RCC美国工程师手册.docx

1、RCC美国工程师手册第一章 前 言1-1. 目的本手册的目的是为坝工及土木工程结构中使用碾压混凝土(RCC)提供资料和指导。讨论的内容包括设计研究和报告、合同计划编制和技术规范及施工准备，以及碾压混凝土施工。本手册意图作为工程师手册1110-2-2000混凝土施工标准的姊妹篇。本手册的使用者应备有手册1110-2-2000和本手册中列出的参考文献。1-2. 适用范围本手册适用于所有采用RCC的现场操作实践。1-3. 参考文献应用的参考文献列入附录A。非直接与本文有关的补充参考资料列入附录B。1-4. 碾压混凝土(RollerCompacted Concrete, RCC)定义RCC是一种干硬性

2、混凝土材料, 通过振动碾的外震动达到固化。它与常规混凝土的主要区别是对其稠度的要求。为使RCC达到有效的固结，它必须有足够的干硬性, 以支承振动设备的重量, 但其湿度也必须足以允许在拌和及振动压实过程中, 使胶凝材料在大体积中分布均匀。稠度要求队拌和物的配合比有直接影响。1-5. RCC的使用背景RCC的概念最初可能来自于1970与1972年在加利福尼亚州阿斯洛姆召开的两次工程基础会议。a. 在第一次关于“混凝土坝快速施工”的会议上，J.M.拉弗尔教授提出题为优化重力坝的论文, 拉弗尔根据土-水泥的应用推断出, 使用富水泥加骨料填充材料(如“河滩料”或“矿坑毛料”等)采用推土和压实设备来铺设和

3、压实土石坝的概念。他预计, 富水泥加骨料作填充材料, 其抗剪强度提高, 与典型的土石坝相比较, 可显著的减小坝体断面。采用与土石坝中使用的相类似的连续铺设方法, 与常规混凝土重力坝的施工相比较, 将会大大节约施工时间和费用。b. 在第二次关于“混凝土坝经济施工”的会议上, 田纳西管理局R.W.坎农提出采用土坝压实方法修建混凝土坝的论文。1972年在得克萨斯州达拉斯, 美国混凝土学会(ACI)召开的“拌合和浇筑混凝土的新方法”的座谈会上, R.W.坎农提出“用振动碾压实大体积混凝土”的论文。在这些论文中, 坎农提出了用自卸汽车运输、推土机平仓和振动碾压实混凝土的试验结果。混凝土的这种配合比是从大

4、坝施工的典型大体积内部混凝土的配合比推断的。粗骨料部分增加了0.5立方英尺 (1立方英尺=0.0283m3-编者注), 水泥浆部分相应地减少了同样体积。这一方法基本上作为“选择无塌落度混凝土配合比的实用方法”(ACI 211.375)。自这时起, 提出了确定RCC的混凝土配合比的其它方法。在3-3节列出了这些方法中的一种。c. 陆军工程兵团曾将RCC用于以下工程：阿拉斯加切纳河工程的基础底板、邦纳维尔第二厂房地基保护层、失溪坝溢洪渠地基保护、下格拉尼特坝的丁坝、图特尔河溢洪道的挡石结构、新坎伯兰船闸底板以及佐治亚州斯图尔特堡铠装的发射台基座等等。1-6. 应用在可以采用填土和堆石施工设备来运输

5、、铺设和压无塌落度干硬性混凝土的任何地区, 都可考虑采用RCC。理想的RCC工程应是含有少量钢筋或无筋的、含有少量或无预埋金属件的或其它不连续结构(如抗剪桩)的等。当应用RCC明显较其它施工方法经济时, 即应考虑RCC施工方法。可以考虑采用RCC代替石笼或抛石作护岸, 特别是当石料不足时。对于大的混凝土底座、护坦或路面、大体积露天基础、基础板、围堰、大体积回填、紧急维修工程以及土石坝漫顶护面等均可考虑采用RCC；也可以用于代混凝土重力坝中浇筑的常规混凝土。RCC可用于基底面足够大的堤防, 并可用于丁坝的顶部以减少石料用量。实践证明, 采用RCC可使工程布置更经济, 如将侧槽溢洪道改为坝顶溢洪道

6、。1-7. 成本a. 概述在这里提供的近期三个工程采用RCC的成本仅适用于规划阶段。这三个工程有一个共同点, 采用RCC较采用其它方法标价低。在每个工程举行的预招标会议上, 均提供有在试验段上铺设RCC的幻灯片。这样, 投标者可根据对RCC的某些了解投标, 而不是在将RCC作为新的未试验过的材料的基础上投标。这一点对于任何使用RCC工程的预投标会议应是必不可少的, 这样不致使投标者在编制投标书时将疑虑作为可能的因素考虑。陆军工程兵团的成员应参加预投标会议, 这对他们是一个良好的机会, 将得到有价值的倾向性。b. 切纳河工程, 阿拉斯加, 费尔班克在阿拉斯加工程的成本显然高于其他48个州。197

7、8年,以每立方码67.00美圆的成本完成了16,700立方码(12,776m3 )的RCC(包括骨料、水泥、拌合和浇筑费用)。有同一承包商, 在同一时间同一工程上, 浇筑1立方码常规混凝土的标价为168.50美圆(包括骨料、水泥、拌合和浇筑费用)。c. 圣海伦山挡石结构, 华盛顿州, 图特尔河在1981年3月, 作为紧急施工措施, 用RCC完成了这一结构, 每码3的成本为37.00美圆。浇筑了近18,000立方码（13,770m3）。d. 柳溪坝, 俄勒岗州, 赫普纳 该混凝土重力坝建于1982年, 共浇筑了430,000立方码(328,950m3 )RCC。按不同配合比现场浇筑的RCC, 成

8、本为18.25至21.00美圆。在上游面采用了预制混凝土板。预制板是分开投标的, 但包括在上面提到的成本中。对重力坝采用的常规混凝土, 每立方码政府预算为65.00美圆。第二章 材料的研究和选择2-1. 方针在EM 1110-2-2000中, 对于混凝土材料的研究和研究范围, 已做了具体的论述。对不同用途的RCC, 可能需要做出一些适当的补充研究。2-2. 胶凝材料a. 概述对RCC胶凝材料的研究方法, 与常规混凝土的胶凝材料研究方法相类似。选择胶凝材料应基于建筑物预期的使用要求, 而不取决于浇筑方法。在RCC中使用火山灰将特别有效, 因为这种材料作为矿物质填料和其胶结性能都适合于RCC。b.

9、 种类和类型参考EM 1110-2-2000, 2-2b段。2-3. 胶凝材料选择a. 概述应按照建筑物的规模和功能、外部条件和骨料特性, 为RCC选择一种或几种胶凝材料。b. 大体积混凝土如果使用RCC的建筑物是大体积的, 这时需要考虑水化热, 应研究下述胶凝材料可获取性和适用性：硅酸盐水泥, 水化热限制在70卡/克的型、掺有火山灰的型、型；混合水硬性水泥, S型（MH）、P型（MH）、P型*、P型（LH）, 或掺有型或型硅酸盐水泥的S型。此外, 掺加有火山灰的P型水泥亦应加以研究。c. 其它混凝土有时将RCC浇筑在不须考虑水化热的结构截面上, 如结构物垫层、河岸护层或路面。在这些情况下,

10、如果硫酸盐析出不成问题, 除型硅酸盐水泥外, 任何可获取的硅酸盐水泥、混合水硬水泥, 或掺有火山灰的硅酸盐水泥或掺有火山灰的混合水硬水泥均应加以研- * 现实一般情况下既不用型硅酸盐水泥, 也不用P型硅酸盐-火山灰水泥。两种水泥硬化强度极低。采用两种水泥的任何一种时, 应在混凝土材料设计备忘录中注明这种特性。究。在RCC中几乎永远不用型硅酸盐水泥。d. 其它要求胶凝材料的研究内容必须包括对影响成本和可获性的特殊要求和选择的评价。当试验证明水泥需要具有以上特性时, 应引用限定水化热、抗硫酸盐、限定含碱量, 或控制早凝的规定。更详细的资料见EM 1110-2-2000, 2-3.c段。2-4. 骨

11、料a. 概述选择合适的骨料场是确定混凝土质量和经济性的最重要因素之一。这一论述队常规混凝土和RCC都是正确的。除在以下讨论中所述, 对骨料的勘探研究按照EM 1110-2-2000中2-6节所述的步骤进行。b. 用于RCC的骨料用于RCC的骨料应按其质量和级配进行评价。近年来使用RCC的经验表明, 除了用于硅酸盐水泥混凝土的骨料外, 都可以成功的作为RCC的骨料。在切纳工程中, 用于填筑坝自由排水区的卵石料曾用做骨料。它一样可以作为沥青路面及粗垫层的材料, 也适用于RCC。应当充分的对骨料质量进行研究, 以保证有可获取的骨料制成的混凝土质量, 可以满足工程的要求。应根据料源及使用意图选择骨料级

12、配。能够满足路面材料和垫层粗骨料级配要求的骨料, 也可能满足RCC配合比的骨料级配要求。应研究使用通过75m（200号）筛网的材料量, 大于常规混凝土正常允许量的可能性。大多数能够预见到的RCC的应用中, 可运输和压实的骨料颗粒最大粒径为75mm（3英寸）。在国外曾使用过较大尺寸的骨料, 但除非研究证明, 采用大于75mm的骨料运输时没有分离, 并且压实良好, 否则不能认为是好的工程经验。（1）实例（a）阿拉斯加的切纳工程. 在该工程一长底槛上浇筑了16,700立方码(12,776m3 )的RCC, 用仵板桩挡水墙下游侧的防侵蚀保护。用浇筑RCC代替抛石, 这在工程现场是很少有的。该工程的主要

13、建筑物为一长而低的土石坝, 坝的一个区域需要铺设自由排水砾石。在这种排水料通过25mm（1英寸）筛网的不大于90%, 通过4.75mm（4号）筛网的在40%60%之间, 通过75m（200号）筛网的不超过4%的条件下, 可用做混凝土的骨料。从附近一个很好的采料场, 几乎不需要加工, 开采了大量填筑料, 堆存的料适宜于用做骨料, 与混凝土导则要求规定的骨料相比, 其成本相当低廉。位于费尔班克地区采料场中的这些材料为典型的砂和卵石, 质量很好, 一般最大尺寸为37.5mm（1-1/2英寸）。除中间缺1.18mm300m（16号至50号）的筛分料外, 级配良好。采用这种砾石填料的初步配合比表明, 即

14、使存在间断级配, 也可生产出可接受的RCC。为小心起见, 也选定了混合砂料场。但由于自由排水料中含有足够的砂, 没有必要使用这部分混合砂。在附录C中, 给出切纳工程“碾压混凝土”规范样本。(b). 华盛顿图特尔河的挡石结构 1981年3月陆军工程兵团波特兰区, 完成了图特尔河北支流上的挡石结构的紧急修理工程。突然暴涨的洪水和随之圣海伦山火山爆发, 冲跨了原来的钢丝笼溢洪道。需要在可能最快的时间中修复溢流渠, 并预计RCC会是最经济, 较其它建筑材料更具抗侵蚀性的, 故选定RCC方案。采用位于施工现场的天然河床中的骨料（包括圆砂卵石、火山喷出物及灰）作为RCC的骨料。在编制计划和技术规范中, 初

15、始配合比设计采用了另一承包商在该地区堆放的用于路面的材料, 最大粒径为37.5mm(1-1/2英寸)。通过修改合同, 这一承包商为即将采用的RCC生产和堆存了所需的全部骨料。为使骨料的最大粒径限制在37.5mm(1-1/2英寸), 采用碎石机对所有开采的河床材料进行了加工。结果达到骨料的级配均一, 细料含量平均为50%。初始的RCC配合比及生产中采用的配合比是一致的, 达到了足够的强度, 并具有要求的运输、铺筑和压实特性。在附录D中有该工程采用的技术规范样本。（c）俄勒岗州,赫普纳、柳溪坝、柳溪坝的骨料采自一个现场采石场。对采掘面爆破后的石块进行碎石和筛分, 加工成骨料。在附录E中应用的技术规

16、范。该规范中一个独特的规定是, 根据材料中细料的液限和塑性指标, 允许或多或少的材料通过75m（200号）筛网。一般允许在骨料中包括有较粘土多的粉砂。在细骨料中不希望有粘土, 应限制其含量。添加的细颗粒粉砂, 其性质类似矿质填料, 加入这些填料可以减少水泥和火山灰的用量, 以便形成适当的胶状颗粒。选定了混合砂料场, 以防开采中遇到缺少细料的情况。未了避免使用另一料场的混合砂, 鼓励承包商将一定量的采石场覆盖层作为供给碎石机的原料, 覆盖层材料为含有碎岩块的粉砂砾石。只有含有植被的顶层土不允许作为骨料加工。RCC中的细料, 使混凝土既达到强度, 又保证了经济性, 获得了双重效益。为什么细料能够改

17、善材料性能, 对这一点并未真正了解, 但其对混凝土的效应是明显的。2-5. 水拌喝及养护用水的适用性评价准则, 已在EM 1110-2-2000 2-8段中给出。2-6. 化学外加剂a. 概述在RCC中应用外加剂是一个尚未得到全面研究的领域。需要考虑以下几点：(1) 当不能将混凝土压实成均质体时, 加气剂的作用和有效性。(2)高掺加量减水剂(超塑化剂)的有效性。收集到的资料表明, 对于像水泥、火山灰及矿渣这类细料的含量很低的混凝土拌合物, 这类外加剂相对无效。(3) 采用标准减水剂的效应。b. 加气剂已经证明, 在临界饱和的混凝土中, 含有适当的含气空隙系统, 对其抗冻融作用是有效的。在混凝土

18、拌合时加入加气剂, 会在混凝土的胶状颗粒中形成含气空隙。这样形成的含气空隙为气泡状, 且均匀分布在混凝土中, 并保留在胶状颗粒中, 后者同样均匀分布在混凝土中。在某些情况中, 很干的无塌落度拌合物作用RCC时, 不能压实成均质体。遇到这种情况, 在RCC中的胶状颗粒不会形成连续介质, 而可能更像在骨料颗粒表面的覆盖膜。这时, 在压实的、硬化后的混凝土中, 不大可能保证足够的含气空隙系统。（1）在表2-1“加气剂和减水剂用量试验概表”中列有两个工程的加气剂和减水剂掺量研究。每立方码加气剂掺量达到67流体盎司, 空气含量几乎没有变化。早期的工程拌合设计, 如津特峡坝和柳溪坝的初始试验表明, 混凝土

19、有相对高的含气量(45%)。可以相信这是由于拌合物中少砂的结果, 在糜鹿溪坝, 以及后来在柳溪坝所做的配料试验中, 增加了砂的用量, 随着砂量的增加, 含气量大约减少1%。虽然数据有限, 在配料试验中, 仍采用这一概念来确定含砂量对于混凝土的和易性、浇筑性及避免分离是否足够。（2）为了确定使用减水剂是否会提高加气剂的有效性, 作了对比试验。每100磅水泥采用60液体盎司的减水剂标准用量, 仅能少许改善混凝土在维伯固结时间内的和易性。表21 加气剂和减水剂用量试验概表项目大骨料粒径(英寸)水泥当量系数(磅/码3)*粉煤灰(%)W/C(按体积)加气剂(流体盎司/码3)减水剂(流体盎司/100码3水

20、泥)含气量(%)维伯时间(秒)砂(%)注A31.24361.444454.51126拌合料含砂量低, 含气量或和易性没有或极少随外加剂的增加而增加。1.24361.444404.815291.24361.4415304.414291.24361.4412603.7629A-131.24361.44001.11635A-231.24361.63000.92236骨料来源与A、A-1相同, 比例随混合砂的减少而变化。超量外加剂没有或很少收益。1.24361.630121.114361.24361.630160.814361.24361.630201.316361.24361.631201.3213

21、6B-131.00无2.006503.1183145%的砂通过了200号筛, B-1含砂量高, B-2为同样的拌合料, 含砂量减少, 胶结料含量低。超量加气剂没有效益。B-21.00无1.956702.41827B-32.00无0.985701.22027B-42.00无0.804401.02027 * 所有胶凝材料胶结的重量（水泥体积加换算成水泥等效重量的火山灰体积）。（3）对拟议中的津特尔工程, 采用压力及体积法, 反复进行的含气量试验, 得到的结果稍有差别。三组用体积法做的试验, 平均空气含量为1.3%, 而用压力法所做的试验, 空气含量为2.8%。所以出现这种问题, 可能是由于RCC难

22、以充分固结, 特别对于低含砂量的情况更是如此。（4）在邦纳维尔第二厂房地基覆盖层RCC中区出混凝土岩芯, 由美国陆军工程兵团水道试验站（WES）对岩芯用微量法测定。两个岩芯的平均掺气量为0.3%, 截留气量为10%。RCC由最大1-1/2英寸（38mm）的骨料、40%砂及加气剂制成。（5）切纳工程混凝土加气剂用量试验的成果和存在不规则的含气空隙, 表明其含气量是由于采用了间断级配的砂, 并不是掺加气剂形成的。c. 方针目前已对RCC抗冻融破坏的有关因素有了较好的了解, 不应将RCC用于处在饱和状态承受周期性冻融的结构中。一般浇筑RCC的费用只是浇筑常规混凝土费用的几分之一。因此, 尽管由于RC

23、C在冻融作用下会受到破坏, 用RCC替代常规混凝土时, 由于结构稳定的需要将增加断面尺寸, 仍可能是经济的。对于像大坝这样重要的结构, 为了确定会遭到破坏的RCC的破坏率, 可能需要进行试验。d. 减水剂已经证明, 在RCC中掺加正常或较高用量的减水剂都是无效的。如欲使用减水剂, 应在研究表明掺加减水剂有效时, 再予掺加。2-7. 试验段在重要工程的设计阶段, 为对RCC的铺设和压实进行观察, 应在合适的部位设置试验段。这样将提供评价配合比、骨料特性、浇筑时间、浇筑层厚、铺设和压实技术等的手段。对于较小的工程, 在合同生效的早些时间设置试验会更实际一些。此外, 即使在设计阶段由承包商设置试验段

24、, 也是值得的。一个工程的试验段将给不熟悉RCC的承包商一个机会, 使他们研究工艺并选择有效浇筑RCC的专门设备。在设计阶段, 可由专门的承包商或分区试验室成员, 或其他合适人员修建试验段。应当利用和预计将在工程中使用的设备有类似压实能力的振动碾完成试验段的压实。2-8. 对RCC竖直结构上、下游面的处理a. 概述可能有必要采用预制或现浇混凝土覆盖RCC, 以保证裸露面有更高的耐久性和/或对铺设的RCC有一个约束力。常规混凝土可用来提高结构的抗渗性及增加抗侵蚀和抗冻融破坏的能力。b. 建议的方法当RCC用于竖直或陡倾斜面时, 曾提出一些处理方法。这些想法大都没有经过试验, 在这里仅为设计人员提

25、供一些思路。一些布置方案包括铺设垫层拌合料及层面间排水（视情况可能必要, 也可能不必要）。图2-1至2-4示出这些想法。双层支撑系统（图2-4）是一个专利系统, 原设计用于填筑坝, 它是由预制的混凝土箱, 叠放为重力式挡土墙所构成。第三章 RCC的配合比3.1. RCC的配合比RCC配合比的选择, 类似于常规浇筑的混凝土, 根据对结构的强度和耐久性要求而定。因为RCC可采用土石工程设备来运输和浇筑, 可能有很大的节约。虽然按照相应的抗压强度要求, 可在减少水泥用量及骨料选择上节约, 但在材料使用上节约相对很小。3-2. 选择配合比的依据a. 耐久性如前所述, RCC的抗冻融性仍在讨论中, 但可

26、假定其抗冻融能力是最低的。但是, 要求混凝土在干湿交替、磨蚀和侵蚀或高速水流条件下有耐久性。总的来说, 当耐久性有问题时, 要采用低的水灰比。见EM 1110-2-2000中表。b. 强度当大体积结构中采用RCC, 很少会要求高强度, 但是, 如果将RCC浇筑于垫层、桥墩基础或其它承重结构, 则对其强度的要求, 与用常规混凝土浇筑的结构没有差别。与其它混凝土相同, 应根据强度要求确定水灰比。c. 可压实性RCC的可压实性不能像常规混凝土的和易性那样, 用塌落度试验量测或判定。因为正确的碾压混凝土拌合料只具有小的或无塌落度, 也叫做无塌落度或零塌落混凝土, 因此, 塌落度试验方法对RCC是无效的

27、。在NPD试验室曾用稠度判定可压实性, 稠度用改良的维伯（VeBe）仪测量。曾经用过步进式碾压设备确定和研究RCC的可压实性, 特别是在小型试验填筑过程中。（1）改良的维伯仪（图3-1）。维伯仪的主要部分是一个振动台, 一个装料（样品料）容器, 和一个压重。在一个圆筒容器中, 将松散混凝土填至顶部水平面, 用振动时间（以秒计）作为稠度的量度（美国混凝土学会ACI 211.3-75）。这里加上“改良”的含义是反映如下所述的试验方法的变化：（a）将一个29磅的松散样品灌入容器中, 并将其摸平。（b）加总的压重27.5磅（12.47kg）（图上为20磅-译注）【编者注：美国ASTM.C-1176(9

28、2)总的压重为20ib(9.1kg), ASTM C1170（91）总的压重为50ib(22.7kg), 中国SL 48-94总的压重为17.5kg】。当在塑料压重盘底部边缘看到浆体时, 则认为已达到完全固结。NPD试验室所做的这些改变, 对其所研究的RCC配合比, 其稠度试验结果约为2024秒, 固结时间取决于所使用的压重及振动台。曾用过其它改良过振动台及具有不同压重和压实时间的维伯仪。（2）选定维伯时间2024秒, 在这种条件下, 用试验设备（即手动的气压夯和有压重的振动台）并在中等压实能量下即可生产RCC。在NPD试验室中用柳溪坝工程的配合比及骨料所做拌合料的振动时间约为40秒。麋鹿溪坝

29、试填筑时的NPD试验室试验结果表明, 从压实和离析的情况看振动时间为1428秒, 具有最好的铺筑特性。（3）补充研究 要求进行以下研究：（a）最优的修正的维伯时间；（b）铺筑设备（试验室及现场压实）。在RCC的施工控制中尚没有证明采用维伯仪有益。3-3. RCC配合比的选择本节资料系NPD试验室对7个工程所做的RCC配合比研究的总结。根据试验性拌合及对水泥类材料, 粗细骨料的最优配合比, 以及水的用量、外加剂掺量和试件成型研究中的试验提出配比方法及建议。对每个工程的最终配合比设计方法择要叙述并列于表3-2。a. 基本配合比常规混凝土与RCC的基本配合比方法和性质是相同的；但是, 常规混凝土按以

30、下任何一种处理方法, 都不能用于RCC, 具体如：（1）改变水泥浆及骨料的配合比；（2）减少水量；（3）改变水灰比；或（4）增加含砂量。在设计阶段, 对大体积贫混凝土的水灰比曾用到4.0。b. 差别性 在配合比方法及性质上的差别主要是由于新拌制的RCC具有相对干的稠及采用非常规级配的骨料。RCC在性质上的主要差别为：（1）一般不含气；（2）低含水量；（3）低胶凝物质成分；（4）一般要求较高的含砂量以限制离析。表3-1示出柳溪坝常规混凝土与RCC配合比设计的比较。表3-1 柳溪坝常规混凝土及RCC的配合比设计配合比单位用水量(磅/码3)含气量(%)含砂量(%)胶凝材料*含量(英尺3/码3)水泥灌浆量(英尺3/码3)常规砼2005.029.05.7011.88RCC1921.335.24.5312.61 * 胶凝材料含量不包括通过75m（200号）筛网的骨料。配合比中采用破碎的玄武岩, 骨料最大粒径为3英寸, 以及覆盖层中材料, 水泥类（水泥粉煤会）材料为17580磅/码3（编者注： 1磅/码3=0.588kg/m3）。 c. 骨料不象常规混凝土所需要的级配要求, RCC的级配及骨料粒径组允许有较大范围。在NPD研究的7个有一个工程配合比设计采用最大粒径1-1/