堆石混凝土技术的新进展

堆石混凝土技术的新进展周虎清华大学水利水电工程系1/1/20241主要内容前言堆石混凝土技术的概念与优势堆石混凝土技术研究发展现状堆石混凝土的室内试验成果堆石混凝土技术应用实例1/1/20242混凝土的主要施工方式常态混凝土：震捣、冷却水管等工序多，水化热高，温控复杂，容易开裂，成本高混凝土砌石、埋石混凝土：技术要求低，材料成本低，适合中小型工程，但机械化程度低，质量控制难，人工成本越来越高，逐渐淘汰碾压混凝土：要求大仓面，重型机械，仅适合大中型工程，但超高坝仍然有技术困难自密实混凝土：新技术，施工方便，但水化热高，温控困难，成本高，难以适应大体积混凝土1/1/20243研究的动力现状：超高坝采用常态混凝土大中型工程越来越多采用碾压混凝土有没有可能有一种新的适应中小型工程的混凝土筑坝方式：施工技术要求简单，质量容易控制：取消震捣、温控施工速度快，能够发挥效应：充分发挥机械作业施工成本低，容易推广：减少水泥用量适应面广：大小仓面都可以应用1/1/20244研究思路混凝土基本概念：强度和水灰比有关，而在一定范围内和水泥用量无关提高混凝土经济性的核心碾压混凝土RCC减少用水量增加骨料用量埋石混凝土等4级配混凝土减少水泥用量其他途径？1/1/20245主要内容前言堆石混凝土技术的概念与优势堆石混凝土技术研究发展现状堆石混凝土的室内试验成果堆石混凝土技术应用实例1/1/20246自密实混凝土的特点自密实混凝土SCC：Self-CompactingConcrete是指在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅靠混凝土自重就能完全填充模板内任何角落和钢筋间隙的混凝土。要求：高流动性高抗分离能力优点：高密实度：高耐久性简化施工：高可靠性低噪音：环境友好1/1/20247堆石混凝土技术的概念自密实混凝土一般用于高标号的钢筋混凝土价格水泥量大：水化热高粉体量大：容易开裂低水化热低成本自密实混凝土开发基础上发明堆石混凝土1/1/20248堆石混凝土将堆石直接入仓，然后浇筑专用的自密实混凝土，利用其高流动性能，填充到堆石的空隙中，形成完整、密实、低水化热的大体积混凝土。SCCSCC中的骨料堆石SCC堆石混凝土大坝施工方法，ZL03102674.5普通型堆石混凝土施工方法，ZL200710100315.3抛石型堆石混凝土施工方法，ZL200710121791.31/1/20249堆石混凝土的优势低水泥用量与低水化热高密实度与高强度保证率显著提高工效，缩短工期显著降低施工成本良好的体积稳定性层间抗剪能力强，简化凿毛工序工程应用实例表明：技术先进，适应面广1/1/202410主要内容前言堆石混凝土技术的概念与优势堆石混凝土技术研究发展现状堆石混凝土的室内试验成果堆石混凝土技术应用实例1/1/202411堆石混凝土技术的发展情况申请授权国家发明专利3项通过水利部科技成果鉴定（2008）水利部重点科技推广项目（2008~2011）开展堆石混凝土技术专项研究沙坪二级水电站堆石混凝土综合性能试验研究（2008~2009）藏木水电站堆石混凝土应用课题研究（2010~2011）水利部立项编制《堆石混凝土与胶凝砂砾石筑坝新技术导则》（2009~2012）至2010年已在国内10余个工程中成功应用近30万方堆石混凝土1/1/202412国际有关媒体的报道日本土木工程学会杂志封面报道1/1/202413国际水电与大坝建设杂志2008年4月期

封面报道1/1/202414堆石混凝土技术成果鉴定会1/1/202415水利部鉴定2008年4月14日水利部国际合作与技术司在北京组织了堆石混凝土技术鉴定会，高波司长主持鉴定组主任委员：潘家铮（两院院士）

鉴定组副主任委员：刘宁（水利部总工程师）鉴定组成员高安泽，汪易森，刘志明，李春敏，马毓淦，朱新民1/1/202416鉴定结论：创新点该成果属于原创性的新技术，具有完全的自主知识产权，其主要创新点如下：1、堆石混凝土技术通过大量块石的使用，堆石含量可达到55％以上，水泥用量少，工程实测的大体积混凝土实际水化热温升仅为常态混凝土的1/2左右，在施工过程中可以简化温控措施。形成的大体积混凝土结构收缩小，具有较强的抗裂能力。2、堆石混凝土施工层面有大量的块石棱角裸露，可提高层间抗剪能力。3、堆石混凝土施工工艺简单。所使用的机械设备均为常规设备，节省了混凝土的生产和浇筑量，免除了振捣工序，简化了层面处理措施，从而显著提高工效，缩短工期，大幅度降低工程造价。1/1/202417鉴定结论堆石混凝土技术已应用于北京军区某蓄水建筑物重力坝、宝泉抽水蓄能电站上库副坝及冲沟回填、向家坝水电站沉井群回填等工程，取得了成功的经验，效益显著。该技术成果的推广应用，将有力推动我国中小型水利工程及其它大体积混凝土施工技术的发展，具有广阔的应用前景。综上所述，该项研究成果总体上达到国际先进水平；在堆石混凝土筑坝技术方面达到国际领先水平。1/1/202418水利规划总院技术导则2009年12月23日，水规总院主持审查《堆石混凝土与胶凝沙砾石筑坝技术导则》编制大纲专家组组长：潘家铮，副组长：徐麟祥1/1/202419建立筑坝技术完备体系土石坝，堆石坝土石料台型坝CSG砌石坝：浆砌石、混凝土砌石埋石、毛石混凝土混凝土坝：堆石混凝土碾压混凝土常态混凝土各种混合坝型1/1/202420主要内容前言堆石混凝土技术的概念与优势堆石混凝土技术研究发展现状堆石混凝土的室内试验成果堆石混凝土技术应用实例1/1/202421堆石混凝土的实验室研究浇筑性能试验强度试验抗压抗拉强度变化抗渗试验水化热温升

……1/1/202422C50堆石混凝土试验1/1/202423试件龄期(d)均值(MPa)标准差(MPa)强度等级(MPa)1#试件

堆石混凝土741.152.5336.981443.002.3039.302855.962.2052.331#试件自密实混凝土744.65－40.801448.90－47.002852.10－51.302#试件

堆石混凝土739.703.0934.601443.702.8039.002854.302.5050.102#自密实混凝土试块741.95－38.001447.40－42.002850.95－49.00强度试验结果表明：堆石混凝土可以达到C50强度等级，略高于相应专用自密实混凝土强度1/1/202424强度随距离的变化在一定范围内，专用自密实混凝土在堆石空隙中的流动对堆石混凝土性能影响很小1/1/2024251#试件弯曲强度试验抗拉强度：2.08MPa1/1/202426荷载－变形特性计算40％极限荷载弹模挠度计算：22.0GPa应变计算：24.1GPa1/1/2024271#试件断面断面平整填充密实部分骨料断裂1/1/202428C20堆石混凝土施工验证试验目的：北京军区工程正式实施前的验证施工工序，密实度，强度1/1/202429试验过程1/1/202430堆石混凝土切块后证实其内部致密,与堆石粘结紧密试件切块1/1/202431强度试验堆石混凝土强度略高于相应专用自密实混凝土强度1/1/202432抗渗试验试件位置普通部位冷缝热缝抗渗等级W35W14W31施工良好的堆石混凝土具有优异的防渗性能1/1/202433沙坪工程试验成果抗压强度（大、小试件）弹模（大试件）抗拉强度（大、小试件）绝热温升（大、小试件）抗渗（大试件，资料整理中）大剪500×500×500mmΦ450×900mm1/1/202434抗压强度试验堆石率约45％SCC标准试块强度：23.5MPaSCC,RFC大试件强度500×500×500mmSCCRFC114.7MPa21.2MPa214.7MPa16.5MPa314.2MPa19.5MPa均值14.5MPa19.1MPa1/1/202435试件尺寸效应和强度对比SCC-standardSCCRFC均值23.5MPa14.5MPa19.1MPa试件尺寸效应100%61.7%——SCC&RFC关系——100%130.7%1/1/202436弹性模量试验Φ450×900mm试件编号试件尺寸(mm)含石率(%)弹性模量(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抗拉强度500mm×500mm×1000mmSCC-standardSCCRFC均值1.62MPa0.92MPa0.88MPa试件尺寸效应100%56.8%——SCC&RFC关系——100%95.7%1/1/202438绝热温升试验换算成堆石率55％堆石混凝土，绝热温升为14.2度堆石混凝土温度基本均匀1/1/202439主要指标汇总抗压强度（MPa）抗压弹性模量（GPa）抗拉强度（MPa）SCC标准试件23.521.01.62SCC大试件14.527.90.92RFC大试件19.138.50.88部位堆石露出情况龄期fc堆石混凝土冷缝5~10cm52~57d1.711.59MPa绝热温升：14.2C1/1/202440堆石混凝土试验的基本结论自主研发的低水化热低成本专用自密实混凝土完全能够填充堆石空隙，形成完整、密实、粘接良好，满足强度、抗渗性能要求，具有低水化热特性的堆石混凝土1/1/202441堆石混凝土综合性能汇总堆石混凝土全尺寸系列试验（C15、C25）抗压强度：fcRFC/fcSCC=1.3~1.5抗拉强度：ftRFC/ftSCC=0.9抗压弹模：EcRFC/EcSCC=1.3抗剪断参数：f=1.71c=1.59MPa绝热温升：14.2~16.1℃渗透系数：10-11m/s1/1/202442主要内容前言堆石混凝土技术的概念与优势堆石混凝土技术研究发展现状堆石混凝土的室内试验成果堆石混凝土技术应用实例1/1/202443堆石混凝土工程应用实例河南宝泉抽水蓄能电站上库副坝及回填金沙江向家坝水电站沉井群混凝土回填山西清峪水库重力坝山西恒山水库加固新疆公路、铁路工程应用沙坪二级水电站西藏藏木水电站1/1/202444工程实例：宝泉抽水蓄能上库装机容量120万kW的大型抽水蓄能电站首先进行了堆石混凝土现场试验试验成功以后，目前已使用近5万m3上库副坝，坝高36.9m，坝顶长196.5m上库冲沟处理副坝冲沟1/1/202445试验场地试验仓面约为60m2仓面宽约6m长约10m试验共计2仓堆石混凝土，每仓高约1m。有效试验面积1/1/202446用反铲浇自密实混凝土1/1/202447浇筑完成后的情况1/1/202448浇筑完成后的检查挖坑检测钻孔取芯压水试验1/1/202449挖坑的位置1/1/202450挖坑1/1/202451放大1/1/202452检测结果试验项目1#坑数据2#坑数据平均值胶凝材料密度kg/m3231023102310石料密度kg/m3277027702770胶凝材料体积率%50.442.046.2石料体积率%46.051.348.7砌体干密度kg/m3243823922415砌体空隙率%3.66.75.2执行标准SD120-84合格标准砌体干密度大于2350kg/m3。1/1/202453压水试验共进行2孔压水试验1＃孔：0.88Lu2＃孔：1.77Lu平均：1.33Lu1/1/202454现场试验结论宝蓄工程现场条件已具备进行堆石混凝土的生产，而且，有较大的改进空间。试验结果表明，在保证施工组织、管理和质量控制的条件下，使用堆石混凝土可以保证质量，加快施工速度，降低造价，有良好的经济效益。1/1/202455副坝浇筑部位

775m

777m

779m1/1/202456SCC生产SCC运输堆石运输堆石体平仓SCC浇筑1/1/202457宝泉上库副坝的施工情况1/1/202458宝泉上库冲沟处理施工1/1/202459副坝及冲沟探坑检测情况干容重kg/m3：2401,2409,2418,2395石料体积含量%：53.2,52.4,54.8,55.9混凝土体积含量%：42.8,45.2,43.6,41.6SCC密度kg/m3

：2310,2300,2310,2315空气体积含量%：4.0.4.0,1.6,2.5全部符合设计要求1/1/202460冲沟机口检测C10，9组（MPa）：14.6，12.9，12.5，12.6，12.7，12.1，10.8，12.2，11.8完全满足设计要求1/1/202461建成的副坝1/1/202462应用情况宝泉抽水蓄能有限公司的评价：堆石混凝土施工技术的应用有效地保证了施工质量，简化了施工质量控制；通过现场的探坑、钻孔取芯和压水试验等检测证明了堆石混凝土具有优良的密实度和抗压强度以及良好的抗渗性能。堆石混凝土施工技术能够提高工效，降低成本的特点也在宝泉工程的应用中得到了明显的体现。1/1/202463工程实例：向家坝沉井群向家坝工程是长江干流的重大工程向家坝工程的10个沉井组成的沉井群是国内最大的沉井群，回填混凝土超过8万m3沉井前期为一期围堰挡土，后期是二期围堰的一部分挡水为了在沉井回填中使用堆石混凝土，进行了堆石混凝土试验采用了两种堆石混凝土普通堆石混凝土：先堆石＋高流动自密实混凝土抛石堆石混凝土：抗离析自密实混凝土＋后抛石一期土石围堰二期纵向围堰下游段沉井群上坝公路金沙江水流方向1/1/202464试验向家坝堆石混凝土试验1/1/202465检测结果

机口C15混凝土拌和性能及力学性能检测砼类别控制扩展度（cm）扩展度（cm）砼温度（

C

）抗压强度（MPa）7d28d高流动型自密实砼630~6806608.07.317.5抗离析型自密实砼550~6006008.58.118.41/1/202466钻孔取芯芯样获得率平均达97.9%块石与混凝土胶结紧密，芯样完整，光滑堆石混凝土容重明显大于普通混凝土，强度显著超强孔号钻芯日期检测日期龄期（d）容重(kg/m3)强度(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水化温升试验中，实际水化温升最高仅10C堆石砼温度时间对比曲线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向家坝沉井施工回填全部采用抛石型堆石混凝土最大高度57.4m共使用堆石混凝土约7万m31/1/202469混凝土拌和楼9#沉井石料场石料场石料冲洗区SCC石块井口施工区1/1/202470施工过程：SCC1/1/202471施工过程：堆石1/1/202472应用结果三峡公司向家坝项目部的评价密实度好，容重和抗压强度满足设计要求水化温升低，实际回填实测最大水化热温升7.1C施工速度快，单个沉井施工期从20－30天缩短为5－7天施工工艺简单，综合成本低于素混凝土1/1/202473工程实例：清峪水库坝高42.3m，混凝土总方量近70000m3。2009年3月底开始大坝堆石混凝土施工1/1/202474部分施工照片1/1/202475堆石入仓1/1/202476自密实混凝土浇筑1/1/202477挖坑检测成果堆石总质量（kg）SCC总质量（kg）总体积（m3）堆石混凝土密度（kg/m3）SCC体积率1531.201113.811.052519.0644.8％1/1/202478压水试验检测成果1＃孔压力P（MPa）压入流量Q（L/min）透水率q(Lu)0.1000.2000.30.1570.630.40.3141.180.50.6281.512＃孔0.50.2761.13＃孔0.50.7851.831/1/2024792009年11月施工面貌1/1/202480清峪水库枢纽工程RFC大坝形象进展图截止2009年11月19日共计完成：堆石混凝土（RFC）26514.37方；自密实混凝土（SCC）12429.2方；浇筑高程达838.21（坝顶高程856.8），已浇筑完成最大坝高24.21m。在天气、施工条件有保证的情况下月浇筑工程量可达6000方以上，如图所示六月及九月。1/1/202481清峪水库蓄水状况（2009年9月）1/1/202482上游俯瞰1/1/202483工程实例：恒山水库加固中国最早的双曲拱坝之一病险坝加固，约45000m3混凝土2009年4月底开始堆石混凝土施工1/1/202484拱冠梁全面加固断面新老混凝土接触面温度应力？全面采用堆石混凝土1/1/2024851/1/2024861/1/2024871/1/2024882009年9月底浇筑进度1/1/202489工程实例：新疆公/铁路工程国道217线挡土墙试验阜康－天池挡土墙试验赛－果高速公路工程兰－新铁路工程1/1/202490工程实例：石龙沟拱坝最大坝高44.90m坝体工程量约2.6万m3试验分2层进行，每层厚度约1m称重，确定混凝土比例测量温升强度、密实度检测抗渗性能检测1/1/202491试验简况1/1/202492配合比强度与抗渗性能SCC1：13.97MPaSCC2：15.23MPaSCC3：15.97MPa，W81/1/202493试验结果容重：平均2494kg/m3强度：平均17.39MPa实测温升：4.4C声波：4100m/s，反映堆石混凝土中无明显缺陷，SCC与块石间胶结好，密实程度较好1/1/202494山西千山项目1/1/202495沙坪二级水电站大渡河干流，电站装机容量345MW，多年平均发电量16.26亿kWh枢纽建筑物主要由泄洪闸、排污闸、左右岸连接坝段、河床式厂房等建筑物组成最大坝高63.00m1/1/202496藏木水电站雅鲁藏布江干流第一个水电站，最大坝高116m，电站装机容量540MW建筑材料匮乏石粉代替粉煤灰技术可能采用RFC部位：公路挡墙，挡渣墙导流渠底板下部坝体回填1/1/202497挡墙现场试验1/1/202498芯样照片1/1/202499挡墙现场试验1/1/2024100省份工程名称最大坝高应用部位应用方量进展情况北京市北京军区某部蓄水池工程14m重力坝坝体0.2万方2005年竣工河南省国网宝泉抽水蓄能电站39.5m重力坝副坝坝体、冲沟回填5.5万方2007年竣工四川省向家坝水电站沉井回填7万方2008年完成山西省清峪水库42.8m坝体3万方2010年资金原因停工山西省围滩水电站57.5m坝体4.1万方2010年竣工山西省恒山水库加固工程69m加固坝体3.7万方2010年竣工广东省长坑三级水库24.7m坝体1.7万方建设中，2011年竣工西藏自治区藏木水电站116m消力池、厂房基础等约20万方2010年完成现场试验，2011年底浇筑RFC四川省沙坪二级水电站61m覆盖层置换约12万方2011年进行现场试验云南省红石岩水库62.1m重力坝坝体约10万方计划于2011年施工河北省鸽子洞水电站39m重力坝坝体约12万方2010年通过初设审查堆石混凝土工程应用情况1/1/2024101围滩水电站恒山水库长坑三级水库1/1/2024102部分工程检测情况河南省国网宝泉抽水蓄能电