坝中的应用，其中坝高200m级以上。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：特高拱坝上游防渗层为二级配碾压混凝土；坝体内部采用三级配碾压混凝土；大坝周边、廊道周边及基础垫层相关难以碾压部位采用同部位同水胶比的变态混凝土。
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