【文章內容簡介】 用量達到了188 kg/m，石子級配為50∶50，外加劑摻量較高，除提高減水率之外，極大地延長了碾壓混凝土的初凝時間，使層面能夠塑性結合，提高了層面抗剪及抗?jié)B能力，混凝土的VC值明顯下降至10177。5 s，從而提高了碾壓混凝土的和易性和可碾性；首次提出要充分利用人工砂中 mm以下的石粉， mm以下與水泥細度相當的部分，作為碾壓混凝土的惰性混合材，以提高碾壓混凝土的可碾性、出漿率，從而提高其抗?jié)B性和層面結合性能；首次關注到碾壓混凝土自身收縮性能，希望能夠通過外摻MgO 和提高水泥中的MgO 含量，達到使碾壓混凝土自身體積變形呈微膨脹型，以補償部分溫降收縮，從而提高碾壓混凝土的抗裂能力，由于研究時間太短，該技術僅在壩體強約束區(qū)墊層混凝土中應用。為提高層面結合能力，防止層面滲漏，還采用了在上游迎水面二級配混凝土區(qū)層面鋪小水膠比的水泥粉煤灰凈漿，在該壩施工后期，逐漸發(fā)展成在迎水面防滲二級配混凝土加凈漿、用插入式振搗器振搗的變態(tài)混凝土技術。在原材料上選用了MgO 含量較高的純硅酸鹽水泥，水泥廠家不需摻用混合材，而是在配合比設計中提高混合材摻量來降低水泥的水化熱溫升。在三級配碾壓混凝土配合比中，除適當放大水膠比，降低用水量，減少膠材用量，適當提高摻和料比例之外，其他要求和迎水面二級配混凝土一樣。其配合比用水量為84 kg/m，水泥用量僅為54 kg/m，膠凝材料用量為153 kg/m，較天生橋二級水電站三級配混凝土140 kg/m 的膠凝材料用量有較大幅度的提高。正是由于在碾壓混凝土筑壩材料方面采取了綜合技術措施，保證了碾壓混凝土本體的抗?jié)B性能，提高了層面結合性能，使得我國第一座全斷面碾壓混凝土拱壩，在上游面不另設防滲層的情況下，達到了防裂、防滲、層面結合良好的目標。(c)石門子水庫和龍首拱壩工程20 世紀90 年代末期建設的新疆石門子水庫和甘肅龍首碾壓混凝土拱壩，是我國碾壓混凝土筑壩技術由溫和、濕潤的南方地區(qū)發(fā)展到干燥、溫差極大、氣溫很低的北方地區(qū)的典型代表。在這個過程中，碾壓混凝土筑壩材料技術得到進一步發(fā)展，除成功運用前述材料技術之外，采用了外摻MgO 技術和提高碾壓混凝土抗凍耐久性技術，并且解決了西北戈壁灘天然砂料細度模數大、缺少細顆粒（新疆石門子水庫），天然砂細度小且混有超細土粒（甘肅龍首水電站），導致混凝土用水量偏高的技術問題。這兩個工程碾壓混凝土材料研究中，充分繼承了普定工程的成熟技術，其配合比特點鮮明：（1）采用低水膠比，大摻量粉煤灰，大摻量引氣劑聯合摻用，研究提高碾壓混凝土耐久性，掌握其變化規(guī)律，總結了在高摻粉煤灰情況下，如何才能有效提高碾壓混凝土的抗凍耐久性，并成功地將碾壓混凝土抗凍耐久性由50 次或100 次提高到300 次。（2）成功地在干燥、嚴寒、溫差大的自然條件下采用外摻MgO 技術，均外摻MgO 4%左右，以部分補償碾壓混凝土的收縮，減少了混凝土的裂縫。（3）對如何在干燥、高蒸發(fā)地區(qū)有效延長碾壓混凝土的初凝時間進行了研究，提出外加劑相關類型及摻量對緩凝時間的影響成果，在配合比設計中，選用了能有效延長緩凝時間的外加劑，并根據工程實際進一步降低混凝土出機口VC 值，由最初的7～8 s 降低至3～5 s。這有賴于外加劑技術的不斷進步，減水率的不斷提高，可以在保持用水量不變、膠凝材料總量不變的條件下，充分降低VC 值，直至倉面不陷碾。VC 值降低后碾壓混凝土含氣量有所提高，也有利于提高碾壓混凝土的耐久性。（4）～，細顆粒含量為5%～20%，通過對砂子品質對碾壓混凝土的影響進行深入研究，進一步揭示了砂子品質對碾壓混凝土各項性能的影響。（5）將普定水電站工程后期總結的變態(tài)混凝土技術成功運用在這兩個工程上，專門進行了變態(tài)混凝土配合比及其性能的研究，并且在溫控計算中，考慮了變態(tài)混凝土對壩體熱學性能、力學性能的影響，工程實際應用是成功的。（6）研究了迎水面防滲混凝土采用超富膠凝材料的三級配混凝土取代富膠凝材料的二級配碾壓混凝土的可能性。由于上述材料技術的綜合應用，碾壓混凝土筑壩技術由南方向北方發(fā)展取得了成功，這是我國碾壓混凝土筑壩材料技術發(fā)展的又一大進步。(d)索風營等工程進入21 世紀之后，由于水電建設的快速發(fā)展，碾壓混凝土筑壩技術在我國也得到了迅速發(fā)展，已成為國內主流壩型之一。僅在貴州省就有烏江索風營水電站、思林水電站、沙沱水電站、息烽魚簡河水電站、清水河大花水水電站（ m 高的碾壓混凝土拱壩）、格里橋水電站、北盤江光照水電站（高達200 m級的碾壓混凝土重力壩）等多個工程在進行建設。這些工程有的已施工完成，有的正在施工，已取得部分成果。這些工程更進一步完善了碾壓混凝土筑壩材料技術，其配合比設計具有以下特點：較低的水膠比，迎水面防滲二級配混凝土具有超富膠凝材料總量，用水量適中，由于外加劑的效果較前幾代產品更好，因而強緩凝型減水劑的摻量有所下降，但仍保持較低的VC 值，一般控制在3～5 s 左右，經運輸、攤鋪損失后倉面VC 值仍可保持在5～7 s，可碾性非常好，強度保證率很高，超強較多，均可滿足南方地區(qū)抗凍耐久性達到F100 或F150 的要求。對人工砂的細度模數要求更高， 左右，級配、粒徑分配更好，充分重視砂中細顆粒含量的利用，由于外加劑減水作用增強，砂中細顆粒含量增加后，用水量并無明顯增加，但其可碾性、施工和易性、層面結合性能等得到了大幅提高。在水泥選擇上，一般選用普通硅酸鹽水泥而很少選用中熱水泥，主要是由于中熱水泥的強度大都偏低，通過熱強比計算可知，中熱水泥的熱強比并不比普通硅酸鹽（或硅酸鹽）水泥低，綜合分析采用中熱或低熱水泥并不經濟，而且碾壓混凝土本身的水泥用量并不高，因此沒有刻意追求低熱性能。普遍重視碾壓混凝土材料的自身體積變形性能，選用收縮比較小或有補償收縮作用的水泥，或外摻MgO 等其他補償收縮材料，配合比中充分重視變態(tài)混凝土配合比的研究，將變態(tài)混凝土的各項性能參數納入溫控防裂計算之中。 碾壓混凝土筑壩材料的發(fā)展趨勢從20 世紀80 年代中期至21 世紀，碾壓混凝土筑壩材料在我國經歷了20 多年的發(fā)展和進步，已日趨成熟和完善。雖然近期碾壓混凝土筑壩材料出現了兩個新的研究方向：一是對骨料要求很低、簡易拌和、水泥和膠凝材料的用量很少、對材料幾乎沒有防滲要求的新型碾壓筑壩材料；二是提高最大骨料粒徑的四級配碾壓混凝土筑壩材料，但到目前還沒有在主體工程中應用的實例。因此，總結碾壓混凝土發(fā)展歷程，從目前的技術和發(fā)展看，碾壓混凝土筑壩材料在性能上仍然以防裂、防滲、層面結合良好為追求目標，配合比研究及參數選擇上，將更加側重以下幾方面的研究：（1）迎水面防滲、耐久性要求高的混凝土仍將選擇較小的最大骨料粒徑，低水膠比和合適的摻和料品種及摻量。（2）成功應用變態(tài)混凝土之后，將會進一步研究提高碾壓混凝土級配，在可能的條件下將會研究采用三級配變態(tài)混凝土代替二級配變態(tài)混凝土作為迎水面防滲層。（3）仍將十分重視碾壓混凝土砂石骨料性能的選擇，特別是石子級配，砂子顆粒級配、細度模數和細顆粒含量的選擇。（4）摻和料除粉煤灰外，將會進一步擴大研究高爐磷渣、錳渣及其他礦物廢棄料作為摻和料的可能性及其性能。5（5）在外加劑的選擇上，仍將以強緩凝性的減水劑和引氣劑聯合摻用，以降低混凝土用水量，延長碾壓混凝土的初凝時間，提高碾壓混凝土的耐久性和層面結合性能。（6）更加注重碾壓混凝土自身體積變形性能的研究，將更多采用混凝土補償收縮材料，增加分縫分塊尺寸，擴大一次性澆筑面積，為進一步提高施工速度創(chuàng)造條件。（7）VC 值將會以倉面碾壓不陷碾為控制條件，新拌碾壓混凝土出機口VC 值將會控制在3～5 s 甚至更低的水平。（8）為了延長北方嚴寒地區(qū)施工時間，將更加注重碾壓混凝土材料在負溫下的施工技術研究，以便能夠利用北方冬季的部分時段繼續(xù)施工，進一步提高碾壓混凝土施工速度。（9）碾壓混凝土的骨料選擇從灰?guī)r骨料向玄武巖、輝綠巖、變質巖骨料發(fā)展。（10）進一步加深石粉對碾壓混凝土性能影響的研究。碾壓混凝土壩由于在施工過程中層層碾壓,因而存在眾多的施工層面. 與普通混凝土壩相比,碾壓混凝土壩的碾壓層本體與常規(guī)混凝土壩的滲漏性態(tài)相似,而碾壓層的施工層面則與常規(guī)混凝土壩的滲漏性態(tài)相差較大,因此,在建立碾壓混凝土壩滲漏安全監(jiān)控模型時要綜合考慮碾壓層本體和施工層面不同的滲漏特性. 對于碾壓混凝土壩壩體,庫水位、溫度以及時效的變化是影響大壩滲漏的重要因素 . 庫水位及溫度的變化引起壩體孔隙水壓力及滲漏量的變化。隨著時間的推移,大壩的滲漏狀態(tài)也會發(fā)生改變. 而庫水位、溫度變化作用的效應各異. 通過監(jiān)測壩體溫度場的資料可直接反映溫度變化對大壩滲漏狀態(tài)的影響,但庫水位變化對大壩滲漏狀態(tài)的影響存在滯后效應. 大壩的滲漏狀況不但受到分析時刻對應水壓作用的影響,而且還受到前期水壓作用的影響. 大壩滲漏分析表明,庫水位變化對大壩滲漏狀態(tài)影響的滯后效應作用機理比較復雜,歸納起來主要有以下幾點原因:(a) 滲流場內的水壓力傳遞時間與滲漏場介質的物理特性有關. (b) 大壩運行過程中,庫水位是連續(xù)變化的,壩體滲流場是庫水位變動時非穩(wěn)定滲流瞬時狀態(tài)的反映,庫水位變化對碾壓混凝土壩滲漏狀態(tài)影響的滯后效應機理十分復雜,一般難以用常規(guī)的數學模型方法求得大壩的滲漏滯后時間,通常采用大壩滲漏監(jiān)測量的過程線與庫水位變化過程進行類比的方法來粗略確定兩者相位之差(即兩者出現的峰谷時間差) 作為滯后時間. 本文針對這一問題,結合碾壓混凝土的自身特點,在常規(guī)分析方法的基礎上,提出庫水位滯后影響函數,并根據碾壓混凝土壩壩體的實際滲漏監(jiān)測資料,建立能反映滯后效應的碾壓混凝土壩滲漏安全監(jiān)控模型 碾壓混凝土的力學性能Neville和Kaplan首次把斷裂力學概念應用于碾壓混凝土，進行了斷裂韌度試驗。這在當時就引起了學術界的注意和重視。從此，有關碾壓混凝土斷裂力學的研究逐漸增多，積累了大量寶貴資料。起初只是模仿研究金屬材料所采用的方法，但由于混凝土是由水泥、砂子、石子等經過化學反應而生成的多相的復合材料，其內部結構很復雜，因而其破壞機理也很復雜，因此隨著研究工作的不斷深入，舍棄了不符合碾壓混凝土特點的一些基本假定、理論及試驗方法，采用了能反映碾壓混凝土本身特點的新假定、新理論及新的試驗方法，從而逐漸形成了斷裂力學在非金屬方面的又一分支—混凝土斷裂力學。1973年第三屆國際斷裂力學會議曾設專題研究碾壓混凝土斷裂力學，此后每屆國際斷裂力學會議都有有關碾壓混凝土斷裂力學的文章。國際結構與材料研究所聯合會也于1979年舉行了第一次碾壓混凝土斷裂力學專題討論會，交流了在碾壓混凝土斷裂力學方面的研究成果和最新進展。由于線彈性斷裂力學發(fā)展得比較成熟，碾壓混凝土斷裂韌度是混凝土斷裂力學的基礎，因而國外早先的研究工作主要是測定碾壓混凝土線彈性斷裂韌度或臨界能量釋放率。但研究者都在實驗中發(fā)現，采用線彈性斷裂力學公式用最大荷載和初始縫長求得的或存在著明顯的尺寸效應。這引起了人們的普遍關注和重視，進而開展的研究工作充分證實了碾壓混凝土斷裂韌度或存在的尺寸效應現象。目前，對碾壓混凝土斷裂韌度的尺寸效應現象尚未有令人滿意的解釋。一種看法認為， KI隨尺寸的增大而增大，這種現象是混凝土的尺寸效應，因而建議用Weibull統(tǒng)計理論解釋它。另一種看法是，產生尺寸效應的原因是未考慮縫端微裂區(qū)和裂縫的亞臨界開展長度。第三看法是同意Carpinteri的脆性指數理論。這是學術界仍有爭論的課題之一。為了深入研究混凝土斷裂韌度的影響因素，國內外學者分別探討了混凝土配合比、齡期、骨料種類、尺寸、強度等因素對的影響。研究結果表明，水灰比對混凝土的影響較大，隨水灰比w/c的增大，減少。隨齡期的增長，有所增大且逐漸趨于穩(wěn)定。骨料種類對也有影響，一般地講，碎石混凝土比卵石的要大圖，隨骨料尺寸的增大，混凝土也有變化，并且和混凝土的強度有直接關系。我國混凝土斷裂力學的研究始于1974年，1973年的水利大檢查中發(fā)現，某水庫大壩溢洪道的中墩和邊墩發(fā)生嚴重垂直裂縫。鑒于用一般力學方法難以分析裂縫的穩(wěn)定性，因而水科院結構所首次進行了混凝土斷裂韌度試驗，并用斷裂力學方法分析了閘墩裂縫的穩(wěn)定性。然而導致混凝土斷裂力學在我國取得長足進步的卻是湖南拓溪大頭壩的裂縫事故叫，繼1969年6月該壩1支墩發(fā)生大面積劈頭裂縫之后，1977年5月2支墩又出現了類似情形，這使工程界極為震驚，從而加快了混凝土斷裂力學的研究進程。同時，也出現了應用斷裂力學概念改進水工建筑物設計方法的探討圈。近代碾壓混凝土研究表明，碾壓混凝土宏觀力學性能和內部裂隙發(fā)展緊密關聯，但由于碾壓混凝土結構異常復雜，內部裂隙觀測困難，很難定量地建立細觀裂隙和碾壓混凝土宏觀力學性能的關系。在長期的研究過程中，人們往往忽略碾壓混凝土的復雜內部結構。在對材料的宏觀本構關系的描述中，碾壓混凝土被視為宏觀均勻連續(xù)體，也就是說，材料內部各點具有相同的性質。顯然，這無法揭示碾壓混凝土內部結構、組成與力學性能之間的關系。因此，現有理論模型無法揭示碾壓混凝土在外力作用下內部微裂紋萌生、擴展及其貫通，直至宏觀裂紋形成，更無法反映碾壓混凝土斷裂過程中表現出來的變形局部化和應力重分布等基本特征。 另外，人們認識碾壓混凝土最重要的途徑就是通過混凝土的力學試驗。試驗可以為我們提供第一手的寶貴資料，但是，試驗結果卻受各方面因素的影響，如加載條件、試驗機剛度、測試系統(tǒng)精度等。特別是在復雜應力狀態(tài)下，主要取決于試驗裝置的加載系統(tǒng)及載荷和變形量測系統(tǒng)的可靠性。這就使得有時的試驗結果不能反映試樣的材料特性，而只能是整個試樣—加載系統(tǒng)的結構特性。此外，碾壓混凝土的力學性質都由大量的分散的試驗結果來標定，并且重復試驗具有很大的困難。 從細觀力學研究碾壓混凝土 研究方法混凝土是由水、水泥和粗細骨料組成的復合材料。一般從特征尺寸和研究方法的側重點不同將混凝土內部結構分為三個層次：(1)微觀層次(Microlevel)。材料 的結構單元尺度在原子、分子量級，即從小于10～10厘米著眼于水泥水化 物的微觀結構分析。由晶體結構及分子結構組成，可用電子顯微鏡觀察分析，是材料科學的研究對象；(2)細觀層次(Mesolevel)。從分子尺度到宏觀尺度，其結構單元尺度變化范圍在10厘米至幾厘米，或更大些，著眼于粗細骨料、水泥水化物、孔隙、界面等細觀結構，組成多相復合材料，可按各類計算模型進行數