堆石混凝土技術(shù)的新進(jìn)展

堆石混凝土技術(shù)的新進(jìn)展周虎清華大學(xué)水利水電工程系1/1/20241主要內(nèi)容前言堆石混凝土技術(shù)的概念與優(yōu)勢堆石混凝土技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀堆石混凝土的室內(nèi)試驗成果堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用實例1/1/20242混凝土的主要施工方式常態(tài)混凝土：震搗、冷卻水管等工序多，水化熱高，溫控復(fù)雜，容易開裂，成本高混凝土砌石、埋石混凝土：技術(shù)要求低，材料成本低，適合中小型工程，但機(jī)械化程度低，質(zhì)量控制難，人工成本越來越高，逐漸淘汰碾壓混凝土：要求大倉面，重型機(jī)械，僅適合大中型工程，但超高壩仍然有技術(shù)困難自密實混凝土：新技術(shù)，施工方便，但水化熱高，溫控困難，成本高，難以適應(yīng)大體積混凝土1/1/20243研究的動力現(xiàn)狀：超高壩采用常態(tài)混凝土大中型工程越來越多采用碾壓混凝土有沒有可能有一種新的適應(yīng)中小型工程的混凝土筑壩方式：施工技術(shù)要求簡單，質(zhì)量容易控制：取消震搗、溫控施工速度快，能夠發(fā)揮效應(yīng)：充分發(fā)揮機(jī)械作業(yè)施工成本低，容易推廣：減少水泥用量適應(yīng)面廣：大小倉面都可以應(yīng)用1/1/20244研究思路混凝土基本概念：強(qiáng)度和水灰比有關(guān)，而在一定范圍內(nèi)和水泥用量無關(guān)提高混凝土經(jīng)濟(jì)性的核心碾壓混凝土RCC減少用水量增加骨料用量埋石混凝土等4級配混凝土減少水泥用量其他途徑？1/1/20245主要內(nèi)容前言堆石混凝土技術(shù)的概念與優(yōu)勢堆石混凝土技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀堆石混凝土的室內(nèi)試驗成果堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用實例1/1/20246自密實混凝土的特點自密實混凝土SCC：Self-CompactingConcrete是指在澆筑過程中無需施加任何振搗，僅靠混凝土自重就能完全填充模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙的混凝土。要求：高流動性高抗分離能力優(yōu)點：高密實度：高耐久性簡化施工：高可靠性低噪音：環(huán)境友好1/1/20247堆石混凝土技術(shù)的概念自密實混凝土一般用于高標(biāo)號的鋼筋混凝土價格水泥量大：水化熱高粉體量大：容易開裂低水化熱低成本自密實混凝土開發(fā)基礎(chǔ)上發(fā)明堆石混凝土1/1/20248堆石混凝土將堆石直接入倉，然后澆筑專用的自密實混凝土，利用其高流動性能，填充到堆石的空隙中，形成完整、密實、低水化熱的大體積混凝土。SCCSCC中的骨料堆石SCC堆石混凝土大壩施工方法，ZL03102674.5普通型堆石混凝土施工方法，ZL200710100315.3拋石型堆石混凝土施工方法，ZL200710121791.31/1/20249堆石混凝土的優(yōu)勢低水泥用量與低水化熱高密實度與高強(qiáng)度保證率顯著提高工效，縮短工期顯著降低施工成本良好的體積穩(wěn)定性層間抗剪能力強(qiáng)，簡化鑿毛工序工程應(yīng)用實例表明：技術(shù)先進(jìn)，適應(yīng)面廣1/1/202410主要內(nèi)容前言堆石混凝土技術(shù)的概念與優(yōu)勢堆石混凝土技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀堆石混凝土的室內(nèi)試驗成果堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用實例1/1/202411堆石混凝土技術(shù)的發(fā)展情況申請授權(quán)國家發(fā)明專利3項通過水利部科技成果鑒定（2008）水利部重點科技推廣項目（2008~2011）開展堆石混凝土技術(shù)專項研究沙坪二級水電站堆石混凝土綜合性能試驗研究（2008~2009）藏木水電站堆石混凝土應(yīng)用課題研究（2010~2011）水利部立項編制《堆石混凝土與膠凝砂礫石筑壩新技術(shù)導(dǎo)則》（2009~2012）至2010年已在國內(nèi)10余個工程中成功應(yīng)用近30萬方堆石混凝土1/1/202412國際有關(guān)媒體的報道日本土木工程學(xué)會雜志封面報道1/1/202413國際水電與大壩建設(shè)雜志2008年4月期

封面報道1/1/202414堆石混凝土技術(shù)成果鑒定會1/1/202415水利部鑒定2008年4月14日水利部國際合作與技術(shù)司在北京組織了堆石混凝土技術(shù)鑒定會，高波司長主持鑒定組主任委員：潘家錚（兩院院士）

鑒定組副主任委員：劉寧（水利部總工程師）鑒定組成員高安澤，汪易森，劉志明，李春敏，馬毓淦，朱新民1/1/202416鑒定結(jié)論：創(chuàng)新點該成果屬于原創(chuàng)性的新技術(shù)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，其主要創(chuàng)新點如下：1、堆石混凝土技術(shù)通過大量塊石的使用，堆石含量可達(dá)到55％以上，水泥用量少，工程實測的大體積混凝土實際水化熱溫升僅為常態(tài)混凝土的1/2左右，在施工過程中可以簡化溫控措施。形成的大體積混凝土結(jié)構(gòu)收縮小，具有較強(qiáng)的抗裂能力。2、堆石混凝土施工層面有大量的塊石棱角裸露，可提高層間抗剪能力。3、堆石混凝土施工工藝簡單。所使用的機(jī)械設(shè)備均為常規(guī)設(shè)備，節(jié)省了混凝土的生產(chǎn)和澆筑量，免除了振搗工序，簡化了層面處理措施，從而顯著提高工效，縮短工期，大幅度降低工程造價。1/1/202417鑒定結(jié)論堆石混凝土技術(shù)已應(yīng)用于北京軍區(qū)某蓄水建筑物重力壩、寶泉抽水蓄能電站上庫副壩及沖溝回填、向家壩水電站沉井群回填等工程，取得了成功的經(jīng)驗，效益顯著。該技術(shù)成果的推廣應(yīng)用，將有力推動我國中小型水利工程及其它大體積混凝土施工技術(shù)的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，該項研究成果總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平；在堆石混凝土筑壩技術(shù)方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。1/1/202418水利規(guī)劃總院技術(shù)導(dǎo)則2009年12月23日，水規(guī)總院主持審查《堆石混凝土與膠凝沙礫石筑壩技術(shù)導(dǎo)則》編制大綱專家組組長：潘家錚，副組長：徐麟祥1/1/202419建立筑壩技術(shù)完備體系土石壩，堆石壩土石料臺型壩CSG砌石壩：漿砌石、混凝土砌石埋石、毛石混凝土混凝土壩：堆石混凝土碾壓混凝土常態(tài)混凝土各種混合壩型1/1/202420主要內(nèi)容前言堆石混凝土技術(shù)的概念與優(yōu)勢堆石混凝土技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀堆石混凝土的室內(nèi)試驗成果堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用實例1/1/202421堆石混凝土的實驗室研究澆筑性能試驗強(qiáng)度試驗抗壓抗拉強(qiáng)度變化抗?jié)B試驗水化熱溫升

……1/1/202422C50堆石混凝土試驗1/1/202423試件齡期(d)均值(MPa)標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)強(qiáng)度等級(MPa)1#試件

堆石混凝土741.152.5336.981443.002.3039.302855.962.2052.331#試件自密實混凝土744.65－40.801448.90－47.002852.10－51.302#試件

堆石混凝土739.703.0934.601443.702.8039.002854.302.5050.102#自密實混凝土試塊741.95－38.001447.40－42.002850.95－49.00強(qiáng)度試驗結(jié)果表明：堆石混凝土可以達(dá)到C50強(qiáng)度等級，略高于相應(yīng)專用自密實混凝土強(qiáng)度1/1/202424強(qiáng)度隨距離的變化在一定范圍內(nèi)，專用自密實混凝土在堆石空隙中的流動對堆石混凝土性能影響很小1/1/2024251#試件彎曲強(qiáng)度試驗抗拉強(qiáng)度：2.08MPa1/1/202426荷載－變形特性計算40％極限荷載彈模撓度計算：22.0GPa應(yīng)變計算：24.1GPa1/1/2024271#試件斷面斷面平整填充密實部分骨料斷裂1/1/202428C20堆石混凝土施工驗證試驗?zāi)康模罕本┸妳^(qū)工程正式實施前的驗證施工工序，密實度，強(qiáng)度1/1/202429試驗過程1/1/202430堆石混凝土切塊后證實其內(nèi)部致密,與堆石粘結(jié)緊密試件切塊1/1/202431強(qiáng)度試驗堆石混凝土強(qiáng)度略高于相應(yīng)專用自密實混凝土強(qiáng)度1/1/202432抗?jié)B試驗試件位置普通部位冷縫熱縫抗?jié)B等級W35W14W31施工良好的堆石混凝土具有優(yōu)異的防滲性能1/1/202433沙坪工程試驗成果抗壓強(qiáng)度（大、小試件）彈模（大試件）抗拉強(qiáng)度（大、小試件）絕熱溫升（大、小試件）抗?jié)B（大試件，資料整理中）大剪500×500×500mmΦ450×900mm1/1/202434抗壓強(qiáng)度試驗堆石率約45％SCC標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度：23.5MPaSCC,RFC大試件強(qiáng)度500×500×500mmSCCRFC114.7MPa21.2MPa214.7MPa16.5MPa314.2MPa19.5MPa均值14.5MPa19.1MPa1/1/202435試件尺寸效應(yīng)和強(qiáng)度對比SCC-standardSCCRFC均值23.5MPa14.5MPa19.1MPa試件尺寸效應(yīng)100%61.7%——SCC&RFC關(guān)系——100%130.7%1/1/202436彈性模量試驗Φ450×900mm試件編號試件尺寸(mm)含石率(%)彈性模量(GPa)均值(GPa)

SCC-standard-1Φ150*300022.8721.0100%——

SCC-standard-1021.82

SCC-standard-1018.36

SCC-1Φ450*900025.9827.9132.7%100%SCC-2027.81SCC-3029.90RFC-1Φ450*90041.6735.3838.5——138.0%RFC-242.9438.22RFC-343.9441.961/1/202437抗拉強(qiáng)度500mm×500mm×1000mmSCC-standardSCCRFC均值1.62MPa0.92MPa0.88MPa試件尺寸效應(yīng)100%56.8%——SCC&RFC關(guān)系——100%95.7%1/1/202438絕熱溫升試驗換算成堆石率55％堆石混凝土，絕熱溫升為14.2度堆石混凝土溫度基本均勻1/1/202439主要指標(biāo)匯總抗壓強(qiáng)度（MPa）抗壓彈性模量（GPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）SCC標(biāo)準(zhǔn)試件23.521.01.62SCC大試件14.527.90.92RFC大試件19.138.50.88部位堆石露出情況齡期fc堆石混凝土冷縫5~10cm52~57d1.711.59MPa絕熱溫升：14.2C1/1/202440堆石混凝土試驗的基本結(jié)論自主研發(fā)的低水化熱低成本專用自密實混凝土完全能夠填充堆石空隙，形成完整、密實、粘接良好，滿足強(qiáng)度、抗?jié)B性能要求，具有低水化熱特性的堆石混凝土1/1/202441堆石混凝土綜合性能匯總堆石混凝土全尺寸系列試驗（C15、C25）抗壓強(qiáng)度：fcRFC/fcSCC=1.3~1.5抗拉強(qiáng)度：ftRFC/ftSCC=0.9抗壓彈模：EcRFC/EcSCC=1.3抗剪斷參數(shù)：f=1.71c=1.59MPa絕熱溫升：14.2~16.1℃滲透系數(shù)：10-11m/s1/1/202442主要內(nèi)容前言堆石混凝土技術(shù)的概念與優(yōu)勢堆石混凝土技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀堆石混凝土的室內(nèi)試驗成果堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用實例1/1/202443堆石混凝土工程應(yīng)用實例河南寶泉抽水蓄能電站上庫副壩及回填金沙江向家壩水電站沉井群混凝土回填山西清峪水庫重力壩山西恒山水庫加固新疆公路、鐵路工程應(yīng)用沙坪二級水電站西藏藏木水電站1/1/202444工程實例：寶泉抽水蓄能上庫裝機(jī)容量120萬kW的大型抽水蓄能電站首先進(jìn)行了堆石混凝土現(xiàn)場試驗試驗成功以后，目前已使用近5萬m3上庫副壩，壩高36.9m，壩頂長196.5m上庫沖溝處理副壩沖溝1/1/202445試驗場地試驗倉面約為60m2倉面寬約6m長約10m試驗共計2倉堆石混凝土，每倉高約1m。有效試驗面積1/1/202446用反鏟澆自密實混凝土1/1/202447澆筑完成后的情況1/1/202448澆筑完成后的檢查挖坑檢測鉆孔取芯壓水試驗1/1/202449挖坑的位置1/1/202450挖坑1/1/202451放大1/1/202452檢測結(jié)果試驗項目1#坑數(shù)據(jù)2#坑數(shù)據(jù)平均值膠凝材料密度kg/m3231023102310石料密度kg/m3277027702770膠凝材料體積率%50.442.046.2石料體積率%46.051.348.7砌體干密度kg/m3243823922415砌體空隙率%3.66.75.2執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SD120-84合格標(biāo)準(zhǔn)砌體干密度大于2350kg/m3。1/1/202453壓水試驗共進(jìn)行2孔壓水試驗1＃孔：0.88Lu2?？祝?.77Lu平均：1.33Lu1/1/202454現(xiàn)場試驗結(jié)論寶蓄工程現(xiàn)場條件已具備進(jìn)行堆石混凝土的生產(chǎn)，而且，有較大的改進(jìn)空間。試驗結(jié)果表明，在保證施工組織、管理和質(zhì)量控制的條件下，使用堆石混凝土可以保證質(zhì)量，加快施工速度，降低造價，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。1/1/202455副壩澆筑部位

775m

777m

779m1/1/202456SCC生產(chǎn)SCC運輸堆石運輸堆石體平倉SCC澆筑1/1/202457寶泉上庫副壩的施工情況1/1/202458寶泉上庫沖溝處理施工1/1/202459副壩及沖溝探坑檢測情況干容重kg/m3：2401,2409,2418,2395石料體積含量%：53.2,52.4,54.8,55.9混凝土體積含量%：42.8,45.2,43.6,41.6SCC密度kg/m3

：2310,2300,2310,2315空氣體積含量%：4.0.4.0,1.6,2.5全部符合設(shè)計要求1/1/202460沖溝機(jī)口檢測C10，9組（MPa）：14.6，12.9，12.5，12.6，12.7，12.1，10.8，12.2，11.8完全滿足設(shè)計要求1/1/202461建成的副壩1/1/202462應(yīng)用情況寶泉抽水蓄能有限公司的評價：堆石混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用有效地保證了施工質(zhì)量，簡化了施工質(zhì)量控制；通過現(xiàn)場的探坑、鉆孔取芯和壓水試驗等檢測證明了堆石混凝土具有優(yōu)良的密實度和抗壓強(qiáng)度以及良好的抗?jié)B性能。堆石混凝土施工技術(shù)能夠提高工效，降低成本的特點也在寶泉工程的應(yīng)用中得到了明顯的體現(xiàn)。1/1/202463工程實例：向家壩沉井群向家壩工程是長江干流的重大工程向家壩工程的10個沉井組成的沉井群是國內(nèi)最大的沉井群，回填混凝土超過8萬m3沉井前期為一期圍堰擋土，后期是二期圍堰的一部分擋水為了在沉井回填中使用堆石混凝土，進(jìn)行了堆石混凝土試驗采用了兩種堆石混凝土普通堆石混凝土：先堆石＋高流動自密實混凝土拋石堆石混凝土：抗離析自密實混凝土＋后拋石一期土石圍堰二期縱向圍堰下游段沉井群上壩公路金沙江水流方向1/1/202464試驗向家壩堆石混凝土試驗1/1/202465檢測結(jié)果

機(jī)口C15混凝土拌和性能及力學(xué)性能檢測砼類別控制擴(kuò)展度（cm）擴(kuò)展度（cm）砼溫度（

C

）抗壓強(qiáng)度（MPa）7d28d高流動型自密實砼630~6806608.07.317.5抗離析型自密實砼550~6006008.58.118.41/1/202466鉆孔取芯芯樣獲得率平均達(dá)97.9%塊石與混凝土膠結(jié)緊密，芯樣完整，光滑堆石混凝土容重明顯大于普通混凝土，強(qiáng)度顯著超強(qiáng)孔號鉆芯日期檢測日期齡期（d）容重(kg/m3)強(qiáng)度(MPa)1#2007-2-112007-2-2342251036.72#2007-2-142007-2-2342250526.22#2007-2-142007-2-2342250133.23#2007-2-152007-2-2342251637.31/1/202467水化溫升試驗中，實際水化溫升最高僅10C堆石砼溫度時間對比曲線5.07.09.011.013.015.017.019.007.1.807.1.1307.1.1807.1.2307.1.2807.2.207.2.707.2.12T1T21/1/202468向家壩沉井施工回填全部采用拋石型堆石混凝土最大高度57.4m共使用堆石混凝土約7萬m31/1/202469混凝土拌和樓9#沉井石料場石料場石料沖洗區(qū)SCC石塊井口施工區(qū)1/1/202470施工過程：SCC1/1/202471施工過程：堆石1/1/202472應(yīng)用結(jié)果三峽公司向家壩項目部的評價密實度好，容重和抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求水化溫升低，實際回填實測最大水化熱溫升7.1C施工速度快，單個沉井施工期從20－30天縮短為5－7天施工工藝簡單，綜合成本低于素混凝土1/1/202473工程實例：清峪水庫壩高42.3m，混凝土總方量近70000m3。2009年3月底開始大壩堆石混凝土施工1/1/202474部分施工照片1/1/202475堆石入倉1/1/202476自密實混凝土澆筑1/1/202477挖坑檢測成果堆石總質(zhì)量（kg）SCC總質(zhì)量（kg）總體積（m3）堆石混凝土密度（kg/m3）SCC體積率1531.201113.811.052519.0644.8％1/1/202478壓水試驗檢測成果1?？讐毫（MPa）壓入流量Q（L/min）透水率q(Lu)0.1000.2000.30.1570.630.40.3141.180.50.6281.512?？?.50.2761.13?？?.50.7851.831/1/2024792009年11月施工面貌1/1/202480清峪水庫樞紐工程RFC大壩形象進(jìn)展圖截止2009年11月19日共計完成：堆石混凝土（RFC）26514.37方；自密實混凝土（SCC）12429.2方；澆筑高程達(dá)838.21（壩頂高程856.8），已澆筑完成最大壩高24.21m。在天氣、施工條件有保證的情況下月澆筑工程量可達(dá)6000方以上，如圖所示六月及九月。1/1/202481清峪水庫蓄水狀況（2009年9月）1/1/202482上游俯瞰1/1/202483工程實例：恒山水庫加固中國最早的雙曲拱壩之一病險壩加固，約45000m3混凝土2009年4月底開始堆石混凝土施工1/1/202484拱冠梁全面加固斷面新老混凝土接觸面溫度應(yīng)力？全面采用堆石混凝土1/1/2024851/1/2024861/1/2024871/1/2024882009年9月底澆筑進(jìn)度1/1/202489工程實例：新疆公/鐵路工程國道217線擋土墻試驗阜康－天池?fù)跬翂υ囼炠悾咚俟饭こ烫m－新鐵路工程1/1/202490工程實例：石龍溝拱壩最大壩高44.90m壩體工程量約2.6萬m3試驗分2層進(jìn)行，每層厚度約1m稱重，確定混凝土比例測量溫升強(qiáng)度、密實度檢測抗?jié)B性能檢測1/1/202491試驗簡況1/1/202492配合比強(qiáng)度與抗?jié)B性能SCC1：13.97MPaSCC2：15.23MPaSCC3：15.97MPa，W81/1/202493試驗結(jié)果容重：平均2494kg/m3強(qiáng)度：平均17.39MPa實測溫升：4.4C聲波：4100m/s，反映堆石混凝土中無明顯缺陷，SCC與塊石間膠結(jié)好，密實程度較好1/1/202494山西千山項目1/1/202495沙坪二級水電站大渡河干流，電站裝機(jī)容量345MW，多年平均發(fā)電量16.26億kWh樞紐建筑物主要由泄洪閘、排污閘、左右岸連接壩段、河床式廠房等建筑物組成最大壩高63.00m1/1/202496藏木水電站雅魯藏布江干流第一個水電站，最大壩高116m，電站裝機(jī)容量540MW建筑材料匱乏石粉代替粉煤灰技術(shù)可能采用RFC部位：公路擋墻，擋渣墻導(dǎo)流渠底板下部壩體回填1/1/202497擋墻現(xiàn)場試驗1/1/202498芯樣照片1/1/202499擋墻現(xiàn)場試驗1/1/2024100省份工程名稱最大壩高應(yīng)用部位應(yīng)用方量進(jìn)展情況北京市北京軍區(qū)某部蓄水池工程14m重力壩壩體0.2萬方2005年竣工河南省國網(wǎng)寶泉抽水蓄能電站39.5m重力壩副壩壩體、沖溝回填5.5萬方2007年竣工四川省向家壩水電站沉井回填7萬方2008年完成山西省清峪水庫42.8m壩體3萬方2010年資金原因停工山西省圍灘水電站57.5m壩體4.1萬方2010年竣工山西省恒山水庫加固工程69m加固壩體3.7萬方2010年竣工廣東省長坑三級水庫24.7m壩體1.7萬方建設(shè)中，2011年竣工西藏自治區(qū)藏木水電站116m消力池、廠房基礎(chǔ)等約20萬方2010年完成現(xiàn)場試驗，2011年底澆筑RFC四川省沙坪二級水電站61m覆蓋層置換約12萬方2011年進(jìn)行現(xiàn)場試驗云南省紅石巖水庫62.1m重力壩壩體約10萬方計劃于2011年施工河北省鴿子洞水電站39m重力壩壩體約12萬方2010年通過初設(shè)審查堆石混凝土工程應(yīng)用情況1/1/2024101圍灘水電站恒山水庫長坑三級水庫1/1/2024102部分工程檢測情況河南省國網(wǎng)寶泉抽水蓄能電