巴基斯坦 NJ 工程碾压混凝土配合比设计 - 工程事故分析 巴基斯坦 NJ 工程碾压混凝土配合比设计摘 要：碾压混凝土在世界范围内得到了广泛应用，各个国家 有相应的配合比设计规范。本文以巴基斯坦 NJ 工程为例,参考国际 工程的配合比设计特点，运用于国内的设计方法,使之能适应国内外 不同的技术条件。从实际应用效果看，该工程在人工砂石粉含量不 足的情况下，采用改良后配合比设计的碾压混凝土工作性能有大幅 度提高，满足本工程施工的需要和质量要求。关键词：巴基斯坦 NJ 工程,碾压混凝土,配合比设计1. 工程概况巴基斯坦 NJ 工程属低挡水坝、长引水隧洞( 洞挖总里程 58.8km)、深调压式竖井、地下式厂房、尾水隧洞式水电工程，共装 机 4 台，总容量 969 MW;工程主要永久建筑物有：右岸导流隧洞、 混凝土重力坝、左岸进水口和沉砂池、左岸引水隧洞、调压井、地 下厂房、开关站及附属设施组成。碾压混凝土主要应用于填塘基础 和局部大坝主体。2. 设计要求及设计依据碾压混凝土设计强度为 17MPa(91d 龄期) ， 强度保证率 80%。根据 ACI 214 配制强度计算公式 fcr =fc+0.842 Ss(0.842 是强度保证率 80%的概率度系数，Ss 是混凝土抗压强度标准差) 确定 碾压混凝土配制强度为 20.4MPa= 17+0.8424。由于本工程采用的是 美国标准，其混凝土标准试件是 150mmh300mm 圆柱体，如要与国内的立方体标准强度比较，只需除以 0.87 换算系数。即美国标准 20.4MPa 相对于国内 23.4MPa。为保持试验数据的一致性，本文提 供的试验数据均为未经换算的原始数据。按照合同技术条款和美国工程师协会设计标准Roller- Compacted Concrete(EM 1110-2-2006)要求，骨料最大粒径不超过 75mm，水泥用量不低于 60kg/m3 ，总胶凝材料用量不低于 180kg/m3，混凝土容重不低于 2400kg/m3 ，VC 值 5s10s ，灰浆比 (Paste-Mortar Rito)不低于 0.40。其中灰浆比是判别碾压混凝土工作 性能优劣的量化指标，国际工程普遍常用。3. 原材料情况3.1 水泥采用 Maple Leaf 生产的低碱水泥(相当于国内中热 42.5 水泥)。 其中比表面积 3262cm2/g，28d 抗压强度 30.6MPa( 美国水泥标准试 件为边长 50mm 立方体) 。3.2 矿粉采用 THATTA 生产的矿粉。其中细度 13.75% ，比表面积 5044cm2/g，28d 强度活性指数为 93.88% 。由于生产厂家在巴基斯坦 最南部的城市卡拉奇，本工程在东北部克什米尔地区，运输成本的 增加使矿粉的综合单价要略高于水泥。所以从经济性角度考虑，尽 量选择低掺矿粉。3.3 外加剂采用北京冶建萘系 JG-3 缓凝高效减水剂。掺量为胶凝材料用量的 0.7%(减水率 18.3%) 。3.4 人工砂采用隧洞开挖料(砂岩) 制人工砂。其中细度模数为 2.7，属中 砂，级配合格，但用于碾压混凝土用砂的关键参数石粉含量只有 10.4%，低于国内推荐的 12%22%，且 75m 含量也只有 6.8% ，低 于美国标准要求的 8%18%。受砂石厂生产条件和石料品质因素影 响，多次调整生产工艺并未有效提高人工砂中石粉和 75m 含量。3.5 碎石采用隧洞开挖料(砂岩) 制碎石。砂石厂生产的碎石最大粒径 63mm，分成 D19、D38 和 D63 三级。其中针片状含量分别为 6.7%、14.3%和 19.8%; 三种骨料级配要求全部合格(美国标准并无超 逊径要求)。从针片状指标可以看出，骨料粒型较差。3.6 拌和用水采用生活饮用水。水质量满足拌和用水质量要求。4. 碾压混凝土配合比设计难点及设计思路4.1 设计难点从原材料检测成果看， 本工程的骨料质量低于国内水平，主 要反映在人工砂石粉含量低，碎石针片状不理想等指标。这种现象 在第三世界国家较为普遍，主要受地域限制，可利用骨料有限，就 地取材是唯一解决料源途径。如何合理优化配合比，满足施工需要， 使之能充分利用当地原材料是本次配合比设计的难点。4.2 设计思路 按国内的配合比设计原则，主要进行以水胶比、单位用水量、 掺和料掺量、砂率等配合比参数的正交试验。当石粉含量处于较低 水平时，可采用掺和料等量替代和超量替代的方法予以解决。按美 国的配合比设计原则，在无胶凝材料用量限制的情况下，首先根据 标准中推荐的图表(图一)确定胶凝材料用量。本工程合同技术条款 对胶凝材料限制为不低于 180kg/m3 ，参考图一，180kg/m3 针对的 90d 龄期抗压强度约为 23MPa 左右，从实际取得试验成果(24.4MPa) 与理论值也较为接近。骨料级配比例和砂率通过计算获得，其计算 后的全级配曲线需接近美国标准中理想曲线(表一) 。本次配合比设 计主要为解决石粉含量偏低的问题，拟采用增加胶凝材料用量方式 解决，增加部分胶凝材料用量的计算未按照国内常用的等量替代或 超量替代法，而是采用首先满足美国标准的全级配理想曲线为计算 依据。单掺石粉的方案，从经济性、时间周期和可操作性方面均不 如直接增加胶凝材料方案，故未采用。最终配合比参数的确定还需 满足灰浆比不低于 0.40 的技术要求。5. 碾压混凝土配合比设计方法及计算步骤5.1 设计方法本次配合比设计水胶比选择不作为重点，而是首先确定最终 胶凝材料用量，其中包括最低胶凝材料用量和新增用于替代石粉的 胶凝材料，由于监理只批准在技术条款限制的 180kg/m3 基础上新增 胶凝材料，根据以往工程经验，混凝土强度肯定有较大富余，所以 只需确定单位用水量满足 VC 值 5s10s ，不用选择多个水胶比进行试拌;矿粉掺量选择 70%、67%、60% 和 50%四种;骨料级配比例参考 国内 30%:40%:30%，此时的碾压混凝土抗分离效果最好;砂率通过计 算以满足碾压混凝土全级配理想级配曲线为依据。5.2 计算步骤首先计算满足全级配理想曲线的骨料级配比例、砂率和替代 石粉的胶凝材料用量。由于计算步骤较为繁杂，可通过建立 EXCEL 计算表格取得相关数据。表二为已计算完成结果。备注：碎石混合级配 30-40-30 表示碎石级配比例为 D19：D38：D63=30%：40%：30%;混合砂级配 96.7-3.3 表示混合砂中人工砂：胶凝材料 =96.7%：3.3%;计算级配 63-37 表示碎石：混合砂=63% ：37%。将表二中计算的碾压混凝土骨料全级配曲线与理想曲线在图 表中进行对比(图二)，两条曲线吻合程度较高，关键指标石粉含量 (150m)和 75m 含量也基本满足理想曲线。最终选择碎石级配比例 为 30%：40%：30% ，混合砂级配中人工砂与新增胶凝材料比例为 96.7%：3.3%，碎石与混合砂比例为 63%：37% 。结合试拌试验成果， 采用国内体积法计算具体材料用量，计算成果见表三。6. 碾压混凝土配合比试拌成果及分析根据表三的计算成果，确定最终胶凝材料用量为 206kg/m3， 按照 70%、60%和 50% 矿粉掺量分别进行试拌。补充增加胶凝材料 180kg/m3，按照技术条款最低水泥用量 60kg/m3 进行试拌，主要复核最低胶凝材料用量是否能够满足设计强度要求。具体试验成果见 表四。VC 值检测完成后，将 VC 筒内碾压混凝土整体倾倒出观察拌 和物“液化”情况，可以看出总胶凝材料 206kg/m3 和 180kg/m3 的碾 压混凝土表面返浆均较为充分，但针对底部和周边的“液化” 状态， 206kg/m3 胶凝材料用量要优于 180kg/m3 。从表四试拌成果可以看出，四个配合比参数的 91d 龄期抗压 强度均满足混凝土配制强度要求(20.4MPa)，并有较大程度富余。在 水胶比相同情况下，不同矿粉掺量在不同龄期抗压强度检测结果接 近，说明矿粉的活性与水泥接近，不同矿粉掺量与强度的波动幅度 不如粉煤灰明显，另外矿粉比表面积较大，致使高掺矿粉造成单位 用水量处于较高水平。7. 碾压混凝土配合比推荐配合比及应用在混凝土配合比参数选择上，考虑到巴基斯坦的矿粉综合单 价高于水泥，高掺矿粉意义不大，故初步选定总胶凝材料 206kg/m3，矿粉掺量 50% 的配合比参数作为推荐配合比(表五) 。通过计算推荐配合比的灰浆比为 0.44，满足不低于 0.40 要求。 详细计算步骤见表六。灰浆比计算步骤：VPaste = V 水泥 + V 矿粉+ V 水+ V 空气+ V 75-m 细骨料 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.068*0.2962 =0.2201VMortar= V 水泥 + V 矿粉+ V 水+ V 空气+ V 人工砂 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.2962=0.4962Paste-Mortar Rito = VPaste / VMortar = 0.2201 / 0.4962 =0.44从生产性试验采用推荐配合比实际应用效果看，碾压后的碾 压混凝土表面返浆充分。从现场取芯情况看，芯样壁表面光滑、平 整，骨料分布均匀，胶结密实，芯样孔 24h 渗水量 1.22%，试验结 果令人满意。说明增加的 26kg/m3 胶凝材料替代石粉能有效改善碾 压混凝土的工作性能。8. 结论综上所述，除国内普遍采用的掺和料等量替代和超量替代改 善人工砂石粉含量方法外，还可以结合美国标准的混凝土全级配理 想曲线方法进行改善，同时还需结合灰浆比(Paste-Mortar Rito)指标 对配合比设计合理性进行量化判断。从本工程实际应用效果看，结 合美国标准的配合比设计方法拓展了新思路，简单、有效解决人工 砂石粉含量不足的问题。美国标准混凝土配合比设计有个特点，混凝土强度选择依据 不是按照水胶比，而是根据推荐的胶凝材料与不同龄期抗压强度线 性关系确定胶凝材料用量;骨料级配和砂率的选择需以满足全级配理 想曲线为依据。笔者认为在做大型的配合比项目时，采用不同水胶 比进行正交试验更具科学性和严谨性，在单个配合比项目时，可参 考美国标准的胶凝材料用量进行试拌复核;在骨料级配和砂率的选择 上，可参考美国标准的混凝土全级配理想曲线，因为混凝土骨料全 级配有了量化标准，有助于判断混凝土粗细骨料组合比例合理性，混凝土工作性能也能同时得到保证。参考文献：1 EM 1110-2-2006 Roller-Compacted Concrete2 ACI 214 Evaluation of Strength Test Results of Concrete