摘 要：碾壓混凝土在世界范圍內得到了廣泛應用，各個國家有相應的配合比設計規范。本文以巴基斯坦NJ工程為例,參考國際工程的配合比設計特點，運用于國內的設計方法,使之能適應國內外不同的技術條件。從實際應用效果看，該工程在人工砂石粉含量不足的情況下，采用改良后配合比設計的碾壓混凝土工作性能有大幅度提高，滿足本工程施工的需要和質量要求。

　　關鍵詞：巴基斯坦NJ工程,碾壓混凝土,配合比設計

　　1. 工程概況

　　巴基斯坦NJ工程屬低擋水壩、長引水隧洞(洞挖總里程58.8km)、深調壓式豎井、地下式廠房、尾水隧洞式水電工程，共裝機4臺，總容量969 MW;工程主要永久建筑物有：右岸導流隧洞、混凝土重力壩、左岸進水口和沉砂池、左岸引水隧洞、調壓井、地下廠房、開關站及附屬設施組成。碾壓混凝土主要應用于填塘基礎和局部大壩主體。

　　2. 設計要求及設計依據

　　碾壓混凝土設計強度為17MPa(91d齡期)， 強度保證率80%。根據ACI 214配制強度計算公式 f’cr =f’c+0.842 Ss(0.842是強度保證率80%的概率度系數，Ss是混凝土抗壓強度標準差)確定碾壓混凝土配制強度為20.4MPa= 17+0.842×4。由于本工程采用的是美國標準，其混凝土標準試件是φ150mm×h300mm圓柱體，如要與國內的立方體標準強度比較，只需除以0.87換算系數。即美國標準20.4MPa相對于國內23.4MPa。為保持試驗數據的一致性，本文提供的試驗數據均為未經換算的原始數據。

　　按照合同技術條款和美國工程師協會設計標準《Roller-Compacted Concrete》(EM 1110-2-2006)要求，骨料最大粒徑不超過75mm，水泥用量不低于60kg/m3，總膠凝材料用量不低于180kg/m3，混凝土容重不低于2400kg/m3，VC值5s~10s，灰漿比(Paste-Mortar Rito)不低于0.40。其中灰漿比是判別碾壓混凝土工作性能優劣的量化指標，國際工程普遍常用。

　　3. 原材料情況

　　3.1 水泥

　　采用Maple Leaf生產的低堿水泥(相當于國內中熱42.5水泥)。其中比表面積3262cm2/g，28d抗壓強度30.6MPa(美國水泥標準試件為邊長50mm立方體)。

　　3.2 礦粉

　　采用THATTA生產的礦粉。其中細度13.75%，比表面積5044cm2/g，28d強度活性指數為93.88%。由于生產廠家在巴基斯坦最南部的城市卡拉奇，本工程在東北部克什米爾地區，運輸成本的增加使礦粉的綜合單價要略高于水泥。所以從經濟性角度考慮，盡量選擇低摻礦粉。

　　3.3 外加劑

　　采用北京冶建萘系JG-3緩凝高效減水劑。摻量為膠凝材料用量的0.7%(減水率18.3%)。

　　3.4 人工砂

　　采用隧洞開挖料(砂巖)制人工砂。其中細度模數為2.7，屬中砂，級配合格，但用于碾壓混凝土用砂的關鍵參數石粉含量只有10.4%，低于國內推薦的12%~22%，且75μm含量也只有6.8%，低于美國標準要求的8%~18%。受砂石廠生產條件和石料品質因素影響，多次調整生產工藝并未有效提高人工砂中石粉和75μm含量。

　　3.5 碎石

　　采用隧洞開挖料(砂巖)制碎石。砂石廠生產的碎石最大粒徑63mm，分成D19、D38和D63三級。其中針片狀含量分別為6.7%、14.3%和19.8%;三種骨料級配要求全部合格(美國標準并無超遜徑要求)。從針片狀指標可以看出，骨料粒型較差。

　　3.6 拌和用水

　　采用生活飲用水。水質量滿足拌和用水質量要求。

　　4. 碾壓混凝土配合比設計難點及設計思路

　　4.1 設計難點

　　從原材料檢測成果看， 本工程的骨料質量低于國內水平，主要反映在人工砂石粉含量低，碎石針片狀不理想等指標。這種現象在第三世界國家較為普遍，主要受地域限制，可利用骨料有限，就地取材是唯一解決料源途徑。如何合理優化配合比，滿足施工需要，使之能充分利用當地原材料是本次配合比設計的難點。

　　4.2 設計思路

　　按國內的配合比設計原則，主要進行以水膠比、單位用水量、摻和料摻量、砂率等配合比參數的正交試驗。當石粉含量處于較低水平時，可采用摻和料等量替代和超量替代的方法予以解決。按美國的配合比設計原則，在無膠凝材料用量限制的情況下，首先根據標準中推薦的圖表(圖一)確定膠凝材料用量。本工程合同技術條款對膠凝材料限制為不低于180kg/m3，參考圖一，180kg/m3針對的90d齡期抗壓強度約為23MPa左右，從實際取得試驗成果(24.4MPa)與理論值也較為接近。骨料級配比例和砂率通過計算獲得，其計算后的全級配曲線需接近美國標準中理想曲線(表一)。本次配合比設計主要為解決石粉含量偏低的問題，擬采用增加膠凝材料用量方式解決，增加部分膠凝材料用量的計算未按照國內常用的等量替代或超量替代法，而是采用首先滿足美國標準的全級配理想曲線為計算依據。單摻石粉的方案，從經濟性、時間周期和可操作性方面均不如直接增加膠凝材料方案，故未采用。最終配合比參數的確定還需滿足灰漿比不低于0.40的技術要求。

　　5. 碾壓混凝土配合比設計方法及計算步驟

　　5.1 設計方法

　　本次配合比設計水膠比選擇不作為重點，而是首先確定最終膠凝材料用量，其中包括最低膠凝材料用量和新增用于替代石粉的膠凝材料，由于監理只批準在技術條款限制的180kg/m3基礎上新增膠凝材料，根據以往工程經驗，混凝土強度肯定有較大富余，所以只需確定單位用水量滿足VC值 5s~10s，不用選擇多個水膠比進行試拌;礦粉摻量選擇70%、67%、60%和50%四種;骨料級配比例參考國內30%:40%:30%，此時的碾壓混凝土抗分離效果最好;砂率通過計算以滿足碾壓混凝土全級配理想級配曲線為依據。

　　5.2 計算步驟

　　首先計算滿足全級配理想曲線的骨料級配比例、砂率和替代石粉的膠凝材料用量。由于計算步驟較為繁雜，可通過建立EXCEL計算表格取得相關數據。表二為已計算完成結果。

　　備注：①碎石混合級配 30-40-30 表示碎石級配比例為D19：D38：D63=30%：40%：30%;

　　②混合砂級配96.7-3.3表示混合砂中人工砂：膠凝材料=96.7%：3.3%;

　　③計算級配63-37表示碎石：混合砂=63%：37%。

　　將表二中計算的碾壓混凝土骨料全級配曲線與理想曲線在圖表中進行對比(圖二)，兩條曲線吻合程度較高，關鍵指標石粉含量(150μm)和75μm含量也基本滿足理想曲線。最終選擇碎石級配比例為30%：40%：30%，混合砂級配中人工砂與新增膠凝材料比例為96.7%：3.3%，碎石與混合砂比例為63%：37%。結合試拌試驗成果，采用國內體積法計算具體材料用量，計算成果見表三。

　　6. 碾壓混凝土配合比試拌成果及分析

　　根據表三的計算成果，確定最終膠凝材料用量為206kg/m3，按照70%、60%和50%礦粉摻量分別進行試拌。補充增加膠凝材料180kg/m3，按照技術條款最低水泥用量60kg/m3進行試拌，主要復核最低膠凝材料用量是否能夠滿足設計強度要求。具體試驗成果見表四。

　　VC值檢測完成后，將VC筒內碾壓混凝土整體傾倒出觀察拌和物“液化”情況，可以看出總膠凝材料206kg/m3和180kg/m3的碾壓混凝土表面返漿均較為充分，但針對底部和周邊的“液化”狀態，206kg/m3膠凝材料用量要優于180kg/m3。

　　從表四試拌成果可以看出，四個配合比參數的91d齡期抗壓強度均滿足混凝土配制強度要求(20.4MPa)，并有較大程度富余。在水膠比相同情況下，不同礦粉摻量在不同齡期抗壓強度檢測結果接近，說明礦粉的活性與水泥接近，不同礦粉摻量與強度的波動幅度不如粉煤灰明顯，另外礦粉比表面積較大，致使高摻礦粉造成單位用水量處于較高水平。

　　7. 碾壓混凝土配合比推薦配合比及應用

　　在混凝土配合比參數選擇上，考慮到巴基斯坦的礦粉綜合單價高于水泥，高摻礦粉意義不大，故初步選定總膠凝材料206kg/m3，礦粉摻量50%的配合比參數作為推薦配合比(表五)。

　　通過計算推薦配合比的灰漿比為0.44，滿足不低于0.40要求。詳細計算步驟見表六。

　　灰漿比計算步驟：

　　VPaste = V水泥 + V礦粉+ V水+ V空氣+ V 75-μm細骨料 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.068*0.2962 =0.2201

　　VMortar= V水泥 + V礦粉+ V水+ V空氣+ V人工砂 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.2962=0.4962

　　Paste-Mortar Rito = VPaste / VMortar = 0.2201 / 0.4962 =0.44

　　從生產性試驗采用推薦配合比實際應用效果看，碾壓后的碾壓混凝土表面返漿充分。從現場取芯情況看，芯樣壁表面光滑、平整，骨料分布均勻，膠結密實，芯樣孔24h滲水量1.22%，試驗結果令人滿意。說明增加的26kg/m3膠凝材料替代石粉能有效改善碾壓混凝土的工作性能。

　　8. 結論

　　綜上所述，除國內普遍采用的摻和料等量替代和超量替代改善人工砂石粉含量方法外，還可以結合美國標準的混凝土全級配理想曲線方法進行改善，同時還需結合灰漿比(Paste-Mortar Rito)指標對配合比設計合理性進行量化判斷。從本工程實際應用效果看，結合美國標準的配合比設計方法拓展了新思路，簡單、有效解決人工砂石粉含量不足的問題。

　　美國標準混凝土配合比設計有個特點，混凝土強度選擇依據不是按照水膠比，而是根據推薦的膠凝材料與不同齡期抗壓強度線性關系確定膠凝材料用量;骨料級配和砂率的選擇需以滿足全級配理想曲線為依據。筆者認為在做大型的配合比項目時，采用不同水膠比進行正交試驗更具科學性和嚴謹性，在單個配合比項目時，可參考美國標準的膠凝材料用量進行試拌復核;在骨料級配和砂率的選擇上，可參考美國標準的混凝土全級配理想曲線，因為混凝土骨料全級配有了量化標準，有助于判斷混凝土粗細骨料組合比例合理性，混凝土工作性能也能同時得到保證。

　　參考文獻：

　　[1] EM 1110-2-2006 Roller-Compacted Concrete

　　[2] ACI 214 Evaluation of Strength Test Results of Concrete