堆石混凝土施工密實度控制與分析

劉建成

（山西省水利工程質量與安全監督站 山西太原030002）

1 堆石混凝土技術發展情況簡述

土石壩和混凝土壩是國內外最主要的兩種壩型。從筑壩材料看，土石壩是利用當地土料、石料或土石混合料經過拋填、碾壓等方法堆筑而成，混凝土壩是由混凝土澆筑或碾壓而成。堆石混凝土是同時利用混凝土和石料兩筑壩材料，由自密實混凝土充填堆石體膠結而成，是介于兩種筑壩材料之間的過渡性材料。

堆石混凝土施工技術是將一定粒徑的堆石通過自卸汽車、吊車、纜車等機械直接入倉，形成有空隙的堆石體，再將自密實混凝土通過泵車、挖掘機、吊罐等設備倒入堆石體,利用自密實混凝土的良好的流動性能充填堆石體間的空隙，形成密實的堆石混凝土。分析堆石混凝土施工工藝，堆石混凝土內部充填是否密實將直接影響該混凝土的力學性能和耐久性，從而直接影響建筑物的質量和壽命。

堆石混凝土是在自密實混凝土施工技術基礎上發展出的一種新型大體積混凝土。自密實技術起源于上世紀80年代末的日本，2003年由清華大學金峰教授和安雪暉教授提出了堆石混凝土技術。堆石混凝土應用時間短，其質量控制措施和檢驗標準還處在不斷發展、完善中，國家尚未頒布質量標準及施工技術規范。為促進堆石混凝土施工技術的發展，本文結合堆石混凝土在山西的施工應用，分析了堆石混凝土密實度影響因素，介紹了施工密實度控制措施，旨在為今后堆石混凝土施工提供參考。

2 自密實混凝土填充堆石體密實度影響因素分析

2.1 自密實混凝土填充性能

堆石混凝土密實度在很大程度上受到澆注過程中所使用的自密實混凝土的流動性能和充填能力的影響。要形成致密、完整、密實、有較高強度的堆石混凝土，就要求混凝土具有良好的流動性、抗離析性和填充性，以保證自密實混凝土在灌注過程中能夠依靠自身重力勢能的推動充填堆石體空隙。

2.2 堆石料堆積狀況

堆石體由堆石料自然堆積而成，形成的堆石空隙應能保證自密實混凝土順利通過，才能使混凝土快速均勻流入堆石縫隙、包裹堆石料表面，使松散的堆石顆粒膠結在一起，構成完整的混凝土膠結體。堆石體空隙受堆石料粒徑大小、堆積狀況等影響。根據二元混合料堆積密實度線性模型，可將堆石料與自密實混凝土理想化為兩種粒級的骨料，當堆石料粒徑d1遠大于自密實混凝土粒徑d2時，兩種骨料無相互作用。無相互作用即一種尺寸顆粒的局部排列不因鄰近的另一種尺寸顆粒存在面造成紊亂。此時d1粒徑堆石料所形成的堆石體與自密實混凝土不發生相互作用，自密實混凝土能夠自由填充堆石體空隙。參考de Larrard及其同事在Blois地區道橋實驗室內進行的二元混合料模型標定試驗，當d1/d2為16倍時，混合料密實度最大。說明堆石混凝土應控制堆石料的最小粒徑。另外針狀、片狀堆石料易造成堆石與堆石之間大面接觸，應控制堆石料針、片狀含量，并在在石料堆積過程中施加人為干涉，減少大面接觸對混凝土填充帶來的不利影響。

2.3 混凝土澆注方式

自密實混凝土依靠自身重力勢能充填堆石體空隙，填充過程中隨混凝土流動距離的增加和高度下降，重力推動的作用逐漸減小，影響堆石混凝土填充密實度。尤其對于大體積混凝土，倉面大，填充面積和流動距離大，應合理布置混凝土澆注點，控制流動距離使混凝土快速填充。

3 堆石混凝土施工密實度控制措施

3.1 堆石體

1）堆石料

堆石料的爆破開采應通過爆破試驗確定合理的爆破參數。開采的石料應進行簡易篩分，粒徑不宜小于300 mm，最大粒徑以運輸、入倉方便為限，且不宜超過1.0 m；允許使用少量片石但其重量不得超過堆石料總重的10%，且不得集中堆放。石料應新鮮、完整，質地堅硬，無剝落層和裂紋，軟弱顆粒。

2）堆石入倉

堆石入倉應采用隨機堆放的方式，遇較大粒徑堆石應置于倉面的中下部，避免堆石與堆石、堆石與基礎混凝土大面積接觸。堆石入倉應減小基礎倉混凝土沖擊，以免對下層低齡期混凝土造成損傷；減小堆石之間的撞擊，控制堆石棱角磨損產生的碎屑沉積于基礎倉混凝土表面影響混凝土給合面質量。每層堆石厚度不得超過試驗厚度，堆石過程中清除堆石體表面可見小于20 cm的石塊。

3.2 自密實混凝土

1）原材料

水泥可選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，有抗凍要求時宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，標號不低于42.5。

粉煤灰宜滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T159）中Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰的技術性能指標要求。

細骨料宜優選級配良好的中粗河砂，粗骨料最大粒徑不超過20 mm，針片狀顆粒含量不超過8%。骨料其它性能指標應符合《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2001）中的相關規定。

自密實混凝土應使用聚羧酸系高性能減水劑，其品質應滿足《混凝土外加劑》（GB/T8076）高性能減水劑的基本要求，并應通過標準自密實砂漿試驗的檢測。

2）混凝土工作性能

自密實混凝土的工作性能采用坍落度試驗、坍落擴展度試驗、V形漏斗試驗和自密實性能穩定性試驗檢測，其指標應符合坍落度250～280 mm、坍落擴展度630～750 mm、V形漏斗通過時間7～25s、自密實性能穩定性不小于1h的要求。

3.3 混凝土澆注

澆注過程中澆注點應均勻布置于整個倉面，澆注點間距不超過3m，混凝土填充快速、均勻流入堆石縫隙，澆注過程中無離析、泌水情況。在堆石混凝土澆筑倉預埋PVC管，待堆石混凝土硬化后將PVC管抽出，觀測孔壁有無明顯缺陷,同時對預埋孔注水檢查，檢查是否漏水，以評價堆石混凝土的密實性。

3.4 密實度檢查

1）容重

參照《漿砌石壩施工技術規定》（SD120-84）中的相關規定對堆石混凝土容重、堆石與混凝土的比例和空隙率進行檢測。

2）鉆芯法檢查

鉆孔取芯是評定堆石混凝土質量的綜合方法，通過測定芯樣容重、外觀描述可評價堆石混凝土的均質性和密度性。同時也可通過芯樣獲得率評價堆石混凝土的均質性，壓水試驗評定堆石混凝土抗滲性，測定芯樣抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量和拉伸變形等性能評定堆石混凝土的均質性和結構強度。

4 工程應用

某重力壩壩高55.5m，壩頂寬8m，最大壩底寬52.45m，壩頂長123.5m，壩體部分采用堆石混凝土，設計容重不小于2.35t/m3。

4.1 密實度施工質量控制

根據重力壩分區和堆石混凝土施工特點，堆石混凝土部分劃為一個分部工程，每一倉堆石混凝土劃分為一個單元工程，每一單元工程又劃分為施工縫處理、模板安裝、堆石入倉、預埋件安裝、自密實混凝土澆注、外觀質量檢查等6個工序。施工中將堆石混凝土密實度控制措施，作為堆石入倉和自密實混凝土澆注兩個工序的主要檢查項目，逐項檢查驗收，使堆石混凝土施工密實度控制措施貫穿施工始終，以提高堆石混凝土施工密實度。

4.2 密實度檢查

1）預埋孔密實度檢查

預埋孔密實度共檢查126個單元，檢查結果均符合質量要求。

2）挖坑法檢查堆石混凝土容重

采用挖坑法對堆石混凝土密實度檢測5次，堆石混凝土容重在2.528～2.628t/m3之間，平均值為2.576t/m3，容重符合設計要求。

3）鉆芯檢查

施工結束后，采用XY-2型地質鉆機對堆石混凝土密實度進行鉆芯檢查，取芯孔孔徑219mm。選取符合試驗要求的混凝土芯樣進行容重檢測，共檢測12個，容重最大值2.764t/m3，最小值2.385t/m3，平均值為2.579t/m3，檢查結果符合設計要求。試驗結果見表1。

表1 堆石混凝土芯樣容重、抗壓強度檢測結果

4.3 檢查結果綜合評價

從堆石混凝土芯樣容重檢查結果看，芯樣容重在2.385～2.764t/m3之間,較挖坑法檢測結果變化區間增大，表明小試件檢測堆石混凝土容重離散性較大，但兩種檢查方法得到的容重平均值很接近，相互印證了檢查結果的客觀性。

在檢測芯樣容重的同時，對芯樣進行抗壓強度試驗，芯樣抗壓強度最大值為65.0 MPa，最小值為17.8MPa，平均值為38.5MPa。對照施工過程堆石混凝土大試件塊強度檢查結果，大試件抗壓強度檢測共11個，最大值為46.6MPa，最小值為19.4MPa，平均值為39.4MPa。與容重檢測結果具有同樣的規律，即大試件或大尺寸試坑對堆石混凝土的強度或容重檢測結果變化區間較小，但與小試件檢測得到的強度或容重平均值接近。試驗規律反映了試樣中堆石料含量隨機變化對試驗結果的影響，試樣越大代表性越強，檢查結果的變化區間越小，總體平均值代表性最強，趨于真實值。

大試件現場作制采用2.0 m×3.0 m×2.0 m方形試模，模擬堆石混凝土現場澆注，石料采用人工入倉，受試模尺寸限制石料粒徑較為均勻，混凝土填充條件優于施工現場。從強度檢查結果來看，芯樣平均強度達到大試件強度平均值的97.7%，強度值接近，反映堆石混凝土施工密實度較好，也驗證了與堆石混凝土密實度控制措施、取樣方法和檢查結果的合理性。

5 結語

堆石混凝土施工具有機械化程度高、施工速度快、質量容易保證、溫控措施簡單、工程造價相對較低等特點，特別適合大體積混凝土施工，在水利工程建設應用前景廣闊。同時堆石混凝土施工密實度易受當地巖石地質特性、建筑材料、施工設備、施工方法等影響，應加強堆石混凝土施工工藝性試驗。通過工藝試驗確定石料爆破開采、石料入倉方式、堆石倉厚、自密室混凝土生產、澆注點間距等施工參數，以驗證各項力學性能指標是否滿足設計要求。開展堆石體多元混合料填充理論基礎研究，細化堆石料質量控制項目，如堆石料級配、堆積方法等，進一步完善堆石混凝土施工密實度質量控制措施。