自密實(shí)混凝土在水庫泄洪洞原洞襯砌中的應(yīng)用

馬輝文 李 瑞

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司 天津 301700）

自密實(shí)混凝土在水庫泄洪洞原洞襯砌中的應(yīng)用

馬輝文 李 瑞

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司 天津 301700）

自密實(shí)混凝土作為一種具有高流動(dòng)性、不離析、不泌水、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)依靠其自重流平并充滿模板和包裹鋼筋，無需振搗便能均勻密實(shí)成型的新型高性能混凝土，在越來越多的工程領(lǐng)域被運(yùn)用。本文采用全計(jì)算法和固定砂石體積法相結(jié)合的方法，經(jīng)過大量試驗(yàn)后得到強(qiáng)度等級為C40和C15的專用自密實(shí)混凝土配合比，并通過實(shí)際工程中的運(yùn)用闡述了其高性能特點(diǎn)，對自密實(shí)混凝土在類似水利工程建設(shè)中的應(yīng)用有一定的參考作用。

自密實(shí)混凝土 配合比設(shè)計(jì) 全計(jì)算法 固定砂石體積法 泄洪洞原洞襯砌

1 引言

混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料,也是應(yīng)用最廣泛的人造建筑材料，高性能混凝土（High-Performance Concrete）的研究應(yīng)用已成為當(dāng)今混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向。自密實(shí)（Self-Compacting Concrete）是高性能混凝土的一種，即主要依靠自重，勿需振搗即可自行填充模型且包裹配筋，其拌和物具有良好的流動(dòng)性、粘聚性、保水性及填充性能，不離析、泌水，且硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性能?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)是混凝土材料科學(xué)中最基本的問題，隨著混凝土材料科學(xué)的不斷發(fā)展，適用于普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程已經(jīng)不能滿足其他類型混凝土在材料和性能上的高要求，

傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法（即假定容重法和絕對體積法）是以強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，即根據(jù)“水灰比定則”設(shè)計(jì)配合比，該方法是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的半定量設(shè)計(jì)方法；而高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)必須綜合考慮工作性、強(qiáng)度、耐久性及原材料的性能。目前，自密實(shí)混凝土主要應(yīng)用于民用高層輕型墻體結(jié)構(gòu)和工業(yè)工程中附屬裝配式構(gòu)件、預(yù)制構(gòu)件、鋼筋密集的框架梁柱及澆筑成型形狀復(fù)雜、薄壁和配筋密集的結(jié)構(gòu)。

2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法概述

2.1 自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)思路

自密實(shí)混凝土實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)可以歸結(jié)為兩個(gè)方面:日本的崗村甫教授于1993年提出的高性能混凝土設(shè)計(jì)方法和高效減水劑的出現(xiàn)。自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)理念與常規(guī)混凝土最大的差別在于:自密實(shí)混凝土在配合比設(shè)計(jì)上用粉體取代了相當(dāng)數(shù)量的石子，通過高效減水劑的分散和塑化作用，使?jié){體具有優(yōu)良的流動(dòng)性和粘聚性，能夠有效地包裹輸運(yùn)石子，從而達(dá)到自密實(shí)的效果。

2.2 自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法及計(jì)算原理

配制自密實(shí)混凝土的原理是通過外加劑、膠結(jié)材料和粗細(xì)骨料的選擇與搭配和精心的配合比設(shè)計(jì)，將混凝土的屈服應(yīng)力減小到足以被因自重產(chǎn)生的剪應(yīng)力克服，使混凝土流動(dòng)性增大，同時(shí)又具有足夠的塑性粘度，令骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問題，能自由流淌并充分填充模板內(nèi)的空間，形成密實(shí)且均勻的膠凝結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)在自密實(shí)混凝土配制技術(shù)上已取得很大進(jìn)步，但迄今為止還沒有形成一種大家普遍認(rèn)可、遵守的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程。本文根據(jù)已有的文獻(xiàn)成果，進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)，采用陳建奎教授提出的全計(jì)算法與吳中偉院士提出的固定砂石體積法相結(jié)合的方法，并通過大量試配得出強(qiáng)度等級為C40和C15的專用自密實(shí)混凝土配合比。

固定砂石體積法是根據(jù)高流動(dòng)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性、抗離析性和配合比各因素之間的平衡關(guān)系，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上得到的一種能較好適應(yīng)高流動(dòng)自密實(shí)混凝土特點(diǎn)和要求的配合比設(shè)計(jì)方法。首先假定每立方米混凝土中粗骨料的松堆體積分?jǐn)?shù)為50%～55%，計(jì)算出粗骨料用量和砂漿含量；其次設(shè)定砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)為42%～44%，可得到砂的含量和漿體的含量；最后根據(jù)傳統(tǒng)的水膠比定則和膠凝材料中的摻合料比例計(jì)算用水量、膠凝材料用量和水泥及摻和料各自的用量。

全計(jì)算法的基本假設(shè)是混凝土的各組成材料（固、液、氣）三相具有體積加和性；石子的孔隙由干砂漿填充；干砂漿的孔隙由水填充；干砂漿由水泥、細(xì)摻料、砂和空氣間隙組成。根據(jù)以上假設(shè)建立普遍適用的混凝土體積模型，推導(dǎo)出用水量和砂率的計(jì)算公式，并結(jié)合傳統(tǒng)的水膠比定則即可全面定量的確定混凝土各組成材料的用量。

3 工程概況

窄口水庫是黃河支流弘農(nóng)澗河中游的一座大（2）型水庫。壩址位于河南省靈寶市南23km處?？刂屏饔蛎娣e903 km2，總庫容1.85億m3，最大壩高77m，水庫以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游、供水等綜合利用。水庫主要建筑物有大壩、主溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、灌溉（發(fā)電）洞、水庫電站等六大主體。泄洪洞布置于左岸，位于壩左端與左岸山體間。洞軸線方向大體與壩軸線垂直。由進(jìn)口新建龍?zhí)ь^、洞身段、出口消能段組成，全長547.68m。洞身段長449.68m，下接出口消能段。窄口水庫加固工程原為無壓泄洪洞，直徑3.5m，現(xiàn)設(shè)計(jì)為由新建進(jìn)口龍?zhí)ь^段和原水平洞段相連接的有壓泄洪洞，其中0+185～0+491段為原水平洞襯砌加固，直徑3.2m，其中0+185～0+355段為鋼筋混凝土襯砌，0+355～0+491段為壓力鋼管混凝土襯砌。原無壓泄洪洞水平洞段襯砌加固前全斷面分環(huán)分序布置固結(jié)灌漿孔位，待固結(jié)灌漿工序完成后鑿除原洞表面5cm深（見下圖），然后進(jìn)行襯砌施工。

由上圖可以看出，原無壓洞設(shè)計(jì)為有壓洞后，新混凝土襯砌厚度只有20cm，屬于薄壁構(gòu)件，在全封閉的倉里面很難用振搗棒對普通混凝土進(jìn)行振搗作業(yè)，經(jīng)過各方咨詢與批準(zhǔn)，該工程采用窄口水庫專用自密實(shí)混凝土（C40）進(jìn)行襯砌加固。

4 實(shí)際工程專用自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

4.1 原材料性能

a.水泥。選用普通硅酸鹽42.5水泥（P.O 42.5），其物理力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

原水平洞襯砌加固示意圖

表1 水泥性能檢測數(shù)據(jù)

b.粉煤灰。根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203—2006）中的相關(guān)規(guī)定，選用了一級粉煤灰，品質(zhì)指標(biāo)見表2，性能滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596—2005）中的2級粉煤灰以上的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 粉煤灰性能檢測數(shù)據(jù)

c.砂。選用靈寶郊區(qū)河砂，根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006）中的相關(guān)規(guī)定，對砂的顆粒級配和表觀密度進(jìn)行了檢測，根據(jù)砂的篩分情況和級配分布圖，該砂為中砂，級配情況較好。砂的細(xì)度模數(shù)平均值為3.0，表觀密度平均值為2.65g/cm3。

d.石子。選用靈寶地區(qū)的豆石，為5～10mm的連續(xù)粒級，石子的表觀密度平均值為2.75g/cm3，堆積密度為1456kg/m3。

e.外加劑。選用HS—T堆石混凝土專用外加劑，性能滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119—2003）要求。

4.2 配合比設(shè)計(jì)計(jì)算過程

a.粗骨料用量：

式中 mg——粗骨料用量；

α——粗骨料的固定體積分?jǐn)?shù)，該工程中取51%；

ρ′g——粗骨料的堆積密度。

計(jì)算粗骨料用量為0.51×1456=743kg；則砂漿體積Vm為1000-（743／2.75）=730L。

b.砂子用量：

式中 ms——砂子用量；

β——砂漿中砂子的固定體積分?jǐn)?shù)，該工程取44%；

Vm——砂漿體積；

ρs——砂子的表觀密度。

計(jì)算砂子用量為0.44×730×2.65=850kg。漿體體積Ve=730×0.56=408.8L。

c.混凝土配制強(qiáng)度：

式中 fcu，o——混凝土強(qiáng)度等級，該工程為C40；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，由表3取值。

表3 σ的取值

通常取 fcu，p=fcu，o+10（MPa）；該工程 fcu，p=40+10= 50MPa。

d.膠水比:

式中 m（c+f）/m（w）——膠水比；

fcu，p——混凝土配制強(qiáng)度；

fce——水泥28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測值；

A，B——回歸系數(shù)，對碎石混凝土，A=0．48，B= 0．52，對卵石混凝土A=0 5O．B=0．61。

該工程膠水比m（c+f）/m（w）=（50/0.48×44.5）+0.52= 2.86，則水膠比w/b為1/2.86=0.35。

e.水用量。根據(jù)陳建奎教授提出的全計(jì)算法并給出的公式計(jì)算：

W=（Ve-Va）/{1+［（fcu.p/A fce）+B］∕［（1-φ）ρc+φρf］}；式中 Ve——漿體體積；

Va——含氣量，該工程取3.8%；

φ——粉煤灰體積摻量（體積分?jǐn)?shù)），取25%；

ρc——水泥密度；

ρf——粉煤灰密度。將上面幾步算出的結(jié)果代入水用量公式可得W= 190kg。

f.膠凝材料用量。由水灰比可知m（c+f）=W/（w/b）= 190/0.35=542kg。

式中 x——粉煤灰摻料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），該工程取23%；

m（c），m（f）——水泥、粉煤灰用量。

計(jì)算得m（c）=415kg，m（f）=125kg。

g.專用外加劑（高效減水劑）。根據(jù)該工程具體施工情況試配，高效減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取值1.3%。

h.出口消能池防沖段護(hù)底堆石自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算同上，此處不再累述。經(jīng)上述計(jì)算并經(jīng)過大量試驗(yàn)后，得到該工程專用自密實(shí)混凝土配合比，見表4。

表4 專用自密實(shí)混凝土配合比 單位：kg/m3

4.3 自密實(shí)混凝土性能檢測

根據(jù)中國土木學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》（CECS02—2004）和中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203—2006），自密實(shí)混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)包括混凝土拌和物工作性能檢驗(yàn)和硬化混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)。

該工程中混凝土拌和物工作性能著重檢測新拌SCC的流動(dòng)性能和抗離析性能，采用的方法為擴(kuò)展度試驗(yàn)和V形漏斗試驗(yàn)，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為擴(kuò)展度滿足700±50mm，V形漏斗試驗(yàn)滿足通過時(shí)間10～25s，見表5。

該工程中硬化混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)主要檢測標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，C40等級SCC28天齡期抗壓強(qiáng)度，分別委托國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和工地第三方試驗(yàn)室進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6。

表5 C40等級SCC自密實(shí)性能檢測 單位：kg/m3

5 施工情況

5.1 鋼模及壓力鋼管安裝

窄口水庫加固工程原無壓泄洪洞設(shè)計(jì)為有壓泄洪洞，原平洞段設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土襯砌和壓力鋼管混凝土襯砌加固，施工前全斷面分環(huán)分序固結(jié)灌漿，鉆孔插筋用以綁扎環(huán)（主）筋、分布筋和焊接固定壓力鋼管。鋼筋混凝土襯砌段分每15m一段進(jìn)行施工，待前述工序完成后即綁扎鋼筋，裝止水銅片、伸縮縫材料，預(yù)埋接縫灌漿管，然后測量放線、支立鋼模。該工程模板采用普通鋼模板加工制作，模板后豎向及橫向支撐主要用［14槽鋼。橫向支撐間距設(shè)計(jì)為0.9m，豎向支撐設(shè)計(jì)為0.6m，模板及支護(hù)采用加密鋼管架、插筋及泡沫板等，使其具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性并使整個(gè)模板封閉成型，成型的模板采用泡沫板嵌填各模板縫隙及模板與止水銅片間隙，使其構(gòu)造緊密、不漏漿，不影響自密實(shí)混凝土均勻性和強(qiáng)度發(fā)展。壓力鋼管的制造安裝均應(yīng)符合《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL5017—93）的規(guī)定，該工程由于洞徑小，安裝困難，壓力鋼管制造成厚12mm、長2.5m、半徑1.6m，預(yù)留回填灌漿孔、接觸灌漿孔、通氣孔并加焊加勁環(huán)的三塊弧形鋼板，分段分塊用施工叉車運(yùn)至洞內(nèi)，輔助導(dǎo)鏈安裝并焊接成型。

表6 專用自密實(shí)混凝土（C40）28d抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

5.2 自密實(shí)混凝土生產(chǎn)及施工

該工程采用2臺0.5m3強(qiáng)制式拌和機(jī)，攪拌機(jī)投料順序?yàn)橄韧斗Q量好的細(xì)骨料、水泥及摻合料，然后加稱量好的水、外加劑及粗骨料?？刂苹炷翑嚢杈鶆?，適當(dāng)延長混凝土攪拌時(shí)間，攪拌時(shí)間控制在90~120s內(nèi)。加水時(shí)計(jì)量必須精確，充分考慮骨料含水率的變化，及時(shí)調(diào)整加水量。自密實(shí)混凝土出機(jī)后檢測其工作性能，用混凝土罐車運(yùn)至泄洪洞出口，通過洞外、倉前兩臺混凝土泵及洞頂鋼模上焊接的沖天管和洞頂壓力鋼管的預(yù)留孔輸送入倉?；炷翝仓^程中嚴(yán)禁加水，必要時(shí)可人工加高效減水劑。為防止產(chǎn)生澆筑不均勻，表面氣泡和檢查封閉的倉里面的混凝土流淌填充情況，需不時(shí)在模板外側(cè)敲擊。自密實(shí)混凝土澆筑完畢后，模板在混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后方可拆除，并立即灑水養(yǎng)護(hù)，灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于7天，以防止混凝土出現(xiàn)干縮裂縫。

該工程驗(yàn)收前，工地第三方試驗(yàn)室對洞身C40自密實(shí)混凝土采用回彈法檢測混凝土強(qiáng)度，結(jié)果顯示混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，見表7。

表7 洞身C40自密實(shí)混凝土回彈法檢測混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果 單位：MPa

6 結(jié)語

SCC作為一種新型高性能混凝土，優(yōu)點(diǎn)頗多，通過在該水利工程中的應(yīng)用，證明其工作性能和強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)良，但由于自密實(shí)混凝土在我國的開發(fā)和應(yīng)用的歷史較短，尚有一些問題及內(nèi)容需要進(jìn)一步的研究。

a.自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)與原材料的性能關(guān)系密切，集料的最大粒徑、集料的用量及集料的級配都有嚴(yán)格的限制，特別是原材料中粉體數(shù)量及砂細(xì)度模數(shù)的變化。目前尚無統(tǒng)一、精確的配合比計(jì)算方法，必須在初步設(shè)定配合比后進(jìn)行試配試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)拌制出的自密實(shí)混凝土狀態(tài)進(jìn)行配合比的調(diào)整和優(yōu)化。

b.自密實(shí)混凝土配合比的突出特點(diǎn)是：高砂率、低水膠比、高礦物摻合料摻量、大摻量高效減水劑。

c.自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)及施工過程均需嚴(yán)格控制，如生產(chǎn)必須使用強(qiáng)制拌和機(jī)、開盤時(shí)對混凝土性能檢測、模板的安裝及成型等。

d.自密實(shí)混凝土的施工性能已得到了比較充分的研究,但是在摻入大量的高效減水劑后,自密實(shí)混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能是否發(fā)生變化及其變化規(guī)律,目前還不是十分了解。

e.作為混凝土市場上的高端產(chǎn)品，自密實(shí)混凝土價(jià)格較高，該工程中配制的C15等級SCC是低水泥用量自密實(shí)混凝土，可減少成本，故有必要進(jìn)一步研究低水泥用量自密實(shí)混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性，SCC在水利工程上的應(yīng)用和推廣等問題也值得探討。