摘 要：碾压混凝土在世界范围内得到了广泛应用，各个国家有相应的配合比设计规范。本文以巴基斯坦NJ工程为例,参考国际工程的配合比设计特点，运用于国内的设计方法,使之能适应国内外不同的技术条件。从实际应用效果看，该工程在人工砂石粉含量不足的情况下，采用改良后配合比设计的碾压混凝土工作性能有大幅度提高，满足本工程施工的需要和质量要求。
关键词：巴基斯坦NJ工程,碾压混凝土,配合比设计
1. 工程概况
巴基斯坦NJ工程属低挡水坝、长引水隧洞(洞挖总里程58.8km)、深调压式竖井、地下式厂房、尾水隧洞式水电工程，共装机4台，总容量969 MW;工程主要永久建筑物有：右岸导流隧洞、混凝土重力坝、左岸进水口和沉砂池、左岸引水隧洞、调压井、地下厂房、开关站及附属设施组成。碾压混凝土主要应用于填塘基础和局部大坝主体。
2. 设计要求及设计依据
碾压混凝土设计强度为17MPa(91d龄期)， 强度保证率80%。根据ACI 214配制强度计算公式 f’cr =f’c+0.842 Ss(0.842是强度保证率80%的概率度系数，Ss是混凝土抗压强度标准差)确定碾压混凝土配制强度为20.4MPa= 17+0.842×4。由于本工程采用的是美国标准，其混凝土标准试件是φ150mm×h300mm圆柱体，如要与国内的立方体标准强度比较，只需除以0.87换算系数。即美国标准20.4MPa相对于国内23.4MPa。为保持试验数据的一致性，本文提供的试验数据均为未经换算的原始数据。
按照合同技术条款和美国工程师协会设计标准《Roller-Compacted Concrete》(EM 1110-2-2006)要求，骨料最大粒径不超过75mm，水泥用量不低于60kg/m3，总胶凝材料用量不低于180kg/m3，混凝土容重不低于2400kg/m3，VC值5s~10s，灰浆比(Paste-Mortar Rito)不低于0.40。其中灰浆比是判别碾压混凝土工作性能优劣的量化指标，国际工程普遍常用。
3. 原材料情况
3.1 水泥
采用Maple Leaf生产的低碱水泥(相当于国内中热42.5水泥)。其中比表面积3262cm2/g，28d抗压强度30.6MPa(美国水泥标准试件为边长50mm立方体)。
3.2 矿粉
采用THATTA生产的矿粉。其中细度13.75%，比表面积5044cm2/g，28d强度活性指数为93.88%。由于生产厂家在巴基斯坦最南部的城市卡拉奇，本工程在东北部克什米尔地区，运输成本的增加使矿粉的综合单价要略高于水泥。所以从经济性角度考虑，尽量选择低掺矿粉。
3.3 外加剂
采用北京冶建萘系JG-3缓凝高效减水剂。掺量为胶凝材料用量的0.7%(减水率18.3%)。
3.4 人工砂
采用隧洞开挖料(砂岩)制人工砂。其中细度模数为2.7，属中砂，级配合格，但用于碾压混凝土用砂的关键参数石粉含量只有10.4%，低于国内推荐的12%~22%，且75μm含量也只有6.8%，低于美国标准要求的8%~18%。受砂石厂生产条件和石料品质因素影响，多次调整生产工艺并未有效提高人工砂中石粉和75μm含量。
3.5 碎石
采用隧洞开挖料(砂岩)制碎石。砂石厂生产的碎石最大粒径63mm，分成D19、D38和D63三级。其中针片状含量分别为6.7%、14.3%和19.8%;三种骨料级配要求全部合格(美国标准并无超逊径要求)。从针片状指标可以看出，骨料粒型较差。
3.6 拌和用水
采用生活饮用水。水质量满足拌和用水质量要求。
4. 碾压混凝土配合比设计难点及设计思路
4.1 设计难点
从原材料检测成果看， 本工程的骨料质量低于国内水平，主要反映在人工砂石粉含量低，碎石针片状不理想等指标。这种现象在第三世界国家较为普遍，主要受地域限制，可利用骨料有限，就地取材是唯一解决料源途径。如何合理优化配合比，满足施工需要，使之能充分利用当地原材料是本次配合比设计的难点。
4.2 设计思路
按国内的配合比设计原则，主要进行以水胶比、单位用水量、掺和料掺量、砂率等配合比参数的正交试验。当石粉含量处于较低水平时，可采用掺和料等量替代和超量替代的方法予以解决。按美国的配合比设计原则，在无胶凝材料用量限制的情况下，首先根据标准中推荐的图表(图一)确定胶凝材料用量。本工程合同技术条款对胶凝材料限制为不低于180kg/m3，参考图一，180kg/m3针对的90d龄期抗压强度约为23MPa左右，从实际取得试验成果(24.4MPa)与理论值也较为接近。骨料级配比例和砂率通过计算获得，其计算后的全级配曲线需接近美国标准中理想曲线(表一)。本次配合比设计主要为解决石粉含量偏低的问题，拟采用增加胶凝材料用量方式解决，增加部分胶凝材料用量的计算未按照国内常用的等量替代或超量替代法，而是采用首先满足美国标准的全级配理想曲线为计算依据。单掺石粉的方案，从经济性、时间周期和可操作性方面均不如直接增加胶凝材料方案，故未采用。最终配合比参数的确定还需满足灰浆比不低于0.40的技术要求。
5. 碾压混凝土配合比设计方法及计算步骤
5.1 设计方法
本次配合比设计水胶比选择不作为重点，而是首先确定最终胶凝材料用量，其中包括最低胶凝材料用量和新增用于替代石粉的胶凝材料，由于监理只批准在技术条款限制的180kg/m3基础上新增胶凝材料，根据以往工程经验，混凝土强度肯定有较大富余，所以只需确定单位用水量满足VC值 5s~10s，不用选择多个水胶比进行试拌;矿粉掺量选择70%、67%、60%和50%四种;骨料级配比例参考国内30%:40%:30%，此时的碾压混凝土抗分离效果最好;砂率通过计算以满足碾压混凝土全级配理想级配曲线为依据。
5.2 计算步骤
首先计算满足全级配理想曲线的骨料级配比例、砂率和替代石粉的胶凝材料用量。由于计算步骤较为繁杂，可通过建立EXCEL计算表格取得相关数据。表二为已计算完成结果。
备注：①碎石混合级配 30-40-30 表示碎石级配比例为D19：D38：D63=30%：40%：30%;
②混合砂级配96.7-3.3表示混合砂中人工砂：胶凝材料=96.7%：3.3%;
③计算级配63-37表示碎石：混合砂=63%：37%。
将表二中计算的碾压混凝土骨料全级配曲线与理想曲线在图表中进行对比(图二)，两条曲线吻合程度较高，关键指标石粉含量(150μm)和75μm含量也基本满足理想曲线。最终选择碎石级配比例为30%：40%：30%，混合砂级配中人工砂与新增胶凝材料比例为96.7%：3.3%，碎石与混合砂比例为63%：37%。结合试拌试验成果，采用国内体积法计算具体材料用量，计算成果见表三。
6. 碾压混凝土配合比试拌成果及分析
根据表三的计算成果，确定最终胶凝材料用量为206kg/m3，按照70%、60%和50%矿粉掺量分别进行试拌。补充增加胶凝材料180kg/m3，按照技术条款最低水泥用量60kg/m3进行试拌，主要复核最低胶凝材料用量是否能够满足设计强度要求。具体试验成果见表四。
VC值检测完成后，将VC筒内碾压混凝土整体倾倒出观察拌和物“液化”情况，可以看出总胶凝材料206kg/m3和180kg/m3的碾压混凝土表面返浆均较为充分，但针对底部和周边的“液化”状态，206kg/m3胶凝材料用量要优于180kg/m3。
从表四试拌成果可以看出，四个配合比参数的91d龄期抗压强度均满足混凝土配制强度要求(20.4MPa)，并有较大程度富余。在水胶比相同情况下，不同矿粉掺量在不同龄期抗压强度检测结果接近，说明矿粉的活性与水泥接近，不同矿粉掺量与强度的波动幅度不如粉煤灰明显，另外矿粉比表面积较大，致使高掺矿粉造成单位用水量处于较高水平。
7. 碾压混凝土配合比推荐配合比及应用
在混凝土配合比参数选择上，考虑到巴基斯坦的矿粉综合单价高于水泥，高掺矿粉意义不大，故初步选定总胶凝材料206kg/m3，矿粉掺量50%的配合比参数作为推荐配合比(表五)。
通过计算推荐配合比的灰浆比为0.44，满足不低于0.40要求。详细计算步骤见表六。
灰浆比计算步骤：
VPaste = V水泥 + V矿粉+ V水+ V空气+ V 75-μm细骨料 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.068*0.2962 =0.2201
VMortar= V水泥 + V矿粉+ V水+ V空气+ 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
从生产性试验采用推荐配合比实际应用效果看，碾压后的碾压混凝土表面返浆充分。从现场取芯情况看，芯样壁表面光滑、平整，骨料分布均匀，胶结密实，芯样孔24h渗水量1.22%，试验结果令人满意。说明增加的26kg/m3胶凝材料替代石粉能有效改善碾压混凝土的工作性能。
8. 结论
综上所述，除国内普遍采用的掺和料等量替代和超量替代改善人工砂石粉含量方法外，还可以结合美国标准的混凝土全级配理想曲线方法进行改善，同时还需结合灰浆比(Paste-Mortar Rito)指标对配合比设计合理性进行量化判断。从本工程实际应用效果看，结合美国标准的配合比设计方法拓展了新思路，简单、有效解决人工砂石粉含量不足的问题。
美国标准混凝土配合比设计有个特点，混凝土强度选择依据不是按照水胶比，而是根据推荐的胶凝材料与不同龄期抗压强度线性关系确定胶凝材料用量;骨料级配和砂率的选择需以满足全级配理想曲线为依据。笔者认为在做大型的配合比项目时，采用不同水胶比进行正交试验更具科学性和严谨性，在单个配合比项目时，可参考美国标准的胶凝材料用量进行试拌复核;在骨料级配和砂率的选择上，可参考美国标准的混凝土全级配理想曲线，因为混凝土骨料全级配有了量化标准，有助于判断混凝土粗细骨料组合比例合理性，混凝土工作性能也能同时得到保证。
参考文献：
[1] EM 1110-2-2006 Roller-Compacted Concrete
[2] ACI 214 Evaluation of Strength Test Results of Concrete
