摘要:綜述了大水膠比、高摻量粉煤灰碾壓混凝土（hvfarcc）的定義、現在的發(fā)展狀況、性能（抗壓強度方面）、原材料要求、配合比設計等方面的特點。介紹了高摻量粉煤灰碾壓混凝土在 大壩、道路、橋梁、房屋、港口等工程中的應用情況。研究結果表明：1，在粉煤灰摻量一定的情況下，隨著水膠比的增加碾壓混凝土的抗壓強度降低；2，在水膠比一定的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加碾壓混凝土抗壓強度降低。3，由于粉煤灰在一定程度上降低了混凝土的抗碳化性能，從而間接的降低了混凝土的抗?jié)B性能。因此，對高摻粉煤灰碾壓混凝土的抗碳化能力有必要作進一步的研究。

　　第一章　概述及rcc的主要應用

　　第一節(jié)　概述

　　1.1 引言：

　　近年來，大摻量粉煤灰碾壓混凝土（high volume fly ash running compacted concrete 簡稱hvfarcc）已經日趨發(fā)展成熟，并逐步在我國的橋梁、道路、水利、港口等工程中得到了越來越廣泛的應用。

　　從hvfarcc的發(fā)展來看，二十世紀七十年代問世的水工碾壓混凝土筑壩技術和減水劑尤其是高效減水劑的普及是促進hvfarcc應用技術快速發(fā)展的兩個最主要的因素。

　　從開發(fā)hvfarcc的意義來看，它將普通混凝土、粉煤灰、和環(huán)保型低水泥用量混凝土的概念加以有機的結合，對于拓展三者的涵義，走新型建材、綠色建材的道路，具有重要意義。

　　從hvfarcc的效益來看，對于粉煤灰應用技術的提高，綜合利用效益的提高，供需雙方經濟效益的提高，環(huán)境保護力度的提高等方面均有顯著效果，粉煤灰混凝土不僅能節(jié)約水泥，還減少了細骨料，從而降低了混凝土成本，具有一定經濟效益，同時利用粉煤灰，可減少占地面積，可改善環(huán)境污染，因此，具有一定的經濟、技術、社會三重效益。

　　因此，hvfarcc的開發(fā)，是一條走“可持續(xù)發(fā)展”之路，走“綠色建材”之路的新型環(huán)?；炷恋募夹g路線的體現。為節(jié)約能源，改善環(huán)境和控制污染，高效消納工業(yè)廢渣走出了一條面面俱佳的新路。

　　1.2 定義

　　大摻量粉煤灰碾壓混凝土（hvfarcc）碾壓混凝土是和其他混凝土一樣，也是有水泥、摻和料、砂石、骨料、外加劑和水等材料組成，但各成分所占比例同常態(tài)混凝土有較大差別。目前，我國的摻和料主要是粉煤灰。大多數文獻認為hvfarcc的含義，是根據我國幾十年來在混凝土中粉煤灰取代水泥率15%左右而談的，即粉煤灰取代水泥率30%以上（含30%）配制的碾壓混凝土可稱為hvfarcc；但很多國家標準或規(guī)程都將粉煤灰摻量為40%做為上限，故本文根據我國經驗和習慣把粉煤灰含量在30%以上的定義為hvfarcc。

　　1.3 hvfarcc存在的問題

　　目前我國碾壓混凝土存在的主要問題是：

　　（1）碾壓混凝土拌和物的凝結特性適應工程建設要求的問題。

　　碾壓混凝土中摻用大量的摻和材料,而且一般都摻如入緩凝劑，因此，碾壓混凝土的初凝時間都比常態(tài)混凝土要長。

　?。?）進一步降低碾壓混凝土的絕熱溫升問題。

　　碾壓混凝土膠凝材料水化熱溫峰的推遲以及碾壓混凝土壩的連續(xù)鋪筑施工，使得碾壓混凝土壩利用表面散熱的效果極其有限。甚至沒有效果或出現溫度倒灌現象。如何進一步降低碾壓混凝土的絕熱溫升問題是碾壓混凝土進一步推廣的需要。

　?。?）劣質摻和材料的利用及替代材料的使用問題。

　　目前，我國碾壓混凝土中的摻和材料品種比較單一，除了云南大朝山壩以凝灰?guī)r及磷礦渣的混合物作為摻和材料外，其他碾壓混凝土均使用粉煤灰。對所用的粉煤灰一般的質量要求都要符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》dl/t5055——1996。在實際上都采用二級以上的，很少使用三級及其低于三級的。粉煤灰摻和料的替代品也是目前研究的熱點。

　?。?）碾壓混凝土的長齡期性能與耐久性問題。

　　低水泥用量、高粉煤灰摻量碾壓混凝土的早期強度較低，但隨著齡期的增長，強度得到發(fā)展，其他各種性能也有所變化。由于碾壓混凝土的發(fā)展僅僅二十多年，這種齡期較長的混凝土更長齡期的性能會是如何？這是一個很值得研究的問題。

　　綜合以上所述，本實驗主要探討：進一步增大水膠比、粉煤灰摻量的碾壓凝土的性能，主要是對它的抗壓強度性能的研究，即：在高水膠比、高粉煤灰摻量這種情況下，究竟強度低到哪種程度，來給它以量化。通過這種方法，以期達到降低混凝土內部的絕熱溫升；還主要討論這種低強度下它的利用價值之所在。并提出一些體會見解。

　　1.4 研究的現狀

　　hvfarcc對水泥、骨料無特殊的要求，基本與普通混凝土相同，為了配制性能良好的碾壓混凝土，hvfarcc需摻用高效減水劑。為使混凝土的拌和物具有一定的含氣量，改善混凝土的流動性，一般在摻高效減水劑的同時還要摻引氣劑。如果有較高早期或后期強度要求的還需要加入相應的激發(fā)劑。

　　一些文獻認為大摻量粉煤灰混凝土與普通混凝土在原材料方面最大的差別是要摻大量的粉煤灰。英國的dunstan認為，不是粉煤灰的質量，而是其質量的變異性才是最重要的。高摻量、低質量粉煤灰可以配制出性能良好的碾壓混凝土，只要其質量的變異性不是十分顯著。加拿大的malhotra用了美國8種高粉煤灰摻量、大水膠比配制了的碾壓混凝土，抗壓強度性能僅僅是我國現行規(guī)范的二級或三級標準。

　　更多文獻認為，高粉煤灰摻量的碾壓混凝土，粉煤灰對其強度的增長沒有多大作用，更多的是為了利用粉煤灰的防滲作用。故在我國，大多是：在水膠比（一般小于0.4）很小時才摻用高粉煤灰，在大水膠比（一般在0.4~0.7之間）時摻用不超過30%的粉煤灰，也就是低粉煤灰用量。

　　還有文獻認為，在碾壓混凝土中保證膠凝性的前提下，摻用大量的低質量粉煤灰，可以大大改善混凝土的抗侵蝕性。

　　部分文獻認為，hvfarcc中粉煤灰的細度對混凝土的流動性和強度有著較為顯著的影響，粉煤灰的細度較細時，混凝土的流動性和強度都有所提高。

　　第二節(jié) rcc的主要工程應用及歷程

　　2.1 早期的rcc的發(fā)展

　　碾壓混凝土是近幾十年發(fā)展起來的一種新型混凝土。它具有獨特的性能，未凝固前碾壓混凝土的性能與常規(guī)混凝土的性能完全不同，而凝固后有與常規(guī)混凝土的性能非常相近。

　　碾壓混凝土是將土石方施工機械容量大、速度快、大面積作業(yè)的優(yōu)點和混凝土強度高、耐久性強的特點融合到一體，從而達到快速經濟施工的目的。

　　為了使土石方施工機械能在混凝土面上作業(yè)，碾壓混凝土稠度又要很干，干到足以使推土機，振動碾、自卸汽車不下陷。碾壓混凝土比工業(yè)民用建筑上的干硬性混凝土還要干，是一種坍落度為零的超干硬性混凝土。用維勃儀來進行測定即：碾壓混凝土在一定頻率的維勃儀上震動，達到液化所需要的時間，定義為碾壓混凝土的稠度，又稱碾壓混凝土的工作度即vc值，單位為：秒（s）。從工藝學角度，經過振動碾碾壓的混凝土，只有壓實到接近密實容重，才具有結構設計所要求的強度、抗?jié)B性和抗凍性。

　　據各國資料統(tǒng)計，碾壓混凝土施工方法最多用于大壩工程和公路工程，經驗證明也是最經濟的方法。

　　2.2 rcc用于筑壩的發(fā)展

　　碾壓混凝土用于筑壩的思想是在1970年和972年美國工程基金會在美國加利福尼亞州阿斯勞瑪爾召開的兩次會議上提出的。在“碾壓混凝土快速施工”第一次會議上，拉菲爾（j．ｍ．ｒaphael）教授提出“最佳條件重力壩”論文。他是根據我國臺灣石門壩圍堰采用水泥砂礫土材料修筑的經驗提出來的，該圍堰高?。叮得?，是用土壩施工機械填筑和壓實。他提出了基于水泥土理論及應用的許多觀點。他建議使用高效率、大容量的土石方運輸機械和壓實機械施工，并用水泥、砂礫石混合料作為筑壩材料。他還認為，水泥固結砂礫石材料的抗剪強度較高，從而可以壩的斷面比典型的土石壩較??；因此使用類似于土石壩施工的連續(xù)澆筑的方法，與傳統(tǒng)的混凝土壩施工方法相比，能縮短施工時間并減少施工費用等。更重要的是能使工程提前產生效益。1972年，在阿斯勞瑪爾召開的“混凝土壩經濟施工”會議上，美國天納西流域管理局的羅伯特康農（rober w.cannon）發(fā)表了題為《用土料壓實方法建造混凝土壩》的論文，進一步發(fā)展了拉菲爾的設想。康農介紹了在泰斯.福特（tims ford）壩實驗塊上，無坍落度的貧混凝土用自卸車運輸、前端裝載機鋪筑，振動碾壓實的試驗結果。1973年，在第十一屆國際大壩會議上，莫法特（a.i.b.moffat）宣讀了題為《適用于重力壩施工的干貧混凝土研究》的論文。他推薦將早在20世紀50年代英國路基上使用的干貧混凝土用于修筑混凝土壩，用筑路機械將其壓實。他預計，壩高在40米以上的壩，將造價降低15%。

　　碾壓混凝土用于筑壩，于1960~1961年期間在我國臺灣省石門壩的心墻上曾用過。但對于碾壓混凝土壩的發(fā)展產生過重要影響的是巴基斯坦塔貝拉（tarbela）壩的遂洞修復工程。1974年，該壩的泄洪遂洞出口被洪水沖垮，修復工作必須在春季融雪之前完成，于是采用碾壓混凝土進行修復。在42天時間里鋪筑了35萬立方米碾壓混混凝土。舉世矚目的三峽工程三期碾壓混凝土圍堰工程自2002年12月16日施工以來，創(chuàng)造了5項世界紀錄：澆筑倉面面積世界最大，最大倉面達到19012平方米；月澆筑強度47．6萬立方米；碾壓混凝土日澆筑、班澆筑、小時澆筑量分別達到21066立方米、7438．5立方米、1278立方米，分別刷新了世界紀錄。這有力的證明了碾壓混凝土施工的快速性和我國在碾壓混凝土施工方面技術的先進性凝土，日平均鋪筑量8300余立方米，最大日鋪筑強度達1.8萬立方米。

　　碾壓混凝土筑壩從概念的形成到成為現實，僅僅用了不足十年的時間。1980年，第一座碾壓混凝土壩——日本島地川（shimajgawa）壩誕生。該壩高89米，上下游面用3米厚的常態(tài)混凝土做防滲或保護面層，壩體內部碾壓混凝土中膠凝材料用量為120千克每立方米，其中粉煤灰占30%。1982年，美國建成世界上第一座全碾壓混凝土重力壩——柳溪（willow creek）壩。該壩高52米，壩軸線長543米，不設縱橫縫。壩體上游面碾壓混凝土水泥用量為104千克每立方米，下游面碾壓混凝土膠凝材料用量為151千克每立方米，其中粉煤灰47千克每立方米，壩體內部碾壓混凝土膠凝材料用量僅為66千克每立方米，其中粉煤灰占19千克每立方米。該壩采用30厘米厚的薄層連續(xù)澆筑上升方法，在17個星期里完成33.1萬立方米碾壓混凝土的鋪筑，比常態(tài)混凝土重力壩縮短工期1~1.5年，造價僅相當于常規(guī)混凝土重力壩的40%、堆石壩的60%左右。柳溪（willow creek）壩的建設，充分顯示了碾壓混凝土壩所具有的施工快速和經濟的巨大優(yōu)勢。它的建成極大的推動了碾壓混凝土筑壩在世界各國的迅速發(fā)展。

　　表0-1 我國已/在建主要碾壓混凝土壩

　　序號　壩名　　　　　所在省　　　　壩高（m）　　　壩型　　　　　建成年份

　　1　　坑口　　　　　　福建　　　　　56.8　　　　　重力壩　　　　1986

　　2　　龍門灘　　　　　福建　　　　　57.5　　　　　重力壩　　　　1989

　　3　　天生橋二級　　　廣西、貴州　　61.7　　　　　重力壩　　　　1989

　　4　　馬回　　　　　　四川　　　　　27　　　　　　重力壩　　　　1989

　　5　　潘家口下庫　　　河北　　　　　25　　　　　　重力壩　　　　1989

　　6　　銅街子　　　　　四川　　　　　88　　　　　　重力壩　　　　1990

　　7　　萬安　　　　　　江西　　　　　68.0　　　　　重力壩　　　　1991

　　8　　巖灘　　　　　　廣西　　　　　111.0　　　　　重力壩　　　　1992

　　9　　水口　　　　　　福建　　　　　100.0　　　　　重力壩　　　　1993

　　10　　水東　　　　　　福建　　　　　63.0　　　　　重力壩　　　　1994

　　11　　觀音閣　　　　遼寧　　　　　　82.0　　　　　重力壩　　　　1995

　　12　　北龍灘　　　　廣西　　　　　　28.0　　　　　重力壩　　　　1996

　　13　　石漫灘　　　　河南　　　　　　40.0　　　　　重力壩　　　　1997

　　14　　石板水　　　　重慶　　　　　　83.0　　　　　重力壩　　　　1998

　　15 　　紅坡　　　　　云南　　　　　55.2　　　　　重力壩　　　　　1999

　　16 　　江埡　　　　　湖南　　　　　128.0　　　　　重力拱壩　　　2000

　　17　　龍首　　　　　甘肅　　　　　80.0　　　　　　雙曲拱壩　　　　2001

　　18　　沙牌　　　　　四川　　　　　129.0　　　　　　重力拱壩　　　2002

　　19　　回龍上庫　　　河南　　　　　54.0　　　　　　　重力壩　　　　2002

　　20　　回龍下庫　　　河南　　　　　53.5　　　　　　　重力壩　　　　2003

　　21　　流坡　　　　　安徽　　　　　101.0　　　　　　雙曲拱壩　　　在建

　　22　　龍灘　　　　　廣西　　　　　216.5　　　　　　重力壩　　　　在建

　　23　　毛壩關　　　　陜西　　　　　61.0　　　　　　重力拱壩　　　在建

　　24　　魚簡河　　　　貴州　　　　　81.0　　　　　　雙曲拱壩　　　在建

　　這項筑壩新技術很快引起了我國壩工界的重視。經過一年多的技術準備，1979年開始實驗室內試驗，1980年和1981年先后在四川省龔咀水電站的混凝土路面和預制構件場進行了現場碾壓試驗。1983年又在福建廈門機場工地進行室外大型碾壓試驗，此次試驗中，根據試驗新結果，將混凝土膠凝材料提高到152千克每立方米，其中摻用了50%的粉煤灰。混凝土的可碾性明顯得到改善，密實性、均勻性大有提高，抗壓強度普遍達到了設計要求，有的試件強度達到了24mp。

　　經過近20年的研究和建設實踐，我國已經形成適合國情的碾壓混凝土設計規(guī)范、碾壓混凝土試驗規(guī)程、碾壓混凝土施工規(guī)范及驗收規(guī)程等文件。碾壓混凝土壩的壩型已從重力壩逐漸擴展到重力拱壩和薄拱壩。已建成的普定壩是當時世界上已建成的最高碾壓混凝土重力拱壩；已建成的沙牌壩是目前世界上已建成的最高碾壓混凝土重力拱壩；已建成的龍首壩是目前世界上已建成的最高碾壓混凝土薄拱壩正在建的龍灘壩是當今世界上最高的碾壓混凝土重力拱壩；我國的碾壓混凝土筑壩技術已被世界同行專家認為具有世界領先水平。

　　2.3 碾壓混凝土筑壩的特點

　　碾壓混凝土是由水泥、摻和料、水、砂、石子、及外加劑等六種材料組成。我過碾壓混凝土由于摻用較大比例的摻和材料，故一般使用強度不低于32.5 mpa的普通硅酸鹽水泥。為了適應碾壓施工，碾壓混凝土拌和物屬于超干硬拌和物。拌和物粘聚性較差，施工過程中粗骨料易發(fā)生分離，為減少以至避免粗骨料分離現象，一般都限制粗骨料最大粒徑不大于80mm，且適應當減少最大粒徑級粗骨料所占的比例。砂中細粉（我國是指小于0.16 mm的顆粒）含量對改善碾壓混凝土的性能有不可忽視的作用。我國水利水電行業(yè)標準《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》推薦碾壓混凝土使用的人工砂中，細粉含量達到10~20%。為適用碾壓混凝土的連續(xù)、快速碾壓施工，一般不在碾壓混凝土中設置冷卻水管以降低碾壓混凝土的溫升。因此，碾壓混凝土中的水泥用量應盡可能的降低。但是，為了滿足施工對拌和物工作度及壩體設計對碾壓混凝土提出的技術性能要求，碾壓混凝土的水泥用量有不宜過小。這就存在矛盾。解決矛盾的可行而有效的方法是在碾壓混凝土中摻用較大比例的摻和材料。外加劑是碾壓混凝土必不可少的組成材料之一。碾壓混凝土中膠凝材料較少、砂率大，為了改善拌和物的施工性能，必須加入減水劑。減水劑的加入可以降低拌和物的vc值（vibrating compacted value，即在固定振動頻率及振幅，固定壓強條件下，拌和物從開始至表面泛漿時所需要的時間），改善其粘聚性或抗離析性能。碾壓混凝土大面積施工的特點，要求拌和物具有較廠的初凝時間，以減少冷縫的出現，改善施工層面的粘結特性，為此必須加入緩凝劑。在嚴寒的地區(qū)使用碾壓混凝土，還有必要考慮加入引氣劑，以提高碾壓混凝土的抗凍性能。由于碾壓混凝土拌和物的干硬性以及摻合材料的吸附性，因此碾壓混凝土拌和物摻入外加劑的量要略大于常態(tài)混凝土。

　　碾壓混凝土雖屬混凝土但又有別于常態(tài)混凝土。碾壓混凝土拌和物與常態(tài)混凝土拌和物比較，骨料用量多、水泥用量較少，雖摻用一定量的摻和材料，但膠凝材料漿用量仍較少。拌和物不具有流動性，坍落度為零粘聚性小，一般不泌水。拌和物在振動壓實機所施加的振動和動壓力作用下，膠凝材料漿由凝膠轉變?yōu)槿苣z（即發(fā)生液化）而具有一定的流動性。固相顆粒位置得到重新排列，顆粒之間產生相對位移，彼此接近。小顆粒被擠壓填充到大顆粒之間的空隙中，空隙里的氣體因受擠壓而逐漸逸出，拌和物逐漸密實。因此，碾壓混凝土拌和物的振動壓實既具有混凝土的基本特性，也具有土料壓實的一些特性。碾壓混凝土的特定施工方法要求拌和物必須具有適當的工作度——既能承受住振動碾在其上行走不陷落，又不能過于干硬，以免振動碾難于或無法將其碾壓密實。

　　碾壓混凝土與常態(tài)混凝土比較，技術性能有其明顯的特點：由于碾壓混凝土中摻有較大比例的摻和料，而多數摻和料早期水化反應較少，使硬化`碾壓混凝土的絕熱溫升明顯低于常態(tài)混凝土，最高溫升出現時間明顯推遲，溫降緩慢；碾壓混凝土的自生體積變形及干縮變形明顯小于常態(tài)混凝土。

　　在實際工程中碾壓混凝土的性能受到施工質量的影響較大。施工層面的粘結質量對碾壓混凝土的性能影響尤其突出。

　　2.4 碾壓混凝土在公路上的發(fā)展

　　碾壓混凝土的另一個廣泛應用領域是公路工程。碾壓混凝土路面的特點是承受車輛磨蝕；冬天承受凍融破壞和防冰化學劑作用；強度要求高，28天齡期抗壓強度30~40mpa，彎曲抗壓強度4.5 mpa；路面要求密實和平整。

　　早在第一次世界大戰(zhàn)前后，比利時、丹麥、德國、法國及其它一些歐洲國家已有人碾壓修筑了水泥混凝土路面。但是，由于當時具有的碾壓手段難以保證良好的工程質量，這種筑路技術未能得到發(fā)展。?

　　1973年和1979年的兩次石油危機，導致瀝青價格上漲，增加了水泥混凝土路面的競爭力，也重新喚起了人們研究開發(fā)碾壓混凝土路面的熱情。但是，由于設備條件的不完善和施工技術的成套性差，路面平整度等問題未能得到很好的解決，制約了碾壓混凝土路面的發(fā)展。80年代，振動壓路機和大型瀝青攤鋪機等強力筑路機械的發(fā)展，為保證碾壓混凝土路面的施工質量奠定了基礎，世界許多國家紛紛投入力量加強碾壓混凝土路面的研究開發(fā)，碾壓混凝土路面施工技術進入了空前的發(fā)展階段。?

　　我國是從80年代初開始進行碾壓混凝土路面研究的。1981年安徽省公路局開始進行室內試驗，1982年鋪筑第一段試驗路。1983年、1984年，安徽省公路局和交通部公路科學研究所及江蘇省交通廳合作，進行了擴大試驗，取得了不少研究成果。1988年開始的國家科技工作引導性項路面發(fā)展對策及修筑技術研究》中，又組織江蘇省公目《我國水泥混凝土路局、山西省公局和河南省交通廳等單位對碾壓混凝土路面修筑技術進行了研究。從施工機械來看，當時進口的大型瀝青攤鋪等機械還比較少，即使擁有這些機械的單位一般也不愿用來鋪筑碾壓混凝土路面，只能采用人工或小型機械施工，路面質量難以提高。因此，這一時期的研究成果主要為采用人工或中小型配套機械施工的各種復合式碾壓混凝土路面或用于較低等級公路的全厚式碾壓混凝土路面施工技術。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，進口的高密實度攤鋪機、振動壓路機等大型設備越來越多，國內的一些筑路機械生產廠家也紛紛研制或引進技術生產施工機械，因此公路工程單位的大型機械保有量迅速增加，再加上京津塘高速公路等一些工程明確規(guī)定水泥穩(wěn)定基層必須采用“廠拌機鋪”，改變了一些工程技術人員的認識，從而為我國高等級公路碾壓混凝土路面施工中采用高密實度攤鋪機等大型機械創(chuàng)造了條件。1991年在國家“八五”重點科技項目(攻關)《高等級公路水泥混凝土路面材料及應用開發(fā)研究》中，交通部組織交通部公路科學研究所、山西省交通廳和廣西壯族自治區(qū)交通廳等單位進行了碾壓混凝土路面成套技術的研究，以應用于高等級公路為目標，從材料、施工技術、抗滑技術、接縫技術等方面進行了系統(tǒng)研究，在路面平整度、抗滑及接縫等方面取得了突破性進展，并取得了一系列配套成果，初步形成了高等級公路碾壓混凝土路面施工成套技術。[Page]

　　1976年加拿大首次在不列顛哥倫布比亞省鋪筑碾壓混凝土路面70000平方米。很快，這項技術得到推廣，主要用于重載路面。美國軍部工程師?