施工技術(shù)－堆石混凝土技術(shù)受到熱捧

前言

　　RFC，為Rock Filled Concrete的簡(jiǎn)稱。意為堆石混凝土。是在自密實(shí)混凝土（SCC）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)，已獲得國(guó)家專利。堆石混凝土施工首先將大粒徑的塊石入倉(cāng)，形成有空隙的堆石體，然后從堆石體上部澆入堆石混凝土專用的自密實(shí)混凝土，利用其特有的高流動(dòng)、抗離析、強(qiáng)填充粘結(jié)性能，依靠自重完全充填堆石體空隙，形成完整、密實(shí)、有較高強(qiáng)度和低水化熱的大體積混凝土。

　　簡(jiǎn)而言之就是用自密實(shí)性能優(yōu)良的自密實(shí)混凝土充填堆石體所形成的致密混凝土，它由大塊的堆石和帶有小骨料的自密實(shí)混凝土構(gòu)成。

　　自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱SCC）是指在澆筑過(guò)程中無(wú)需施加任何振搗，僅依靠混凝土自重就能完全填充至模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙的混凝土。在傳統(tǒng)的坍落度試驗(yàn)中，自密實(shí)混凝土能夠達(dá)到260毫米以上的坍落度、600毫米以上擴(kuò)展度，并且沒(méi)有離析、泌水現(xiàn)象的發(fā)生。

堆石混凝土技術(shù)走俏

　　一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于水利、水電、交通、能源、市政、鐵路、房建等等大體積混凝土工程領(lǐng)域的堆石混凝土解決方案——RFC，經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)室的各種試驗(yàn)和目前多個(gè)工程的成功應(yīng)用，堆石混凝土技術(shù)的可行性和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已得到廣泛檢驗(yàn)和證實(shí)。

　　堆石混凝土技術(shù)施工工藝簡(jiǎn)單，綜合單價(jià)低，水化溫升低，易于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，施工效率高，工期短，特別適合大體積混凝土工程應(yīng)用。由于其引領(lǐng)了質(zhì)量高、進(jìn)度快、成本低、耗能低、污染小的大體積混凝土施工革命，并為工程各方創(chuàng)造卓越價(jià)值近來(lái)越來(lái)越受到相關(guān)單位的重視。

　　據(jù)了解，堆石混凝土施工技術(shù)概念在2003年由清華大學(xué)金峰教授和安雪暉教授提出，是清華大學(xué)所有的國(guó)家專利技術(shù)，目前，已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。

　　為了對(duì)堆石混凝土技術(shù)一探究竟，本刊特專訪了該技術(shù)專利的擁有者，同為清華大學(xué)教授和RFC研究院首席科學(xué)家的金峰教授及安雪暉教授。

　　做技術(shù)的人一向喜歡用試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)話，金峰教授也不例外，他先介紹了RFC技術(shù)的幾個(gè)試驗(yàn)結(jié)果。

填充性能檢測(cè)

　　試驗(yàn)表明，自密實(shí)混凝土在堆石體的三維空隙中具有良好的通過(guò)性能，可以充分填充堆石體中的空隙。在尺寸為500mm×500mm×2000mm的有機(jī)玻璃模具中隨機(jī)擺放粒徑在150mm~200mm范圍內(nèi)的塊石形成堆石體，在一端開(kāi)口處倒入自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土在堆石體中形成從澆筑點(diǎn)向外擴(kuò)展的斜面，新澆自密實(shí)混凝土順斜面向前推進(jìn)，逐步充填堆石體，通過(guò)表面觀察可以清楚地看到自密實(shí)混凝土能夠很好地填充堆石體的孔隙，形成完好的堆石混凝土塊體。拆模后發(fā)現(xiàn)硬化后堆石混凝土體表面良好，自密實(shí)混凝土從堆石體斷面上所有的空隙中流出并且表面上骨料分布均勻，自密實(shí)混凝土在堆石體中仍具有優(yōu)良的流動(dòng)性和抗離析性。

力學(xué)性能檢測(cè)

　　2005年在清華大學(xué)和南華大學(xué)進(jìn)行堆石混凝土抗壓性能試驗(yàn)，表明堆石混凝土中自密實(shí)混凝土和石塊之間具有良好的膠結(jié)能力，堆石混凝土中石塊所形成的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可有效提高其抗壓強(qiáng)度，使其強(qiáng)度高于澆筑時(shí)所使用的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度。

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　　本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的RFC試塊尺寸為2.0m×1.0m×1.8m，分三層澆筑完畢，每層厚600mm。試塊的澆筑方式和具體澆筑步驟如圖3所示：采用模擬泵送澆筑的方式先在模板中澆筑第一層厚度為600mm的RFC，然后在1h之內(nèi)完成第二層600mm RFC的澆筑；前兩層RFC澆筑完畢1d后拆模，噴水養(yǎng)護(hù)至3d，重新支模后完成第三層600mm RFC的澆筑；試塊整體澆筑完畢1d后拆模進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)。硬化后的三層RFC中平均石塊堆積率為51.7%，并且在600mm高度處第一、二層間存在一條施工熱縫，在1200mm高度處第二、三層間存在一條施工冷縫。

　　9塊試驗(yàn)試件均取樣于堆石混凝土普通部位，均屬于縱向劈裂破壞，裂縫一般穿過(guò)堆石混凝土中的石塊或沿石塊周邊斜向發(fā)展。試驗(yàn)中充填堆石體所使用的自密實(shí)混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度為fprSCC=13.1MPa。堆石混凝土切塊強(qiáng)度與自密實(shí)混凝土強(qiáng)度對(duì)比圖上容易看出，試驗(yàn)中9塊抗壓試件的強(qiáng)度中有6塊均高于澆筑時(shí)所使用的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度，最高可達(dá)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的173%，其余3塊也與SCC強(qiáng)度相近。

　　總體來(lái)看，9塊堆石混凝土試塊的平均棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)prRFC=16.7MPa>fprSCC=13.1MPa，成型后的堆石混凝土的平均強(qiáng)度高于其澆筑時(shí)所使用的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度。

抗?jié)B性能檢測(cè)

　　2005年在清華大學(xué)進(jìn)行堆石混凝土的抗?jié)B性能試驗(yàn)，結(jié)果充分表明填充良好的堆石混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，完全可以滿足水工混凝土的抗?jié)B要求。

　　分別從抗壓性能試驗(yàn)中所澆筑的尺寸為2.0m×1.0m×1.8m的堆石混凝土試塊的普通部位、熱縫部位和冷縫部位切割取樣，并在其四周鑿毛后用C60等級(jí)自密實(shí)砂漿填充修補(bǔ)的方法制作成標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B試驗(yàn)試件。試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2001）中的相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明堆石混凝土普通部位、熱縫和冷縫處的抗?jié)B等級(jí)分別為W35、W31和W14。大壩混凝土的抗?jié)B等級(jí)要求一般為W2~W12。對(duì)于普通部位和熱縫處的堆石混凝土而言，其抗?jié)B等級(jí)能夠達(dá)到W30以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般水工建筑物的標(biāo)準(zhǔn)；即使是抗?jié)B相對(duì)薄弱的冷縫處其抗?jié)B等級(jí)也達(dá)到了W14，亦能夠滿足一般水工建筑物要求。

結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)

　　2005年在清華大學(xué)和北京建工學(xué)院進(jìn)行了堆石混凝土技術(shù)在梁構(gòu)件中的應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明無(wú)論彎曲破壞還是剪切破壞，堆石混凝土梁和堆廢舊混凝土塊充填自密實(shí)混凝土梁均顯示出較好的力學(xué)性能，其承載力均高于自密實(shí)混凝土梁，并且造價(jià)低廉。

　　彎曲破壞梁截面為200mm×200mm，縱筋2Φ14，箍筋為f8@150；剪切破壞梁截面為200mm×200mm，縱筋2Φ20，無(wú)箍筋。

　　從不同破壞形式上來(lái)看，3種混凝土材料制作的梁構(gòu)件在豎向荷載的作用下的破壞過(guò)程沒(méi)有明顯區(qū)別。無(wú)論彎曲破壞還是剪切破壞，堆石混凝土梁和堆廢棄混凝土塊充填自密實(shí)混凝土梁均顯示出較好的力學(xué)性能，其承載力均高于自密實(shí)混凝土梁。通過(guò)對(duì)剪切梁的縱向剖切后的分析得到產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是：大骨料自身的強(qiáng)度和其產(chǎn)生骨架作用有效的抵抗了剪切應(yīng)力，迫使剪切裂縫改向薄弱面發(fā)展從而發(fā)生彎曲，進(jìn)而提高了梁的剪切承載力。一般情況下，在裂縫發(fā)展中遇到大骨料時(shí)會(huì)繞過(guò)骨料，從而使得主裂縫的面積增加，同時(shí)還會(huì)增加骨料間的咬合力，所以在充填介質(zhì)——自密實(shí)混凝土強(qiáng)度相同的情況下必然會(huì)造成梁的剪切承載力提高。

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　　從現(xiàn)在的應(yīng)用情況看，金峰教授對(duì)這項(xiàng)技術(shù)相當(dāng)滿意。

　　作為金峰教授的同事兼合作伙伴，談起這項(xiàng)目技術(shù)，安雪暉教授的眼中也同樣充滿自豪。安雪暉以具體例子向我們介紹了堆石混凝土的應(yīng)用情況。

堆石混凝土大壩施工方法

　　將自密實(shí)混凝土材料、壓漿混凝土工藝和堆石壩施工技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于大壩施工，以自密實(shí)混凝土代替砂漿，壓入采用堆石壩施工技術(shù)形成的大壩堆石體，得到大壩混凝土，就可以實(shí)現(xiàn)一種新的大壩混凝土施工方式，稱為堆石混凝土大壩施工方法。堆石混凝土在大壩中可以作為混凝土心墻或者混凝土壩體。

　　大壩混凝土由于其大體積的特點(diǎn)，要盡量降低混凝土的水化熱和成本，也就是應(yīng)該盡量降低水泥用量。一般而言，采用大粒徑骨料可以起到這樣的作用，因此，目前大壩混凝土往往采用四級(jí)配，骨料最大粒徑可達(dá)到15厘米。常規(guī)的混凝土如果采用更大的骨料，在施工過(guò)程中，受到拌和能力、振搗能力的限制，比較困難。堆石混凝土大壩的粗骨料直接采用不經(jīng)篩分或初步篩分的堆石，即采用碾壓堆石壩的方式將粗骨料直接入倉(cāng)，并采用振動(dòng)碾將其碾壓密實(shí)，然后采用壓漿混凝土的施工方式利用預(yù)埋的灌漿管將自密實(shí)混凝土填充到堆石的空隙中，形成混凝土壩體。因此可以使用更大粒徑的骨料，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)省水泥降低成本的效果。同時(shí)由于工藝簡(jiǎn)單，減少了施工環(huán)節(jié)，可以大大縮短工期。

　　技術(shù)指標(biāo)：

　　大壩堆石體采用目前的碾壓施工工藝，孔隙率一般已小于20%，考慮到提高自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能，按30%考慮，每立方米大壩堆石混凝土中自密實(shí)混凝土（或砂漿）的體積為0.3立方米。以目前每立方米混凝土單價(jià)230元計(jì)算，考慮到自密實(shí)混凝土外加劑和增加預(yù)埋灌漿管等費(fèi)用，按提高40%計(jì)算，每立方米自密實(shí)混凝土單價(jià)按340元計(jì)算。大壩碾壓堆石體的單價(jià)按30元/立方米計(jì)算，考慮到有可能需要粗篩分，去除小粒徑顆粒，按40元/立方米3計(jì)算，則堆石混凝土的單價(jià)約為150元/立方米，僅為普通混凝土單價(jià)的2/3左右，如果考慮到可以減少大體積混凝土溫控措施等因素，其經(jīng)濟(jì)前景更加可觀。

　　堆石混凝土的粗骨料采用堆石，粒徑大，單位體積混凝土中所用水泥量小，可以有效降低混凝土絕熱溫升，減少混凝土裂縫。如按30%的自密實(shí)混凝土計(jì)算，水泥用量?jī)H為30%左右，絕熱溫升的降低也是很明顯的，可以簡(jiǎn)化溫控措施。

　　只需要拌和小粒徑的自密實(shí)混凝土，拌和樓大大減小，而且不需要振搗器振搗，簡(jiǎn)化了混凝土施工工藝。

　　如果采用粗篩分，大骨料直接上壩碾壓，小骨料可以用來(lái)生產(chǎn)自密實(shí)混凝土的骨料和砂，可以充分利用材料。

　　混凝土的澆筑過(guò)程主要有堆石體碾壓和泵送自密實(shí)混凝土兩個(gè)過(guò)程，前者和土石壩施工近似，后者，并不需要振搗，工序簡(jiǎn)化，可以加快施工速度。這在大壩建設(shè)中，也是十分重要的優(yōu)點(diǎn)。

　　對(duì)于交通不便的施工現(xiàn)場(chǎng)，由于運(yùn)送水泥的單價(jià)極高，因此顯著節(jié)省水泥的堆石混凝土大壩施工方法在此類地點(diǎn)具有極大的優(yōu)勢(shì)。

　　應(yīng)用說(shuō)明：

　　結(jié)合堆石混凝土大壩施工的特點(diǎn)，可以采用以下幾種可能的實(shí)施方式。

　　堆石混凝土心墻堆石壩：在傳統(tǒng)的堆石壩中采用堆石混凝土心墻作為防滲體，建造堆石混凝土心墻堆石壩。

　　堆石混凝土混合壩：在大壩上游側(cè)立豎直模板，首先進(jìn)行堆石體填筑，然后在上游側(cè)進(jìn)行堆石混凝土施工，在上游側(cè)形成混凝土擋墻，同時(shí)作為防滲體，這種壩型與堆石混凝土心墻堆石壩相比，因?yàn)樯嫌蝹?cè)是混凝土重力式擋墻，壩體的總體積大大減少，有可能降低造價(jià)和加快施工進(jìn)度。另外，上游側(cè)重力式擋墻的施工質(zhì)量容易檢測(cè)也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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　　堆石混凝土重力壩或拱壩：為了進(jìn)一步減少壩體體積，還可以采用全斷面注入自密實(shí)混凝土的方式澆筑堆石混凝土重力壩或拱壩，形成全斷面堆石混凝土由于大壩堆石混凝土中水泥少，絕熱溫升低，有可能在控制大壩自密實(shí)混凝注入溫度等溫控措施的基礎(chǔ)上，不埋設(shè)冷卻水管，進(jìn)行通倉(cāng)澆筑，可以在節(jié)約造價(jià)的基礎(chǔ)上，達(dá)到快速施工的目的，也是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型。另外，和堆石混凝土混合壩結(jié)合，在一個(gè)水利樞紐中，采用堆石混凝土混合壩作為擋水壩段，采用堆石混凝土重力壩作為溢流壩段，可以實(shí)現(xiàn)壩身泄洪，將使這一壩型的優(yōu)越性得到更大的發(fā)揮。