高掺量粉煤灰碾压混凝土（HVFARCC）的抗压强度研究

　　摘要:综述了大水胶比、高掺量粉煤灰碾压混凝土（hvfarcc）的定义、现在的发展状况、性能（抗压强度方面）、原材料要求、配合比设计等方面的特点。介绍了高掺量粉煤灰碾压混凝土在 大坝、道路、桥梁、房屋、港口等工程中的应用情况。研究结果表明：1，在粉煤灰掺量一定的情况下，随着水胶比的增加碾压混凝土的抗压强度降低；2，在水胶比一定的情况下，随着粉煤灰掺量的增加碾压混凝土抗压强度降低。3，由于粉煤灰在一定程度上降低了混凝土的抗碳化性能，从而间接的降低了混凝土的抗渗性能。因此，对高掺粉煤灰碾压混凝土的抗碳化能力有必要作进一步的研究。

　　第一章　概述及rcc的主要应用

　　第一节　概述

　　1.1 引言：

　　近年来，大掺量粉煤灰碾压混凝土（high volume fly ash running compacted concrete 简称hvfarcc）已经日趋发展成熟，并逐步在我国的桥梁、道路、水利、港口等工程中得到了越来越广泛的应用。

　　从hvfarcc的发展来看，二十世纪七十年代问世的水工碾压混凝土筑坝技术和减水剂尤其是高效减水剂的普及是促进hvfarcc应用技术快速发展的两个最主要的因素。

　　从开发hvfarcc的意义来看，它将普通混凝土、粉煤灰、和环保型低水泥用量混凝土的概念加以有机的结合，对于拓展三者的涵义，走新型建材、绿色建材的道路，具有重要意义。

　　从hvfarcc的效益来看，对于粉煤灰应用技术的提高，综合利用效益的提高，供需双方经济效益的提高，环境保护力度的提高等方面均有显著效果，粉煤灰混凝土不仅能节约水泥，还减少了细骨料，从而降低了混凝土成本，具有一定经济效益，同时利用粉煤灰，可减少占地面积，可改善环境污染，因此，具有一定的经济、技术、社会三重效益。

　　因此，hvfarcc的开发，是一条走“可持续发展”之路，走“绿色建材”之路的新型环保混凝土的技术路线的体现。为节约能源，改善环境和控制污染，高效消纳工业废渣走出了一条面面俱佳的新路。

　　1.2 定义

　　大掺量粉煤灰碾压混凝土（hvfarcc）碾压混凝土是和其他混凝土一样，也是有水泥、掺和料、砂石、骨料、外加剂和水等材料组成，但各成分所占比例同常态混凝土有较大差别。目前，我国的掺和料主要是粉煤灰。大多数文献认为hvfarcc的含义，是根据我国几十年来在混凝土中粉煤灰取代水泥率15%左右而谈的，即粉煤灰取代水泥率30%以上（含30%）配制的碾压混凝土可称为hvfarcc；但很多国家标准或规程都将粉煤灰掺量为40%做为上限，故本文根据我国经验和习惯把粉煤灰含量在30%以上的定义为hvfarcc。

　　1.3 hvfarcc存在的问题

　　目前我国碾压混凝土存在的主要问题是：

　　（1）碾压混凝土拌和物的凝结特性适应工程建设要求的问题。

　　碾压混凝土中掺用大量的掺和材料,而且一般都掺如入缓凝剂，因此，碾压混凝土的初凝时间都比常态混凝土要长。

　　（2）进一步降低碾压混凝土的绝热温升问题。

　　碾压混凝土胶凝材料水化热温峰的推迟以及碾压混凝土坝的连续铺筑施工，使得碾压混凝土坝利用表面散热的效果极其有限。甚至没有效果或出现温度倒灌现象。如何进一步降低碾压混凝土的绝热温升问题是碾压混凝土进一步推广的需要。

　　（3）劣质掺和材料的利用及替代材料的使用问题。

　　目前，我国碾压混凝土中的掺和材料品种比较单一，除了云南大朝山坝以凝灰岩及磷矿渣的混合物作为掺和材料外，其他碾压混凝土均使用粉煤灰。对所用的粉煤灰一般的质量要求都要符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》dl/t5055——1996。在实际上都采用二级以上的，很少使用三级及其低于三级的。粉煤灰掺和料的替代品也是目前研究的热点。

　　（4）碾压混凝土的长龄期性能与耐久性问题。

　　低水泥用量、高粉煤灰掺量碾压混凝土的早期强度较低，但随着龄期的增长，强度得到发展，其他各种性能也有所变化。由于碾压混凝土的发展仅仅二十多年，这种龄期较长的混凝土更长龄期的性能会是如何？这是一个很值得研究的问题。

　　综合以上所述，本实验主要探讨：进一步增大水胶比、粉煤灰掺量的碾压凝土的性能，主要是对它的抗压强度性能的研究，即：在高水胶比、高粉煤灰掺量这种情况下，究竟强度低到哪种程度，来给它以量化。通过这种方法，以期达到降低混凝土内部的绝热温升；还主要讨论这种低强度下它的利用价值之所在。并提出一些体会见解。

　　1.4 研究的现状

　　hvfarcc对水泥、骨料无特殊的要求，基本与普通混凝土相同，为了配制性能良好的碾压混凝土，hvfarcc需掺用高效减水剂。为使混凝土的拌和物具有一定的含气量，改善混凝土的流动性，一般在掺高效减水剂的同时还要掺引气剂。如果有较高早期或后期强度要求的还需要加入相应的激发剂。

　　一些文献认为大掺量粉煤灰混凝土与普通混凝土在原材料方面最大的差别是要掺大量的粉煤灰。英国的dunstan认为，不是粉煤灰的质量，而是其质量的变异性才是最重要的。高掺量、低质量粉煤灰可以配制出性能良好的碾压混凝土，只要其质量的变异性不是十分显著。加拿大的malhotra用了美国8种高粉煤灰掺量、大水胶比配制了的碾压混凝土，抗压强度性能仅仅是我国现行规范的二级或三级标准。

　　更多文献认为，高粉煤灰掺量的碾压混凝土，粉煤灰对其强度的增长没有多大作用，更多的是为了利用粉煤灰的防渗作用。故在我国，大多是：在水胶比（一般小于0.4）很小时才掺用高粉煤灰，在大水胶比（一般在0.4~0.7之间）时掺用不超过30%的粉煤灰，也就是低粉煤灰用量。

　　还有文献认为，在碾压混凝土中保证胶凝性的前提下，掺用大量的低质量粉煤灰，可以大大改善混凝土的抗侵蚀性。

　　部分文献认为，hvfarcc中粉煤灰的细度对混凝土的流动性和强度有着较为显著的影响，粉煤灰的细度较细时，混凝土的流动性和强度都有所提高。

　　第二节 rcc的主要工程应用及历程

　　2.1 早期的rcc的发展

　　碾压混凝土是近几十年发展起来的一种新型混凝土。它具有独特的性能，未凝固前碾压混凝土的性能与常规混凝土的性能完全不同，而凝固后有与常规混凝土的性能非常相近。

　　碾压混凝土是将土石方施工机械容量大、速度快、大面积作业的优点和混凝土强度高、耐久性强的特点融合到一体，从而达到快速经济施工的目的。

　　为了使土石方施工机械能在混凝土面上作业，碾压混凝土稠度又要很干，干到足以使推土机，振动碾、自卸汽车不下陷。碾压混凝土比工业民用建筑上的干硬性混凝土还要干，是一种坍落度为零的超干硬性混凝土。用维勃仪来进行测定即：碾压混凝土在一定频率的维勃仪上震动，达到液化所需要的时间，定义为碾压混凝土的稠度，又称碾压混凝土的工作度即vc值，单位为：秒（s）。从工艺学角度，经过振动碾碾压的混凝土，只有压实到接近密实容重，才具有结构设计所要求的强度、抗渗性和抗冻性。

　　据各国资料统计，碾压混凝土施工方法最多用于大坝工程和公路工程，经验证明也是最经济的方法。

　　2.2 rcc用于筑坝的发展

　　碾压混凝土用于筑坝的思想是在1970年和972年美国工程基金会在美国加利福尼亚州阿斯劳玛尔召开的两次会议上提出的。在“碾压混凝土快速施工”第一次会议上，拉菲尔（j．ｍ．ｒaphael）教授提出“最佳条件重力坝”论文。他是根据我国台湾石门坝围堰采用水泥砂砾土材料修筑的经验提出来的，该围堰高　６５米，是用土坝施工机械填筑和压实。他提出了基于水泥土理论及应用的许多观点。他建议使用高效率、大容量的土石方运输机械和压实机械施工，并用水泥、砂砾石混合料作为筑坝材料。他还认为，水泥固结砂砾石材料的抗剪强度较高，从而可以坝的断面比典型的土石坝较小；因此使用类似于土石坝施工的连续浇筑的方法，与传统的混凝土坝施工方法相比，能缩短施工时间并减少施工费用等。更重要的是能使工程提前产生效益。1972年，在阿斯劳玛尔召开的“混凝土坝经济施工”会议上，美国天纳西流域管理局的罗伯特康农（rober w.cannon）发表了题为《用土料压实方法建造混凝土坝》的论文，进一步发展了拉菲尔的设想。康农介绍了在泰斯.福特（tims ford）坝实验块上，无坍落度的贫混凝土用自卸车运输、前端装载机铺筑，振动碾压实的试验结果。1973年，在第十一届国际大坝会议上，莫法特（a.i.b.moffat）宣读了题为《适用于重力坝施工的干贫混凝土研究》的论文。他推荐将早在20世纪50年代英国路基上使用的干贫混凝土用于修筑混凝土坝，用筑路机械将其压实。他预计，坝高在40米以上的坝，将造价降低15%。

　　碾压混凝土用于筑坝，于1960~1961年期间在我国台湾省石门坝的心墙上曾用过。但对于碾压混凝土坝的发展产生过重要影响的是巴基斯坦塔贝拉（tarbela）坝的遂洞修复工程。1974年，该坝的泄洪遂洞出口被洪水冲垮，修复工作必须在春季融雪之前完成，于是采用碾压混凝土进行修复。在42天时间里铺筑了35万立方米碾压混混凝土。举世瞩目的三峡工程三期碾压混凝土围堰工程自2002年12月16日施工以来，创造了5项世界纪录：浇筑仓面面积世界最大，最大仓面达到19012平方米；月浇筑强度47．6万立方米；碾压混凝土日浇筑、班浇筑、小时浇筑量分别达到21066立方米、7438．5立方米、1278立方米，分别刷新了世界纪录。这有力的证明了碾压混凝土施工的快速性和我国在碾压混凝土施工方面技术的先进性凝土，日平均铺筑量8300余立方米，最大日铺筑强度达1.8万立方米。

　　碾压混凝土筑坝从概念的形成到成为现实，仅仅用了不足十年的时间。1980年，第一座碾压混凝土坝——日本岛地川（shimajgawa）坝诞生。该坝高89米，上下游面用3米厚的常态混凝土做防渗或保护面层，坝体内部碾压混凝土中胶凝材料用量为120千克每立方米，其中粉煤灰占30%。1982年，美国建成世界上第一座全碾压混凝土重力坝——柳溪（willow creek）坝。该坝高52米，坝轴线长543米，不设纵横缝。坝体上游面碾压混凝土水泥用量为104千克每立方米，下游面碾压混凝土胶凝材料用量为151千克每立方米，其中粉煤灰47千克每立方米，坝体内部碾压混凝土胶凝材料用量仅为66千克每立方米，其中粉煤灰占19千克每立方米。该坝采用30厘米厚的薄层连续浇筑上升方法，在17个星期里完成33.1万立方米碾压混凝土的铺筑，比常态混凝土重力坝缩短工期1~1.5年，造价仅相当于常规混凝土重力坝的40%、堆石坝的60%左右。柳溪（willow creek）坝的建设，充分显示了碾压混凝土坝所具有的施工快速和经济的巨大优势。它的建成极大的推动了碾压混凝土筑坝在世界各国的迅速发展。

　　表0-1 我国已/在建主要碾压混凝土坝

　　序号　坝名　　　　　所在省　　　　坝高（m）　　　坝型　　　　　建成年份

　　1　　坑口　　　　　　福建　　　　　56.8　　　　　重力坝　　　　1986

　　2　　龙门滩　　　　　福建　　　　　57.5　　　　　重力坝　　　　1989

　　3　　天生桥二级　　　广西、贵州　　61.7　　　　　重力坝　　　　1989

　　4　　马回　　　　　　四川　　　　　27　　　　　　重力坝　　　　1989

　　5　　潘家口下库　　　河北　　　　　25　　　　　　重力坝　　　　1989

　　6　　铜街子　　　　　四川　　　　　88　　　　　　重力坝　　　　1990

　　7　　万安　　　　　　江西　　　　　68.0　　　　　重力坝　　　　1991

　　8　　岩滩　　　　　　广西　　　　　111.0　　　　　重力坝　　　　1992

　　9　　水口　　　　　　福建　　　　　100.0　　　　　重力坝　　　　1993

　　10　　水东　　　　　　福建　　　　　63.0　　　　　重力坝　　　　1994

　　11　　观音阁　　　　辽宁　　　　　　82.0　　　　　重力坝　　　　1995

　　12　　北龙滩　　　　广西　　　　　　28.0　　　　　重力坝　　　　1996

　　13　　石漫滩　　　　河南　　　　　　40.0　　　　　重力坝　　　　1997

　　14　　石板水　　　　重庆　　　　　　83.0　　　　　重力坝　　　　1998

　　15 　　红坡　　　　　云南　　　　　55.2　　　　　重力坝　　　　　1999

　　16 　　江垭　　　　　湖南　　　　　128.0　　　　　重力拱坝　　　2000

　　17　　龙首　　　　　甘肃　　　　　80.0　　　　　　双曲拱坝　　　　2001

　　18　　沙牌　　　　　四川　　　　　129.0　　　　　　重力拱坝　　　2002

　　19　　回龙上库　　　河南　　　　　54.0　　　　　　　重力坝　　　　2002

　　20　　回龙下库　　　河南　　　　　53.5　　　　　　　重力坝　　　　2003

　　21　　流坡　　　　　安徽　　　　　101.0　　　　　　双曲拱坝　　　在建

　　22　　龙滩　　　　　广西　　　　　216.5　　　　　　重力坝　　　　在建

　　23　　毛坝关　　　　陕西　　　　　61.0　　　　　　重力拱坝　　　在建

　　24　　鱼简河　　　　贵州　　　　　81.0　　　　　　双曲拱坝　　　在建

　　这项筑坝新技术很快引起了我国坝工界的重视。经过一年多的技术准备，1979年开始实验室内试验，1980年和1981年先后在四川省龚咀水电站的混凝土路面和预制构件场进行了现场碾压试验。1983年又在福建厦门机场工地进行室外大型碾压试验，此次试验中，根据试验新结果，将混凝土胶凝材料提高到152千克每立方米，其中掺用了50%的粉煤灰。混凝土的可碾性明显得到改善，密实性、均匀性大有提高，抗压强度普遍达到了设计要求，有的试件强度达到了24mp。

　　经过近20年的研究和建设实践，我国已经形成适合国情的碾压混凝土设计规范、碾压混凝土试验规程、碾压混凝土施工规范及验收规程等文件。碾压混凝土坝的坝型已从重力坝逐渐扩展到重力拱坝和薄拱坝。已建成的普定坝是当时世界上已建成的最高碾压混凝土重力拱坝；已建成的沙牌坝是目前世界上已建成的最高碾压混凝土重力拱坝；已建成的龙首坝是目前世界上已建成的最高碾压混凝土薄拱坝正在建的龙滩坝是当今世界上最高的碾压混凝土重力拱坝；我国的碾压混凝土筑坝技术已被世界同行专家认为具有世界领先水平。

　　2.3 碾压混凝土筑坝的特点

　　碾压混凝土是由水泥、掺和料、水、砂、石子、及外加剂等六种材料组成。我过碾压混凝土由于掺用较大比例的掺和材料，故一般使用强度不低于32.5 mpa的普通硅酸盐水泥。为了适应碾压施工，碾压混凝土拌和物属于超干硬拌和物。拌和物粘聚性较差，施工过程中粗骨料易发生分离，为减少以至避免粗骨料分离现象，一般都限制粗骨料最大粒径不大于80mm，且适应当减少最大粒径级粗骨料所占的比例。砂中细粉（我国是指小于0.16 mm的颗粒）含量对改善碾压混凝土的性能有不可忽视的作用。我国水利水电行业标准《水工碾压混凝土施工规范》推荐碾压混凝土使用的人工砂中，细粉含量达到10~20%。为适用碾压混凝土的连续、快速碾压施工，一般不在碾压混凝土中设置冷却水管以降低碾压混凝土的温升。因此，碾压混凝土中的水泥用量应尽可能的降低。但是，为了满足施工对拌和物工作度及坝体设计对碾压混凝土提出的技术性能要求，碾压混凝土的水泥用量有不宜过小。这就存在矛盾。解决矛盾的可行而有效的方法是在碾压混凝土中掺用较大比例的掺和材料。外加剂是碾压混凝土必不可少的组成材料之一。碾压混凝土中胶凝材料较少、砂率大，为了改善拌和物的施工性能，必须加入减水剂。减水剂的加入可以降低拌和物的vc值（vibrating compacted value，即在固定振动频率及振幅，固定压强条件下，拌和物从开始至表面泛浆时所需要的时间），改善其粘聚性或抗离析性能。碾压混凝土大面积施工的特点，要求拌和物具有较厂的初凝时间，以减少冷缝的出现，改善施工层面的粘结特性，为此必须加入缓凝剂。在严寒的地区使用碾压混凝土，还有必要考虑加入引气剂，以提高碾压混凝土的抗冻性能。由于碾压混凝土拌和物的干硬性以及掺合材料的吸附性，因此碾压混凝土拌和物掺入外加剂的量要略大于常态混凝土。

　　碾压混凝土虽属混凝土但又有别于常态混凝土。碾压混凝土拌和物与常态混凝土拌和物比较，骨料用量多、水泥用量较少，虽掺用一定量的掺和材料，但胶凝材料浆用量仍较少。拌和物不具有流动性，坍落度为零粘聚性小，一般不泌水。拌和物在振动压实机所施加的振动和动压力作用下，胶凝材料浆由凝胶转变为溶胶（即发生液化）而具有一定的流动性。固相颗粒位置得到重新排列，颗粒之间产生相对位移，彼此接近。小颗粒被挤压填充到大颗粒之间的空隙中，空隙里的气体因受挤压而逐渐逸出，拌和物逐渐密实。因此，碾压混凝土拌和物的振动压实既具有混凝土的基本特性，也具有土料压实的一些特性。碾压混凝土的特定施工方法要求拌和物必须具有适当的工作度——既能承受住振动碾在其上行走不陷落，又不能过于干硬，以免振动碾难于或无法将其碾压密实。

　　碾压混凝土与常态混凝土比较，技术性能有其明显的特点：由于碾压混凝土中掺有较大比例的掺和料，而多数掺和料早期水化反应较少，使硬化`碾压混凝土的绝热温升明显低于常态混凝土，最高温升出现时间明显推迟，温降缓慢；碾压混凝土的自生体积变形及干缩变形明显小于常态混凝土。

　　在实际工程中碾压混凝土的性能受到施工质量的影响较大。施工层面的粘结质量对碾压混凝土的性能影响尤其突出。

　　2.4 碾压混凝土在公路上的发展

　　碾压混凝土的另一个广泛应用领域是公路工程。碾压混凝土路面的特点是承受车辆磨蚀；冬天承受冻融破坏和防冰化学剂作用；强度要求高，28天龄期抗压强度30~40mpa，弯曲抗压强度4.5 mpa；路面要求密实和平整。

　　早在第一次世界大战前后，比利时、丹麦、德国、法国及其它一些欧洲国家已有人碾压修筑了水泥混凝土路面。但是，由于当时具有的碾压手段难以保证良好的工程质量，这种筑路技术未能得到发展。?

　　1973年和1979年的两次石油危机，导致沥青价格上涨，增加了水泥混凝土路面的竞争力，也重新唤起了人们研究开发碾压混凝土路面的热情。但是，由于设备条件的不完善和施工技术的成套性差，路面平整度等问题未能得到很好的解决，制约了碾压混凝土路面的发展。80年代，振动压路机和大型沥青摊铺机等强力筑路机械的发展，为保证碾压混凝土路面的施工质量奠定了基础，世界许多国家纷纷投入力量加强碾压混凝土路面的研究开发，碾压混凝土路面施工技术进入了空前的发展阶段。?

　　我国是从80年代初开始进行碾压混凝土路面研究的。1981年安徽省公路局开始进行室内试验，1982年铺筑第一段试验路。1983年、1984年，安徽省公路局和交通部公路科学研究所及江苏省交通厅合作，进行了扩大试验，取得了不少研究成果。1988年开始的国家科技工作引导性项路面发展对策及修筑技术研究》中，又组织江苏省公目《我国水泥混凝土路局、山西省公局和河南省交通厅等单位对碾压混凝土路面修筑技术进行了研究。从施工机械来看，当时进口的大型沥青摊铺等机械还比较少，即使拥有这些机械的单位一般也不愿用来铺筑碾压混凝土路面，只能采用人工或小型机械施工，路面质量难以提高。因此，这一时期的研究成果主要为采用人工或中小型配套机械施工的各种复合式碾压混凝土路面或用于较低等级公路的全厚式碾压混凝土路面施工技术。随着高等级公路的迅速发展，进口的高密实度摊铺机、振动压路机等大型设备越来越多，国内的一些筑路机械生产厂家也纷纷研制或引进技术生产施工机械，因此公路工程单位的大型机械保有量迅速增加，再加上京津塘高速公路等一些工程明确规定水泥稳定基层必须采用“厂拌机铺”，改变了一些工程技术人员的认识，从而为我国高等级公路碾压混凝土路面施工中采用高密实度摊铺机等大型机械创造了条件。1991年在国家“八五”重点科技项目(攻关)《高等级公路水泥混凝土路面材料及应用开发研究》中，交通部组织交通部公路科学研究所、山西省交通厅和广西壮族自治区交通厅等单位进行了碾压混凝土路面成套技术的研究，以应用于高等级公路为目标，从材料、施工技术、抗滑技术、接缝技术等方面进行了系统研究，在路面平整度、抗滑及接缝等方面取得了突破性进展，并取得了一系列配套成果，初步形成了高等级公路碾压混凝土路面施工成套技术。[Page]

　　1976年加拿大首次在不列颠哥伦布比亚省铺筑碾压混凝土路面70000平方米。很快，这项技术得到推广，主要用于重载路面。美国军部工程师团率先在美国开发碾压混凝土路面，1984年在得克萨斯州霍得堡建造了面积16700平方米的坦克场。碾压混凝土应用范围包括铁路装卸站、码头和飞机场滑行道。到1987年底，美国军部工程师团铺筑的碾压混凝土路面面积达60万平方米以上。1981年挪威已经开始在公路上应用碾压混凝土。相续，碾压混凝土路面字相当多国家采用，如瑞典、法国、日本和中国。

　　2.5 桥梁工程中的应用

　　1995年在美国佛罗里达州的一座海边高架桥下部的混凝土中采用了hvfarcc，用粉煤灰取代了50%的水泥。日本采用粉煤灰、矿粉复合材料在名石跨海大桥的预应力桥墩中应用了70%以上的高掺量粉煤灰碾压混凝土。我国在建的滨州黄河公路大桥的钻孔灌注桩和承台均为c25~c30普通混凝土。采用等量取代法，最大粉煤灰掺量为30%。

　　2.6 港口及海洋工程中的应用

　　我国四航局二公司施工的华南某港口工程，采用粉煤灰掺量为35%的碾压混凝土，`选腐蚀严重部位——浪溅区进行浇筑，碾压混凝土的工作性、抗压强度和耐久性均满足标准要求。盐田港二期工程建设三个5万吨级集装箱专用码头泊位，工程所用混凝土主要分桩内混凝土和上部结构混凝土，设计强度等级为c45，其中桩内混凝土水胶比为0.33，粉煤灰掺量为30%；上部结构混凝土水胶比为0.31，粉煤灰掺量为25%。

　　第二章 实验准备与研究方法

　　第一节 实验原材料及仪器

　　1.1 水泥（c）

　　陕西省宝鸡市岐山县天柱水泥制造有限责任公司生产的天柱牌 p.032.5水泥。

　　1.2 粉煤灰（f）质量指标 细度(45μm方孔筛筛余) 烧失量 需水量比 so3含量

　　ii 13.06%≤ 0.306%≤ 78% ≤ 0.5%≤

　　1.2.1 粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，属于火山灰质材料。是工业“三废”之一。本实验采用的粉煤灰是：陕西省宝鸡市宝源粉煤灰综合利用有限责任公司生产的ii级粉煤灰宝源ii级粉煤灰性能参数：

　　1.2.2 粉煤灰的在碾压混凝土中的作用机理：

　　粉煤灰是人工火山灰质材料，本身并无胶凝性能，在常温下，当有水存在时，能与石灰起化学反应，生成具有胶凝性能的水化产物，这些水化产物，一般能在空气中立即硬化，而后渐渐具有水硬性。掺有粉煤灰的碾压混凝土干缩性小，水化热降低，从而可以减少裂缝。

　　1.3 河沙 (s)

　　渭河河沙表观密度2580kg/m3 堆积密度 1569kg/3m细度模数2.89 属中沙含泥量:1.34%

　　1.4 卵石(g)

　　5~40mm的卵石，小石:大石= 45:55,表观密度2.71kg/m3,堆积密度1.63kg/m3

　　1.5 减水剂(ha)

　　西安得莱克混凝土外加剂有限公司ha-2型。减水率20%,最优掺量0.7%。

　　1.6 拌和用水：生活自来饮用水。

　　1.7 实验仪器

　　1.7.1 振动台

　　说明：标准振动台是频率50+/-3.3hz，空载振幅0.5+/-0.1mm容量筒内径240mm,内高200mm透明塑料压板及滑杆质量2.75+-0.05kg。标准碾压混凝土的vc值是5~15（s）。限于实验室条件，我们采用普通振动台，根据大量别的配合比关系作以对照，最终确立我们的vc值控制在35~45（s）。

　　1.7.2 成型模具：150 mmx 150mm x 150mm的立方体。

　　1.7.3 坍落度：

　　1.7.4 测量工具：天平、磅秤、500ml量筒、秒表等拌和工具。

　　1.8 实验经验小结

　　1.8.1 由于碾压混凝土的初凝时间较长（一般混凝土长粉煤灰混凝土比基准混凝土凝结时间慢，初终凝均比基准混凝土推迟约1-3小时，这是由于粉煤灰在形成的过程中，其表面吸附了一定量的na2o及so3，这些化合物延长了混凝土的凝结时间）故折模时间一般需至少36h.

　　1.8.2 由于碾压混凝土的干硬性,为了折模顺利，需要在模具边缘内部多涂些油。这样折模时试件才能比较完整。

　　1.8.3 振动时，如果发现模具的某拐角处没有出浆，而其他拐角处均出浆正常，这可能是模具螺丝松动，须立即停止振动，加以调整并重新装模、振动。

　　1.8.4 试件在振动时，应使用泥摸子用力压试件的成型面，以使得试件成型后比较密实，减少实验误差。

　　1.8.5 每次实验，在装模时三个模具应同时进行，以保证试件的均匀性，减少实验误差。

　　1.8.6 实验加料顺序为：石子——砂子—（搅拌均匀）——水泥—粉煤灰——水—高效减水剂（ha）

　　1.8.7 为此对碾压混凝土的配合比进行了调整，每方混凝土增加5kg用水量，相应增加10kg的胶材用量。

　　第二节 研究方法

　　2.1 实验配合比设计：

　　对碾压混凝土的配合比设计方法，至今尚无统一的规定。目前已有的几种设计方法也存在着一些差别。这些方法都是从不同的角度建立起来的，其中有的带有假想的性质，有的带有经验的性质。

　　目前，人们所喜欢的方法有这样三种：（1）假定表观密度法（2）填充包裹法（3）绝对体积法。

　　设计方法的对比：

　　（1）假定表观密度法：

　　本实验采用假定表观密度法：即在给定水胶比、粉煤灰含量的情况下，根据已知经验及《水工碾压混凝土实验规程》（sl 48——94）要求来假定单位用水量，假设碾压混凝土的表观密度，通过实验要求的坍落度、vc值来进行各量的调整，然后再测定、计算碾压混凝土的表观密度。

　　w/(c+f)=m (1)

　　f/(c+f)=n (2)

　　c+f+w+s+g=γcon (3)

　　s/（s+g）=k (4)

　　由公式（1）（2）（3）（4）我们可以简单的求出单位体积混凝土各种材料的用量。

　　说明：1、由于砂率对混凝土的抗压强度没有影响，而仅仅影响混凝土的稠度。所以我们通过一定的砂率来调整混凝土的坍落度和vc值。

　　2、此种方法不涉及公式参数的选取，故机械随机性误差减小为零，而仅仅考虑实验操作误差，大大提高了实验的可利用价值。

　　3、坍落度和vc值的测定都是比较简单易行的。

　　（2）填充包裹法：

　　该方法基于两个前提假设：（1）胶凝材料浆包裹砂粒并填充砂的空隙形成砂浆。（2）砂浆包裹粗骨料并填充粗骨料的空隙，形成混凝土。用α、β作为衡量的指标。一般地，α取1.1~1.3，β取1.2~1.5。

　　说明：1、α、β取值时的随机性误差很大。

　　2、va——混凝土的孔隙体积面积百分数。由于本实验室仪器设备的限制，此值无法测定。

　　3、具体各种材料用量公式请参阅相关资料。

　　（3）绝对体积法：

　　该方法假定碾压混凝土拌和物的体积等于各组成材料绝对体积及混凝土拌和物中所含空气体积之和，即：

　　c/ρc + f/ρf + s/γs + g/γg + 10α = 1000

　　说明：1、α为碾压混凝土拌和物含气量的百分数，不掺引气剂时一般取1~3。随机性大，误差难以控制。

　　综合以上各方面的因素及现存技术设备，我们选取假定表观密度法来进行我们的配合比设计。

　　2.2 研究的方法

　　实验中我们采用单因素试验分析方法：

　　由于各碾压混凝土配合比参数对混凝土各种性能的影响程度不同，因此可以选择对混凝土某方面性能影响较为显著的参数进行研究分析，一般地，研究混凝土的抗压强度，我们选择水胶比、掺和材料掺量作为研究的一个平台来进行研究。即有：

　　（1）在同一水平水胶比下，不同粉煤灰掺量对碾压混凝土抗压强度的影响。

　　（2）在同一水平粉煤灰掺量下，不同水胶比时对碾压混凝土抗压强度的影响。

　　第三章 实验结果统计与分析

　　第一节 结果统计

　　3.1 相同粉煤灰掺量，不同水平的水胶比，碾压混凝土抗压强度值：

　　w/（c+f） r14d(mpa) r28d(mpa)   w/（c+f） r14d(mpa) r28d(mpa)

　　0.7 9.0 11.7 0.7 7.8 10.1

　　0.8 7.8 10.1 0.8 4.3 5.6

　　0.9 6.5 8.5 0.9 4.1 5.3

　　1.0 4.8 6.2 1.0 3.5 4.6

　　表3-1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3-2

　　(1)f/（c+f）= 30%(2)f/(c+f) =45%

　　(3)f/(c+f) =60%

　　w/(c+f) r14d(mpa) r28d(mpa)

　　0.7 6.3 8.2

　　0.8 2.6 3.4

　　0.9 2.4 3.1

　　1.0 2.2 2.9

　　表3-3

　　3.2 相同水胶比，不同粉煤灰掺量，碾压混凝土抗压强度值：

　　（1） w/（c+f）=0.7(2)w/(c+f) =0.8

　　f/（c+f） r14d(mpa) r28d(mpa)   f/(c+f) r14d(mpa) r14d(mpa)

　　30% 9 11.7 30% 7.8 10.1

　　45% 7.8 10.1 45% 4.3 5.6

　　60% 6.3 8.2 60% 2.6 3.4

　　表3-4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3-5

　　（3）w/（c+f）=0.9（4）w/（c+f）=1.0

　　f/（c+f） r14d(mpa) r28d(mpa)   f/（c+f） r14d(mpa) r28d(mpa)

　　30% 6.5 8.5 30% 4.8 6.2

　　45% 4.1 5.3 45% 3.5 4.6

　　60% 2.4 3.1 60% 2.2 2.9

　　表3-6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3-7

　　3.3 表观密度统计结果：

　　w/（c+f） f/（c+f） γ(kg/ m3) w/(c+f) f/(c+f) γ(kg/ m3)

　　0.7 30% 2432.2 0.9 30% 2407.3

　　45% 2432.2 45% 2407.3

　　60% 2508.4 60% 2395.2

　　0.8 30% 2416.3 1.0 30% 2407.3

　　45% 2417.8 45% 2395.2

　　60% 2422.3 60% 2395.2

　　表3-8

　　3.4 碾压混凝土材料配合比图表

　　w/(c+f) f/(f+c)(%) vc值(s)   每立方米rcc材料用量

　　f(kg) w(kg) c(kg) s(kg) g(kg) 合计 减水剂0.7%(kg) 28d强度mpa

　　5~20(mm) 20~40(mm) kg

　　0.7 30 44 45.0 105 105 653.2 685.8 838.2 1524 0.74 11.7

　　45 44 67.5 105 82.5 653.2 685.8 838.2 1524 0.58 10.1

　　60 43 90.0 105 60.0 729.4 685.8 838.2 1524 0.42 8.2

　　0.8 30 43 40.0 106 93.1 653.2 685.8 838.2 1524 0.64 10.1

　　45 43 60.3 107 73.3 653.2 685.8 838.2 1524 0.51 5.6

　　60 38 81.6 109 54.5 653.2 685.8 838.2 1524 0.38 3.4

　　0.9 30 43 36.3 109 84.8 653.2 685.8 838.2 1524 0.59 8.5

　　45 40 54.5 109 66.6 653.2 685.8 838.2 1524 0.47 5.3

　　60 40 72.7 109 36.3 653.2 685.8 838.2 1524 0.25 2.3

　　1.0 30 40 36.3 109 84.8 653.2 685.8 838.2 1524 0.59 6.2

　　45 38 49.1 109 60.0 653.2 685.8 838.2 1524 0.42 4.6

　　60 36 65.4 109 43.6 653.2 685.8 838.2 1524 0.31 2.9

　　表3-9

　　3.5 查阅资料数据统计一览表：

　　粉煤灰含量、水胶比及28d抗压强度统计（单位：mpa）

　　w/(c+f) 粉煤灰含量

　　20% 30% 45% 60%

　　0 45.1 42.9 34.8 30.5

　　0.1 37.6 34.5 28 24.3

　　0.2 30.1 27.8 23.2 20.1

　　0.3 24.1 22.5 18.6 15.6

　　0.4 19.3 16.8 14.1 12.0

　　0.5 16.2 13.6 12.4 10.2

　　0.6 14.8 13.0 10.9 8.9

　　0.7 13.3 11.7 10.1 8.2

　　0.8 11.6 10.1 5.6 3.4

　　.9 9.5 8.5 5.3 3.1

　　1.0 6.8 6.2 4.6 2.9

　　表3-10

　　粉煤灰掺量、水胶比、14d抗压强度(单位：mpa)数据统计表

　　w/(c+f) f/(c+f)

　　20% 30% 45% 60%

　　0 35.2 33 26.8 23.5

　　0.1 28.9 26.5 21.5 18.7

　　0.2 23.2 21.4 17.8 15.5

　　0.3 18.6 17.3 14.3 12

　　0.4 14.8 12.9 10.8 9.2

　　0.5 12.5 10.5 9.5 7.8

　　0.6 11.4 10 8.4 6.8

　　0.7 10.2 9 7.8 6.3

　　0.8 8.9 7.8 4.3 2.6

　　0.9 7.3 6.5 4.1 2.4

　　1 5.2 4.8 3.5 2.2

　　表3-11

　　14d抗压强度、水胶比、粉煤灰掺量图表

　　f/(c+f) w/(c+f)

　　0.6 0.7 0.8 0.9 1

　　0 18.4 15.1 12.1 9.8 7.6

　　10% 14.1 12 10.1 8.1 6.1

　　20% 11.4 10.2 8.9 7.3 5.2

　　30% 10 9 7.8 6.5 4.8

　　45% 8.4 7.8 4.3 4.1 3.5

　　60% 6.8 6.3 2.6 2.4 2.2

　　表3-12

　　28d抗压强度、水胶比、粉煤灰掺量图表

　　f/(c+f) w/(c+f)

　　0.6 0.7 0.8 0.9 1

　　0 23.9 19.6 15.7 12.7 9.9

　　10% 18.3 15.6 13.1 10.5 7.9

　　20% 14.8 13.3 11.6 10.5 6.6

　　30% 13 11.7 10.1 8.5 6.2

　　45% 10.9 10.1 5.6 5.3 4.6

　　60% 8.8 8.2 3.4 3.1 2.9

　　表3-13[Page]

　　第二节 结果分析

　　1.1 结果分析

　　（1）水胶比与强度关系分析

　　分析：（1）图中曲线从上至下，粉煤灰掺量分别为20%、30%、45%、60% 。分别对应于曲线1、2、3、4。水胶比从0~0.6的数据均是资料查得的。曲线1是所查资料数据绘制，可见，粉煤灰掺量为20%时，混凝土的强度变化规律是严格对数函数变化，曲线比较平滑。随着水胶比的增大，抗压强度减小，水胶比在0~0.6之间变化时，曲线变化率比较大，水胶比从0.7~1.0时曲线的变化率比较平稳，但曲线的的整体趋势是减小的。这主要是由于水胶比增大，胶凝材料中水泥的用量逐渐减少的缘故。

　　（2）图中显示水胶比在0~0.5之间时，曲线1、2、3、4的变化率基本相同。即，随着水胶比的增加抗压强度减小。水胶比每增大0.1，抗压强度就减少6~8mpa。

　　（3）从上图可以知道，在粉煤灰掺量为30%时：水胶比，

　　由0.5增大到0.6时其强度变化率为9.3%。

　　由0.6增大到0.7时其强度变化率为14.5%。

　　由0.7增大到0.8时其强度变化率为13.7%。

　　由0.8增大到0.9时其强度变化率为15.8%。

　　由0.9增大到1.0时其强度变化率为23.1%。

　　由以上数据显示：当水胶比从0.5~0.9时，强度变化率比较平稳，继续增加水胶比达到1.0时强度变化很大。故在实际工程中水胶比一般控制在0.7之内，且此时粉煤灰掺量不能超过30%。

　　（4）由表3-1和表3-2可以知道：随着水胶比的增大，抗压强度减小；随着龄期的增加，强度有所增加，增长率大约为30% 。

　　（5）当粉煤灰掺量达到45%、60%时，二者强度变化率基本相同，即：水胶比，

　　由0.5增大到0.6时其强度变化率为10.6%。

　　由0.6增大到0.7时其强度变化率为10.8%。

　　由0.7增大到0.8时其强度变化率为51.7%。

　　由0.8增大到0.9时其强度变化率为几乎为零。

　　但是，当水胶比由0.9增大到1.0时粉煤灰掺量为45%的其强度变化率为13.2%。

　　粉煤灰掺量为60%的其强度变化率几乎为零。

　　综合以上分析可以知道：1，碾压混凝土水胶比从0.7到0.8时，强度曲线有一个拐点（转折点），此时的强度变化率是比较大的。也就是说在此处强度增加或减少的比较快。这是由于水胶比较大，粉煤灰掺量较高，水泥用量减少，粉煤灰不能和充足的水泥水化产物石灰反应生成致密的胶凝物所致。可见，水胶比、粉煤灰掺量的过分增加并不能提高碾压混凝土的抗压强度。所以在此处存在着一个最优水胶比及相应的粉煤灰掺量,即：当水胶比大于0.7时，粉煤灰掺量不宜大于30%，那样对碾压混凝土的抗压强度是不利的。2，当水胶比从0.5到0.7变化时，粉煤灰掺量从30%到60%的抗压强度曲线变化率几乎相差不多，这又说明了高掺量粉煤灰碾压混凝土的水胶比不宜大于0.7。而且，资料显示，碾压混凝土用于防渗的最优粉煤灰掺量为30%~70%，但是水胶比必须控制在0.5以内。当粉煤灰掺量控制在30%以内时，那仅仅是利用粉煤灰可以降低绝热温生而已。3，图中曲线还显示了：当粉煤灰掺量为30%时，水胶比由0.5变化到1.0时，其强度曲线变化趋势是比较平稳的，没有大的波动，近似于线性变化规律，这就说明了我国将粉煤灰掺量在30%以上的混凝土定义为高掺量粉煤灰混凝土的科学性。

　　（6）由表3-9可以知道：碾压混凝土稠度服从“恒用水量定则”，当用水量不变时，稠度恒定不变，即稠度不随水灰比改变而变动。

　　（2）粉煤回掺量与抗压强度关系分析

　　分析：（1）图示曲线从上至下水胶比分别为：0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 。

　　水胶比为0.6的曲线是根据所收集的资料数据绘制；而且粉煤灰掺量是0、10%、20% 的抗压强度值均是资料获得。从图中可以看到，粉煤灰掺量小于30%的曲线图变化率比较平稳大约是11%。其中水胶比为0.6的曲线变化率为17.9% 。水胶比大于0.7时，强度变化比较大，故实际工程中，重要工程部位，水胶比都控制在0.7以内是比较科学、合理的。

　　（2）当粉煤灰掺量大于30%时：

　　水胶比为0.6、0.7的曲线变化率基本相同大约为9.4%

　　水胶比为0.8、0.9、1.0的曲线变化比较大，他们的曲线变化率大约为44.9% 。这主要是由于水胶比增大，粉煤灰掺量增加，水泥用量急剧减少，导致碾压混凝土抗压强度的降低。

　　（3）当粉煤灰掺量大于45%时：

　　水胶比为0.6、0.7的曲线变化率基本保持不变为9.4% 。

　　水胶比为0.8、0.9、1.0的曲线变化率继续降低大、且三者的变化率基本上保持一致，大约为39.3% 。

　　（4）由图3-3和图3-4可以知道：

　　1、随着粉煤灰量的增加，碾压混凝土的抗压强度减小。

　　2、随着龄期的增长，抗压强度有所增加。增长率大约为30% 。

　　由上可以知道，当水胶比增大、粉煤灰掺量增大时，混凝土的抗压强度降低很快，而且水胶比大到一定程度时，其抗压强度的变化基本为零，因为图中显示水胶比为0.8、0.9、1.0，粉煤灰掺量为60%时，碾压混凝土抗压强度值基本相交于同一点。这主要是一方面由于水泥用量的减少、粉煤灰掺量的增加、用水量增加，混凝土内部原生孔增多；另一方面是水泥水化产物———石灰与过量的粉煤灰反应，不能形成胶凝物所致。

　　（5）粉煤灰掺量大于45%时，抗压强度降低幅度较大，这是一方面由于粉煤灰等量取代水泥，致使混凝土中水泥用量降低，早期水化产物生成量减少；另一方面，粉煤灰的增加，延缓了混凝土的凝结硬化。

　　（6）水胶比为0.9的曲线28天强度在粉煤灰掺量为10%~20%时，有一个相对回升区，且保持水平。这是由于水胶比较大、粉煤灰掺量与水泥水化产物——石灰充分反应形成致密胶凝物，原生孔隙减少，使得强度有所增加。可见，对于不同的水胶比存在一个最优粉煤灰掺量。

　　1.2 简要结论：

　　（1）在水胶比一定的情况下，随着粉煤灰掺量的增加碾压混凝土抗压强度降低。且粉煤灰掺量小于45%时的抗压强度降低率比大于45%的降低率要大，这种趋势表现在水胶比为0.8、0.9的尤为明显。但当水胶比为0.7、1.0时，碾压混凝土的抗压强度值的变化率几乎相等，近似为线性变化规律，与以往资料相符。水胶比越大抗压曲线图越靠近x坐标轴。

　　（2）在粉煤灰掺量一定的情况下，随着水胶比的增加碾压混凝土的抗压强度降低，且水胶比小于0.8时的抗压强度降低率比大于0.8的的降低要大。粉煤灰掺量从30%到45%时的抗压强度值跳跃比较大。而且粉煤灰掺量为30%时，抗压强度值随水胶比的变化而近乎于线性变化。粉煤灰掺量越大抗压曲线图越靠近x轴坐标。

　　（3）由表3-8，我们显然可以看出碾压混凝土的表观密度随水胶比的增大而降低。

　　（4）由表3-1到表3-7表明：大水胶比、高掺量粉煤灰的早期抗压强度比较低。而且强度增长缓慢。

　　（5）由表3-9可以知道：在同一水胶比下，vc值随粉煤灰掺量的增加而减小；在同样的粉煤灰掺量下，vc值随水胶比的增大而减少。碾压混凝土稠度服从“恒用水量定则”，当用水量不变时，稠度恒定不变，即稠度不随水灰比改变而变动。

　　（6）太高掺量的粉煤灰则充分稀释了水泥颗粒,阻碍了碾压混凝土早期强度的形成，随龄期的增长,水化产物的增多,粉煤灰的火山灰效应得以发挥.火山灰反应的结果改善了水泥水化产物的质量、消耗了晶体相、细化了毛细孔径,而早期的粉煤灰“稀释”作用也有利于水泥水化产物的均布.

　　1.3 讨论：

　　（1）由于大掺粉煤灰量碾压混凝土中的掺粉煤灰掺量很大，在总的胶凝材料用量比较低的情况下，混凝土早期强度很低，这是大掺量掺粉煤灰碾压混凝土实际应用的不足之处，需要我们进一步的研究。

　　（2）大掺量掺粉煤灰碾压混凝土的强度等性能的提高是否还可以用掺加外加剂等的方式来实现呢？很多学者研究提出采用激发剂来提高，那是如何实现的呢？

　　（3）据权威资料显示：碾压混凝土在粉煤灰掺量达45%以后，其1年强度增长率可达173%~264%。可见碾压混凝土的抗裂性能比常态混凝土要成倍地提高。说明，利用高掺粉煤灰既可降低混凝土的绝热温升，又可提高混凝土的后期强度增长率，这对混凝土的抗裂是有利的，对碾压混凝土坝的抗渗起到了很重要的作用。从而我们是否可以进一步思考：在增加粉煤灰掺量的情况下，增大水胶比，从很大程度上降低坝体内部的绝热温升，与此同时随着龄期的增长，碾压混凝土强度继续增长，粉煤灰的水化作用进一步发挥，这样既有利于坝的稳定，又对坝的防渗有很大效果。

　　（4）在粘土缺乏的地区，在筑坝时可以采用高水胶比、高掺量粉煤灰碾压混凝土做为心墙用于防渗，而且强度也比粘土高的多（研究表明粉煤灰掺量在60%左右，碾压混凝土的防渗效果最好）这种方法在经济、技术上是否可行呢？

　　（5）知道粉煤灰的作用机理：粉煤灰与石灰（碱性物质）反应生成致密的胶凝物。在碱性河流上修建的堤坝或其他水工建筑物是不是可以通过加大粉煤灰的含量来维护建筑物的耐久性呢？