施工技術(shù)－堆石混凝土技術(shù)受到熱捧

前言

　　RFC，為Rock Filled Concrete的簡稱。意為堆石混凝土。是在自密實混凝土（SCC）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)，已獲得國家專利。堆石混凝土施工首先將大粒徑的塊石入倉，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混凝土，利用其特有的高流動、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、有較高強(qiáng)度和低水化熱的大體積混凝土。

　　簡而言之就是用自密實性能優(yōu)良的自密實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混凝土構(gòu)成。

　　自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）是指在澆筑過程中無需施加任何振搗，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)的坍落度試驗中，自密實混凝土能夠達(dá)到260毫米以上的坍落度、600毫米以上擴(kuò)展度，并且沒有離析、泌水現(xiàn)象的發(fā)生。

堆石混凝土技術(shù)走俏

　　一項廣泛應(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)過多年實驗室的各種試驗和目前多個工程的成功應(yīng)用，堆石混凝土技術(shù)的可行性和獨(dú)特優(yōu)勢已得到廣泛檢驗和證實。

　　堆石混凝土技術(shù)施工工藝簡單，綜合單價低，水化溫升低，易于現(xiàn)場質(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)造卓越價值近來越來越受到相關(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)所有的國家專利技術(shù)，目前，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于實際工程。

　　為了對堆石混凝土技術(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數(shù)據(jù)說話，金峰教授也不例外，他先介紹了RFC技術(shù)的幾個試驗結(jié)果。

填充性能檢測

　　試驗表明，自密實混凝土在堆石體的三維空隙中具有良好的通過性能，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，在一端開口處倒入自密實混凝土。自密實混凝土在堆石體中形成從澆筑點(diǎn)向外擴(kuò)展的斜面，新澆自密實混凝土順斜面向前推進(jìn)，逐步充填堆石體，通過表面觀察可以清楚地看到自密實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，自密實混凝土在堆石體中仍具有優(yōu)良的流動性和抗離析性。

力學(xué)性能檢測

　　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，表明堆石混凝土中自密實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)度高于澆筑時所使用的自密實混凝土強(qiáng)度。

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　　本次試驗所設(shè)計的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，裂縫一般穿過堆石混凝土中的石塊或沿石塊周邊斜向發(fā)展。試驗中充填堆石體所使用的自密實混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度為fprSCC=13.1MPa。堆石混凝土切塊強(qiáng)度與自密實混凝土強(qiáng)度對比圖上容易看出，試驗中9塊抗壓試件的強(qiáng)度中有6塊均高于澆筑時所使用的自密實混凝土強(qiáng)度，最高可達(dá)自密實混凝土強(qiáng)度的173%，其余3塊也與SCC強(qiáng)度相近。

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

抗?jié)B性能檢測

　　2005年在清華大學(xué)進(jìn)行堆石混凝土的抗?jié)B性能試驗，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等級自密實砂漿填充修補(bǔ)的方法制作成標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B試驗試件。試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150-2001）中的相關(guān)試驗方法進(jìn)行。

　　試驗結(jié)果表明堆石混凝土普通部位、熱縫和冷縫處的抗?jié)B等級分別為W35、W31和W14。大壩混凝土的抗?jié)B等級要求一般為W2~W12。對于普通部位和熱縫處的堆石混凝土而言，其抗?jié)B等級能夠達(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相對薄弱的冷縫處其抗?jié)B等級也達(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

　　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，結(jié)果表明無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混凝土梁，并且造價低廉。

　　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，無箍筋。

　　從不同破壞形式上來看，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程沒有明顯區(qū)別。無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混凝土梁。通過對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)展中遇到大骨料時會繞過骨料，從而使得主裂縫的面積增加，同時還會增加骨料間的咬合力，所以在充填介質(zhì)——自密實混凝土強(qiáng)度相同的情況下必然會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，金峰教授對這項技術(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，并采用振動碾將其碾壓密實，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。同時由于工藝簡單，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%，考慮到提高自密實混凝土的流動性能，按30%考慮，每立方米大壩堆石混凝土中自密實混凝土（或砂漿）的體積為0.3立方米。以目前每立方米混凝土單價230元計算，考慮到自密實混凝土外加劑和增加預(yù)埋灌漿管等費(fèi)用，按提高40%計算，每立方米自密實混凝土單價按340元計算。大壩碾壓堆石體的單價按30元/立方米計算，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計算，則堆石混凝土的單價約為150元/立方米，僅為普通混凝土單價的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%的自密實混凝土計算，水泥用量僅為30%左右，絕熱溫升的降低也是很明顯的，可以簡化溫控措施。

　　只需要拌和小粒徑的自密實混凝土，拌和樓大大減小，而且不需要振搗器振搗，簡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，小骨料可以用來生產(chǎn)自密實混凝土的骨料和砂，可以充分利用材料。

　　混凝土的澆筑過程主要有堆石體碾壓和泵送自密實混凝土兩個過程，前者和土石壩施工近似，后者，并不需要振搗，工序簡化，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)。

　　對于交通不便的施工現(xiàn)場，由于運(yùn)送水泥的單價極高，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。

　　應(yīng)用說明：

　　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，同時作為防滲體，這種壩型與堆石混凝土心墻堆石壩相比，因為上游側(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)量容易檢測也是一個優(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)行通倉澆筑，可以在節(jié)約造價的基礎(chǔ)上，達(dá)到快速施工的目的，也是一種很有競爭力的壩型。另外，和堆石混凝土混合壩結(jié)合，在一個水利樞紐中，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。