碾压混凝土抗冲耐磨性能试验研究及应用
高建山，张国慧
（中国水利水电第十六工程局有限公司福建福州 350003）摘要：结合新疆某水利枢纽RCC大坝工程实际情况，对添加HF和硅粉常态混凝土及碾压混凝土的力学、抗冲磨等性能进行了测试和对比，提出在碾压混凝土中掺入HF和硅粉后同样可以满足抗冲磨等性能，并且可以节省原材料、简化施工工艺，降低水化温升，预防表面裂缝；同时，抗冲磨碾压混凝土具有干缩率小、施工简便、造价低等优点，建议在水利工程碾压混凝土大坝中直接使用碾压混凝土作为抗冲磨混凝土。
关键词：碾压混凝土抗冲耐磨试验研究
前言
新疆某水利枢纽大坝为碾压混凝土重力坝，混凝土材料分区见图1；泄水建筑物表孔溢流面混凝土表层50cm采用常态二级配作为抗冲磨混凝土，与之相接的是2.5m厚三级配变态混凝土和三级配碾压混凝土，混凝土配合比见表2；在国内类似工程施工中，通常采用常态混凝土和碾压混凝土同步上升或常态后浇的浇筑方式。常态混凝土由于水泥用量高，硬化过程中混凝土产生的水化热温升比碾压混凝土的高，容易产生不同的温度梯度而引起应力裂缝。本工程通过对碾压混凝土和常态混凝土的抗冲磨性能比对研究，提出了在碾压混凝土坝型中采用碾压混凝土直接作为抗冲磨混凝土的建议。
图1 典型溢流面混凝土分区图
表1 某勘测设计院科研所RCC与CC抗冲磨性能比较成果
表2 某工程溢流面常态抗冲磨混凝土配合比原材料用量表（kg）
说明：原材料与3.1相同
2 试验方案
2.1 采用同一材料分区的碾压混凝土配合比，在保持原参数不变的条件下中直接掺入HF、硅粉；
2.2 在灰浆中加入HF、硅粉，应用于变态混凝土；
3 试验原材料及配合比
3.1 试验用原材料
⑴水泥：天山水泥厂“特供”P·O42.5普通硅酸盐水泥，其基本性能见表3，SEM分析微观测试见图2，从SEM看出：特供水泥颗粒大小差别较大，粗细的均匀一致性不如普通水泥，最大粒径可以达到70μm，颗粒表面更加粗糙，颗粒形状呈现多棱型，增加了水化反应活性点；
图2 “特供”P·O42.5水泥颗粒形貌SEM照片
⑵粉煤灰：石河子Ⅰ级灰，密度2.19，细度7.0%，含水率0.3%，需水量比93%，化学指标见表3，SEM分析微观测试见图4，从SEM看出：石河子粉煤灰存在大量的球型微珠，微珠完整无破损，最大颗粒小于50μm，未燃烧的碳颗粒和杂质比较少；
图4 石河子粉煤灰颗粒形貌SEM照片
⑶细骨料：天然砂FM2.7，表观密度2660 kg/m3，吸水率1.3%，石粉含量5.2%，
⑷粗骨料：片麻花岗岩轧制的人工骨料,表观密度2680 kg/m3，吸水率1.0%；
⑸外加剂：FDN缓凝高效减水剂,PMS-NEA3引气剂；
⑹HF抗冲耐磨剂,检测结果见表5；
⑺硅粉：烧失量3.1%，细度8% ，含水率0.4% ，活性指数＞113% ，化学检测结果见表3，从SEM 分析微观测试可见：硅粉形状呈现规则的球状，表面光滑，细度高，最大颗粒直径一般小于10μm，大部分颗粒直径在3~5μm， SEM微观测试见图4；
图4 硅粉颗粒形貌SEM照片
表3 原材料的部分化学成份检测结果
表4 水泥的物理性能检测结果
表5 HF抗冲耐磨剂物理性能检测结果
3.2 试验用RCC配合比及新拌混凝土性能
表6 试验用RCC抗冲磨配合比及新拌混凝土性能
说明：HF每M3掺量1.8%，硅粉每M3掺量8%，出机工作度RCC按1～3S，VCC按3～5cm控制。
4 硬化后碾压混凝土力学和抗冲耐磨性能
表7 常态与碾压抗冲磨混凝土力学及耐久性能对照表
表8 常态与碾压抗冲磨混凝土90天干缩性能对照表（×10-6）
5 硬化后抗冲磨碾压混凝土微观测试成果
将硬化90天后的碾压混凝土进行了微观测试，结果见图5、图6；
图5 硬化后掺硅粉抗冲磨碾压混凝土微观测试成果
图6硬化后掺HF抗冲磨碾压混凝土微观测试成果
从扫描电镜可以看出：图5的试样整体微观结构比较致密，有一部分水化硅酸钙（C-S-H）凝胶生成，同时可以看到存在大量的没有水化的粉煤灰和硅粉微珠存在，大量粉煤灰和硅粉只起到微集料作用，并没有参与水化反应；分析认为由于水胶比较小，且掺用了大量的粉煤灰后使拌合物中胶凝材料总表面积增大很多，胶凝材料颗粒表面的水膜层减薄，水化产物生长空间较小，水化硅酸钙（C-S-H）凝胶颗粒结晶程度较低。同时，可看出有明显的微气孔出现，说明引气剂的采用能够使混凝土中存在大量的微小气孔，石粉很好地被水化产物包裹，没有界面间隙存在。从图6的照片可
以看出：粉煤灰都能与Ca（OH）2发生水化反应，反应的生成物与水泥水化的生成物相似。
6 抗冲耐磨碾压混凝土的试验结果及分析
6.1 硅粉碾压混凝土的抗冲耐磨特性分析
由表7、表8看出，硅粉掺入碾压混凝土中，本次试验90天抗压强度相对增加16%，300次冻融循环后耐久性系数FD高出10%，抗冲磨强度提高了50%，相对常态混凝土90天干缩值降低了6.1%。
6.2 掺HF碾压混凝土的抗冲耐磨特性
HF是目前应用在水利工程中较多的抗冲耐磨添加剂，HF抗冲磨剂外观为干粉状褐灰色粉末，细度筛(1.25m筛)余<10%，含水量<3%,PH值为13～14，HF外加剂掺量一般为胶凝材料的2%～4%，本试验采用HF外加剂是几种外加剂的复合剂，主要成分为①减水剂，其作用是显著减小混凝土的水胶比，增大混凝土的强度及稠度，从而使工作度损失减少。②粉煤灰强度激发剂，激发粉煤灰的火山灰活性，提高粉煤灰与水泥水化物的反应速度及粉煤灰混凝土的早期强度。③载体流化剂，增大混凝土的流动性，并在1～2h内使混凝土的坍落度变化很小。④缓凝剂，起缓凝作用并减小混凝土的坍落度损失，使混凝土初凝时间适当延长，对初凝后的混凝土强度没有影响。⑤混凝土膨胀剂，利用其在水化过程中产生的微膨胀性，补偿混凝土的干缩性。诸多试验成果表明在混凝土中掺入一定量的HF抗冲耐磨剂具有防止或减少混凝土裂缝、提高力学、变形能力和耐久性能等优点，因而得到广泛的应用。由表7、表8碾压混凝土的收缩试验结果表明，与常态混凝土相比掺入HF后碾压混凝土可以明显地降低混凝土的收缩变形。
7 抗冲耐磨碾压混凝土的现场施工应用
在对常态混凝土、碾压混凝土、改性混凝土抗冲耐磨特性进行试验比较的基础上，在28号坝段EL706. 5～709.5高程溢流面进行了应用试验。
7.1 抗冲磨碾压混凝土的拌和
①掺硅粉碾压混凝土：拌合楼骨料秤斗中按事先称好的重量，固定专人投料，使用4.5m3强制式拌合机,拌合时间为180S；投料顺序为：砂→胶凝材料(拌合30S)→骨料+硅粉(拌合50S)后→水+外加剂(拌合100S)
②掺HF碾压混凝土：拌合楼骨料砂秤斗中按事先称好的重量，固定专人投料，使用4.5m3强制式拌合机,拌合时间为180S；投料顺序为：砂+HF→胶凝材料(拌合30S)→骨料(拌合50S)后→水+外加剂(拌合100S)
7.2 抗冲磨碾压混凝土现场应用
①大仓块碾压混凝土同步施工。在BW202AD型宝马振动碾无法施工的溢流面反弧段，碾压混凝土摊铺厚度控制≤20cm,使用手扶式小型振动碾按2+8+2碾压边数控制，为追求外观光滑度除预先在模板上涂刷专用脱模剂外，在碾压混凝土摊铺前10～20分钟左右使用毛刷刷挂一层水泥净浆，在靠
近模板振动碾无法施工的部位，采用改装后的电动夯实机夯实；经采用灌砂法检测，压实密度满足设计指标。
②后浇法滑模碾压混凝土施工。在施工条件复杂情况下，采用后浇法滑模工艺施工，碾压混凝土为薄层（层厚15cm）半塑性（VC值1～3S）拌合物,入仓后使用附加配重的平板振动器压实。
7.3 现场加浆变态混凝土的应用
制浆站按事先称好的重量，在搅拌机搅拌浆液中固定专人添加HF或硅粉，在摊铺的碾压混凝土人工造孔后按照4%～5%比例控制加浆，然后振捣密实。
7.4 现场应用碾压混凝土取样检测成果
从表9的检测结果看出，现场使用的混凝土检测指标结果比室内试验结果略低。但抗冲磨性能均高于常态混凝土。
表9 现场RCC抗冲磨混凝土性能检测结果
8 结语
针对新疆某工程的实际情况，进行了碾压混凝土抗冲耐磨性能的室内试验与溢流坝段的应用，由试验结果可以得出以下几点结论：
⑴受规范的约束，设计单位均将抗冲磨混凝土的龄期及最大粉煤灰掺量做了规定，实际在不少水利工程中溢流面混凝土受到水流冲刷的时间均远远超过设计龄期，如果将溢流面混凝土龄期根据施工情况作适当调整，不但可以给混凝土后期强度增长留有空间，而且可以降低早期水化放热带来的温控压力，使用RCC作为抗冲耐磨混凝土可以有效减少混凝土早期的温度及收缩裂缝；
⑵直接使用碾压混凝土作为抗冲磨混凝土可以在很大程度上解决不同种类混凝土施工带来的诸多难题；
⑶有条件的地方骨料尽量选用耐磨、强度高的骨料，本工程由于骨料自身强度低、吸水率高，为达到设计强度和抗冻性能，混凝土配合比单方水泥用量较高，相应带来的温控负担较重；
⑷在碾压混凝土中掺入硅粉或HF，同样可以在提高混凝土强度的同时提高其抗冲耐磨性能；
⑸即使在抗压强度略低的情况下，碾压混凝土的抗冲磨强度较常态混凝土高。
参考文献
［1］陈国新，等，几种抗冲磨混凝土性能的试验研究《混凝土》2008年第3期
［2］李光伟，等，溪洛渡水电站抗冲磨混凝土性能试验研究《水电站设计》2009年第3期
作者简介：高建山（1976-），男，籍贯：甘肃兰州职称：工程师，
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