自密實(shí)混凝土的特性及在船閘工程中的應(yīng)用

吳 星，楊 斌

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

1 前言

自密實(shí)混凝土(Self—Compacting Concrete，簡稱SCC)是一種不需要振搗，僅依靠重力作用就可以達(dá)到密實(shí)且不離析、不泌水的新型混凝土。自20世紀(jì)80年代，“自密實(shí)”混凝土問世以來，經(jīng)過大量的研究和應(yīng)用，很快成為一種實(shí)用的、施工性能良好的混凝土。它具有下列優(yōu)點(diǎn):①能適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或配筋密集、作業(yè)面狹窄、人工和機(jī)械手段均無法振搗的混凝土結(jié)構(gòu)部位;②具有良好的工作和力學(xué)性能，能夠避免傳統(tǒng)的混凝土施工由于欠搗、漏振或過振導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷;③施工工藝簡單，無需振搗，減少了澆筑程序，進(jìn)而可降低勞動強(qiáng)度;④施工速度快，工期短，綜合經(jīng)濟(jì)效益較高。

自密實(shí)混凝土因其獨(dú)有的特性以及在施工中的優(yōu)勢，近年來被廣泛地應(yīng)用到水工建筑物的一些特殊部位。如在小灣電站大壩以及光照水電站工程中，為了解決鋼襯結(jié)構(gòu)周圍混凝土澆筑的難題，采用了自密實(shí)混凝土。另外，在大壩預(yù)制廊道結(jié)合部等不易振搗的部位也已全面采用這一技術(shù)，如日本的三室川等大壩。

本文提出將自密實(shí)混凝土應(yīng)用到船閘工程中，以期解決船閘施工過程中的一些澆筑難題。

2 自密實(shí)混凝土的性能

2.1 新拌自密實(shí)混凝土的性能

相對于普通混凝土，它具有以下特性:

(1)高流動性。保證混凝土能夠繞過密集的鋼筋，充分填充模型內(nèi)的每個(gè)角落。

(2)高穩(wěn)定性。保證混凝土質(zhì)量均勻一致，即不泌水，骨料不離析。

(3)間隙通過能力強(qiáng)。保證混凝土穿越鋼筋間隙時(shí)不發(fā)生阻塞。

2.2 硬化自密實(shí)混凝土的性能

(1)強(qiáng)度:自密實(shí)混凝土是一種高性能混凝土，其強(qiáng)度范圍很寬，目前在我國大量使用的是C25～C40。船閘混凝土的強(qiáng)度范圍一般在C20～C30之間，所以自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度可以滿足船閘工程設(shè)計(jì)要求。

(2)彈性模量:自密實(shí)混凝土采用粉體取代了相當(dāng)數(shù)量的石子，且中粗骨料的粒徑較小，所以較普通混凝土其彈模稍低。但粉煤灰和硅粉等礦物摻合料的摻入能有效提高混凝土的彈性模量，使硬化自密實(shí)混凝土能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)試驗(yàn)，在0．25水膠比情況下，摻入4%的硅粉和20%的粉煤灰時(shí)，選用河卵石的自密實(shí)混凝土試件的彈性模量為38．1GPa，比普通C50混凝土彈性模量低了3%，其影響已經(jīng)很小。

(3)收縮:由于粗骨料用量少，采用自密實(shí)混凝土，相對常規(guī)混凝土而言，提高了混凝土膠凝材料用量，由此也增加了水化作用產(chǎn)生的熱量，致混凝土內(nèi)部溫度升高，且不易消散，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大。隨著期齡增長，彈性模量增大，對混凝土內(nèi)部溫降收縮的約束也越來越大，容易產(chǎn)生有害裂縫。

與相同等級的普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土為了滿足流變性要求，有著較小的骨料用量，較大的砂率和膠凝材料用量，骨料用量小時(shí)，硬化混凝土彈模低，收縮、徐變大;砂率大，有利于施工性和強(qiáng)度但不利于彈性模量;水膠比大，流動性好，但不利于強(qiáng)度和耐久性等等。因此，自密實(shí)混凝土在船閘工程應(yīng)用時(shí)，既要滿足拌合物高施工性能的要求，同時(shí)也要根據(jù)混凝土強(qiáng)度、耐久性、體積穩(wěn)定性等性質(zhì)，確定最優(yōu)的配合比。

3 船閘工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

船閘工程中，閘首及閘室底板內(nèi)部由于自身功能的需要，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其是輸水廊道、閥門井及閘門頂?shù)讟懈浇Y(jié)構(gòu)形狀突變，受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。為滿足強(qiáng)度的要求，這些部位配筋量較大，鋼筋密集，采用常態(tài)混凝土施工難以保證混凝土在入倉過程中不產(chǎn)生離析，且混凝土入倉后平倉、振搗極其困難;尤其是一些連接部位，易形成澆筑死角，混凝土不易進(jìn)入填充密實(shí)，造成脫空現(xiàn)象。很顯然，船閘混凝土澆筑過程中振搗困難以及澆筑后難以密實(shí)等部位，宜采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑。

采用自密實(shí)混凝土澆筑船閘的一些特殊部位，可以解決因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼筋密集使得振搗困難以及難以密實(shí)等難題。但因自密實(shí)混凝土采用的膠凝材料較多，澆筑之后水化熱升溫比常態(tài)混凝土大，且澆筑部位結(jié)構(gòu)突變，熱量不易消散，硬化收縮較大，所以比常態(tài)混凝土更易產(chǎn)生裂縫。水工混凝土各種病害、缺陷主要有裂縫、破損、腐蝕、滲漏、鋼筋銹蝕以及結(jié)構(gòu)外觀變形等，裂縫是混凝土建筑物最常見的病害之一。由于結(jié)構(gòu)物破壞常常是由裂縫開始的，所以人們常把裂縫的存在視為結(jié)構(gòu)物瀕臨破壞的征兆。船閘混凝土在施工期開裂的原因有以下幾點(diǎn):(1)混凝土材料塑性收縮及沉降引起開裂;(2)寬縫設(shè)計(jì)不合理，造成局部應(yīng)力沿寬縫處釋放，產(chǎn)生裂縫;(3)施工過程中混凝土養(yǎng)護(hù)不足導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生;(4)混凝土配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)。船閘部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其受力情況亦較復(fù)雜，尤其是在施工過程中，隨著施工的不斷加載，應(yīng)力的重新分布，以及新老混凝土的溫度、強(qiáng)度、彈性模量的差異所造成的約束，更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在溫度和干縮應(yīng)力的共同作用下，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生?？梢?，控制自密實(shí)混凝土在澆筑過程中水化熱升溫是自密實(shí)混凝土應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

4 防裂措施

水工混凝土防裂的綜合措施主要有:選用中低強(qiáng)度等級的水泥，合理的分縫分塊，有序的進(jìn)度安排，以及適宜的溫控措施和表面保護(hù)等。在船閘施工中應(yīng)從原材料的選擇、混凝土配合比的設(shè)計(jì)，混凝土的拌和、澆筑和養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)認(rèn)真控制質(zhì)量，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

首先從自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)入手，通過優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，保證自密實(shí)混凝土各項(xiàng)性能的前提下，盡量降低水化熱升溫。

4.1.1 自密實(shí)混凝土水膠比

在船閘廊道等結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位的自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，如果膠凝材料用量過大，水化熱升溫較大，容易產(chǎn)生裂縫。因此，設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土?xí)r，在滿足各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)放大水膠比，降低單位混凝土中水泥用量，減少水化熱，改善混凝土的熱學(xué)性能。

4.1.2 粉煤灰等礦物摻合料

礦物摻合料是自密實(shí)混凝土重要的組成部分。粉煤灰是自密實(shí)混凝土最常用的活性礦物摻合料，具有“活性效應(yīng)”、“界面效應(yīng)”、“微填充效應(yīng)”、“減水效應(yīng)”，摻用了大量的粉煤灰可以改善混凝土的工作性能，同時(shí)等量(或超量)取代了水泥，減少了此部分水泥的水化熱，而粉煤灰的水化需要水泥水化生成物形成后才發(fā)生，不僅在時(shí)間上要比水泥滯后，其速率也遠(yuǎn)比水泥要低得多。所以，大量摻用粉煤灰其水化熱溫升未必會高。但是由于大量摻用粉煤灰，可能影響混凝土使用壽命，并加速混凝土表面碳化速度，所以設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土配合比時(shí)，需試驗(yàn)確定其摻量。

4.1.3 加入高效外加劑

要實(shí)現(xiàn)自密實(shí)混凝土的高流動性、高粘聚性等性能，同時(shí)控制水化熱升溫，需加入優(yōu)質(zhì)高效的混凝土外加劑。

(1)采用高效減水劑。自密實(shí)混凝土是隨著高效減水劑的發(fā)展而產(chǎn)生的，高效減水劑的應(yīng)用是自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵。高效減水劑對水泥有強(qiáng)烈分散作用，能大大提高水泥拌合物流動性和混凝土坍落度，同時(shí)大幅度降低用水量，因其大幅度降低用水量從而顯著提高混凝土各齡期強(qiáng)度，且在保持強(qiáng)度恒定時(shí)，則能節(jié)約水泥10%或更多，從而顯著改善自密實(shí)混凝土的工作性能。

(2)采用微膨脹劑。摻加微膨脹劑的混凝土與普通混凝土相比，其主要特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生適度的自生體積膨脹。由于膨脹混凝土中摻入膨脹劑，在養(yǎng)護(hù)早期因生成鈣礬石而產(chǎn)生膨脹，使混凝土更加密實(shí)，在鋼筋和鄰位的限制下，膨脹能以自應(yīng)力的形式儲存在混凝土中，這種預(yù)應(yīng)力改變了混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，與不摻膨脹劑的同強(qiáng)度等級混凝土相比，能部分抵消混凝土冷卻時(shí)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力約占30%，從而達(dá)到補(bǔ)償混凝土由于后期干燥和降溫引起的收縮，避免或減少混凝土的開裂的目的。在淮安三線船閘閘首廊道施工中采用了膨脹混凝土，效果顯著。

4.2 合理選擇混凝土原材料

4.2.1 使用低熱或者中熱水泥

水泥的主要發(fā)熱成分是鋁酸三鈣和硅酸三鈣，降低這兩種成分的含量即能達(dá)到降低其水化熱升溫，采用此措施時(shí)，應(yīng)注意混凝土的抗拉強(qiáng)度和變形性能的變化。

4.2.2 對骨料的要求

粗骨料要求具有合適的粒形、良好的級配;細(xì)骨料要求質(zhì)地堅(jiān)硬、清潔、有機(jī)質(zhì)和有害物質(zhì)含量小、級配良好，以及細(xì)度模數(shù)控制在2．3～3．0范圍之內(nèi)。

4.3 控制混凝土的入模溫度

降低混凝土的人模溫度對于降低廊道混凝土的總溫升，減少混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，控制混凝土的溫度裂縫至關(guān)重要。

(1)合理安排施工進(jìn)度，盡量避免夏季澆筑。

(2)預(yù)冷骨料，加冰拌合。降低混凝土的溫度回升，使混凝土的澆筑的溫度滿足施工要求。

(3)初期通水是降低混凝土水化熱升溫的措施之一。

4.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

為了保證自密實(shí)混凝土的各項(xiàng)性能的正常發(fā)展，預(yù)防收縮開裂，需要對混凝土進(jìn)行充分的養(yǎng)護(hù)。混凝土澆筑完畢之后，需保持混凝土表面濕潤。對于廊道、閥門井等混凝土容易開裂的重要部位，養(yǎng)護(hù)更為重要。

混凝土澆筑完畢后需用草袋覆蓋，加強(qiáng)保濕、保溫養(yǎng)護(hù)，延緩降溫速率，養(yǎng)護(hù)期間不得中斷養(yǎng)護(hù)用水的供應(yīng);要加強(qiáng)施工中的溫度監(jiān)測和管理;及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

自密實(shí)混凝土在船閘工程中的應(yīng)用實(shí)例較少，但在其他水工復(fù)雜結(jié)構(gòu)已有廣泛應(yīng)用，如壓力鋼管底部回填及外包混凝土、蝸殼與肘管二期混凝土、結(jié)構(gòu)孔洞封堵等各種特殊部位。這些部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與船閘工程中的輸水廊道、閥門井及閘門頂?shù)讟杏邢嗨浦?結(jié)構(gòu)形狀突變，配筋量較大且密集。因此，自密實(shí)混凝土在某些水工結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用對船閘工程有著一定的借鑒意義。

5.1 工程概況

云南景洪電站是瀾滄江梯級開發(fā)的水電站之一，裝機(jī)容量1500MW，其引水壓力鋼管底部有3層鋼筋，鋼筋量大且密集，如果按常規(guī)混凝土施工，難以實(shí)現(xiàn)密實(shí)填充，易出現(xiàn)“脫空”現(xiàn)象。在這種情形下，采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑較為適用。

5.2 技術(shù)要求

景洪電站中自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為90dC25，抗?jié)B等級為W10，抗凍等級為F100。

5.3 配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)過配合比設(shè)計(jì)，并經(jīng)試拌，確定了6個(gè)水工自密實(shí)混凝土的配合比。水工自密實(shí)混凝土原材料用量見表1。1號、2號、3號配合比的水工自密實(shí)混凝土的水膠比分別為 0．40，0．38，0．35。1-3 號配合比的水工自密實(shí)混凝土中使用30%的粉煤灰。為進(jìn)一步降低混凝土絕熱溫升，4號配合比是在1號配合比的基礎(chǔ)上摻加了20%，5號和6號配合比分別在2號和3號配合比的基礎(chǔ)上摻加20%的雙摻料。各配合比自密實(shí)混凝土性能見表2。

表1 水工自密實(shí)混凝土原材料用量 kg/m3

表2 自密實(shí)混凝土性能

5.4 生產(chǎn)性試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證所配制水工自密實(shí)混凝土在壓力鋼管部位應(yīng)用的可行性，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在景洪電站施工現(xiàn)場進(jìn)行了6m3自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)性試驗(yàn)?；炷翞殚L方體，尺寸為3m×2m×1m，底部有2層間距為200mm的鋼筋網(wǎng)。水工自密實(shí)混凝土采用5號配合比，水膠比為0．38，摻加30%粉煤灰和20%雙摻料。自密實(shí)混凝土從一個(gè)角落開始澆注，混凝土流動最遠(yuǎn)距離為3．6m，在沒有任何振搗的情況下混凝土能夠自動流平，拆模后發(fā)現(xiàn)離澆注口最遠(yuǎn)處的角落已被自密實(shí)混凝土密實(shí)填充?；炷劣不欢螘r(shí)間后，從頂面鉆芯取樣，由芯樣外觀看，骨料在混凝土中分布均勻，測得該芯樣的密度為2300kg/m3，接近理論密度。生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明所配制的水工自密實(shí)混凝土具有優(yōu)良的流動性和工作性能，適于在景洪電站壓力鋼管周圍用。

6 結(jié)語及展望

(1)自密實(shí)混凝土具有高流動性、高穩(wěn)定性以及高間隙通過能力三方面特性，適用于體形復(fù)雜、鋼筋密集等難以澆筑的特殊部位。

(2)船閘工程中，閘首及底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其是輸水廊道、閥門井及閘門頂?shù)讟懈浇Y(jié)構(gòu)形狀突變，鋼筋密集，澆筑施工難度較大，適宜采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行局部澆筑。

(3)由于自密實(shí)混凝土有著較普通混凝土多的膠凝材料，所以在進(jìn)行局部澆筑時(shí)，需嚴(yán)格控制其水化熱升溫，避免裂縫產(chǎn)生。

(4)在船閘工程局部澆筑區(qū)域采用自密實(shí)混凝土，對提高混凝土施工質(zhì)量、加快進(jìn)度、增加綜合效益等都將產(chǎn)生明顯的作用，因此，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

［1］趙筠．自密實(shí)混凝土的研究和應(yīng)用［J］．混凝土，2007(06):9-17．

［2］周厚貴．水工自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．水利發(fā)電 ，2007(06):26-28．

［3］劉顯斌，樊春喜，宋美麗．小灣大壩自密實(shí)混凝土配合比試驗(yàn)研究與應(yīng)用［J］．葛洲壩集團(tuán)科技，2010(12):79-80．

［4］張?jiān)书惣臆姡悦軐?shí)混凝土在光照水電站工程中的應(yīng)用［J］．貴州水力發(fā)電，2008(05):45-49．

［5］金峰，安雪暉，石建軍，張楚漢．堆石混凝土及堆石混凝土大壩［J］．水利學(xué)報(bào)，2005(11):1347-1352．

［6］楊志堅(jiān)．自密實(shí)混彈性模量影響因素的研究［D］．湖南:湖南大學(xué)，2011-06．

［7］廉慧珍，張青，張耀凱．國內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］．施工技術(shù)，1999(05):1-4．

［8］李紹紅．船閘廊道混凝土防裂措施［J］．山西建筑，2011(01):1．

［9］龔召熊等．水工混凝土的溫控和防裂［M］，中國水利水電出版社，1999-05

［10］崔俊，衛(wèi)帥帥，王莉，侯旭軍．粉煤灰在白密實(shí)混凝土中的應(yīng)用探討．混凝土．2010(06):98-100．

［11］王玲，田培，白杰高，春勇．我國混凝土減水劑的現(xiàn)狀及未來［J］．混凝土與水泥制品，2008(05):1-7．

［12］趙闖．膨脹劑在貴港船閘混凝土中的應(yīng)用［J］．紅水河，2000(06):23-27．

［13］劉利，毛寧．船閘工程中閘首混凝土底板的溫度裂縫控制［J］．水運(yùn)工程，2005(06):72-75．

［14］李克亮，李建平，王永，程延川．水工自密實(shí)混凝土試驗(yàn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2008(02):65-68．