自密實混凝土性能及其在三峽三期工程中的應用

    胡竟賢，紀建林
    （西北勘測設計研究院 三峽工程建設監(jiān)理中心 湖北 宜昌 443133）

    [摘要] 自密實混凝土雖然在建筑工程中已有應用，但在水電工程中很少見到應用的實例，本文介紹了水工自密實混凝土的性能以及在三峽三期工程中的應用。隨著材料科學的發(fā)展，各種類型的新型外加劑投入生產，使對于無法振搗的一些形狀復雜、高密配筋或封閉的特殊結構部位采用免振自密實混凝土施工成為可能。自密實混凝土具有大流動性及良好的粘聚性，使混凝土在自身重力作用下自行流動但不會發(fā)生骨料分離，從而實現(xiàn)自密實。經(jīng)過試驗得到符合施工要求的自密實混凝土配合比，各項性能均達到設計要求，與常態(tài)混凝土比較具有較高的軸拉強度和極限拉伸值，由于自密實混凝土的優(yōu)良性能，成功的應用在三峽工程無法用常規(guī)方法施工的部位。

    [關鍵詞] 自密實混凝土；擴散度；流動性；填充性；力學性能；應用
The Property of SCC concrete and it applies in 3rd Stage Dam at Three Gorges Project
By Mr. Hu Jingxian and Mr. Ji Jianlin
(From: Northwest Designing Institute   Three Gorges Engineers Corp.
Yichang, Hubei  443133)
(Abstract: Although the SCC concrete has numbers of examples applying in build 
Construction field, it has few applying examples in Hydropower projects. The 
herewith article gives the introduction of the property of Scc in hydropower and 
the applying in 3rd Stage Dam at Three Gorges Project. Accompanying with the 
development of new materials, the new sort of admixtures make this into 
possibility that to use scc concrete in concretepouring in the complicated 
geometrical and high-collocated reinforced formwork or some special location in which is blocked out. 
The SCC concrete has the property of high flowability and high consistency, it 
can flow flat under it’s own gravity without any segregation and it is compacted 
by itself. After the indoor lab test, we decide the mix design which can meet all 
the requirement for concrete-construction, the properties meet the designing specification and it has higher 
axis tensile strength and higher ultimate tensile strength. Due to the excellent 
properties of scc concrete, it is successfully used in some special location at 
Three Gorges Project where the ordinary way for concretepouring can not fulfill 
the construction.)

(Keywords):SCC concrete; Spread Table; Flowability; Ability for fill; 
                    Mechanic property; Applying.      
    1  概述
    水工建筑物大體積混凝土絕大部分使用三、四級配低塑性混凝土，只在地下洞室混凝土襯砌或斷面尺寸較小的二期混凝土（如閘門槽回填）才采用大流動度的泵送混凝土。就自密實混凝土而言，雖然在建筑工程中已有應用，但在水電工程中很少見到應用的實例。這里所指的自密實混凝土區(qū)別于一般的大流動度混凝土，它除了具有高流動性外，還應具有良好的粘聚性，使混凝土在自身重力作用下自行流動但不會發(fā)生骨料分離，從而實現(xiàn)自密實。隨著材料科學的發(fā)展，各種類型的新型外加劑投入生產，使對于無法振搗的一些形狀復雜、高密配筋或封閉的特殊結構部位采用免振自密實混凝土施工成為可能。

    1999年，青云公司試驗室最早開展了三峽二期工程自密實混凝土的試驗研究，三七八聯(lián)總試驗室也相繼開展這方面的研究工作，并分別在三峽二期工程大壩壓力鋼管槽回填及電站廠房三期坑中應用[1]。但早期施工選用萘系緩凝高效減水劑，混凝土粘聚性較差，以致在混凝土入倉處發(fā)生骨料堆積。后來改用JM-Ⅱ萘系泵送劑加ZNJ增粘劑聯(lián)合摻用的辦法，克服了骨料分離的問題，使混凝土具有高流態(tài)、抗分離和粘聚性好的優(yōu)良性能，但需人工添加增粘劑，生產程序較為復雜。在三期工程中經(jīng)過幾個試驗單位的反復對比試驗，確定選用新型的聚羧酸系的Glenium SP8cr-hc超高效減水劑。以下主要介紹自密實混凝土的性能以及在三峽三期工程中的應用情況。

    2  混凝土原材料
    水泥：在水工建筑物中，為減小水泥水化熱溫升，宜選用中熱硅酸鹽或低熱硅酸鹽水泥，在三峽三期工程中，自密實混凝土采用石門42.5中熱、石門42.5低熱硅酸鹽水泥，水泥28天抗壓強度分別達到53.8MPa、53.3 MPa，7天水泥水化熱分別為273kj/kg、208kj/kg。

    粉煤灰：采用襄樊Ⅰ級粉煤灰，需水量比92%，細度3.0%。

    骨料：下岸溪料場生產的人工砂、人工碎石，表觀密度為2650kg/m3，粗骨料最大粒徑選用40mm，人工砂細度模數(shù)2.50-2.60，石粉含量10%-14%。

    外加劑：采用上海麥斯特生產的聚羧酸系Glenium SP8cr-hc超高效減水劑及AIR202引氣劑。SP8cr-hc和傳統(tǒng)的高效減水劑的作用機理不同，在聚羧酸謎主分子上復合著很長的側鏈，極大地提高了對水泥顆粒的離散能力，混凝土拌和過程中，主分子之間靜電排斥產生離散，在主分子背側的側鏈會產生位阻現(xiàn)象，進一步提高水泥顆粒之間的距離保持能力。聚合物分子用特殊的合成技術合成“時間釋放”效應，可延長混凝土的可工作時間，但不造成混凝土凝結的延緩，有助于提高混凝土工作度的保持能力和混凝土的早期工作強度。

    3  混凝土配合比設計
    適合于工程施工需要的混凝土配合比，最直接的辦法是通過試驗確定，在試驗前，應根據(jù)已有工程資料對試驗進行指導。自密實混凝土各種材料組成可按絕對體積法計算，其各參數(shù)間的關系，筆者根據(jù)文獻資料及現(xiàn)場施工情況，歸納如下幾條考慮原則：

    ⑴ 混凝土水膠比。除了與常態(tài)混凝土一樣，混凝土水膠比選擇應滿足混凝土各項性能外，還必須考慮大流動度混凝土為保持良好的粘聚性需要對最大水膠比的限量。減小水膠比，可以增加混凝土的粘聚性，由試驗結果得到，當水膠比在0.35-0.40之間時，骨料可以隨著漿體通過多層鋼筋網(wǎng)，當水膠比大于0.40時，骨料通過鋼筋網(wǎng)的能力減弱，因此當鋼筋比較密集時，水膠比以不大于0.40為佳。但對于較大的澆筑塊體，相對鋼筋較少時，亦可適當增大水膠比，根據(jù)施工經(jīng)驗，澆筑強度等級較低的混凝土，采用0.48水膠比，混凝土仍能保持良好性能。

    ⑵ 混凝土膠凝材料用量。為了達到大流動和保持混凝土良好的粘聚性，混凝土膠凝材料不應過低。在水工混凝土中，不希望用過高的膠凝材料用量，這樣會增大水泥水化溫升，而過低膠凝材料用量，又會使混凝土粘聚性變差，根據(jù)三峽工程經(jīng)驗，膠凝材料用量大致在350kg/m3-450 kg/m3之間選定。

    ⑶ 混凝土單位用水量。增加單位用水量，可以增大混凝土流動度，但混凝土易發(fā)生分離析，增大混凝土泌水，影響到混凝土的和易性，要得到優(yōu)質的混凝土，在保證混凝土流動度前提下，應采用較小的單位用水量，為此在配制自密實混凝土時，應選用減水率高的且能保持混凝土結構穩(wěn)定的外加劑，對自密實混凝土而言，外加劑選擇成為決定自密實混凝土性能的關鍵因素。

    混凝土的水膠比、膠凝材料用量及用水量三者之間是互相關聯(lián)的一個整體，需進行綜合比較后確定，為了得到流變性好的自密實混凝土配合比，應采用較低的骨料含量和足夠粘度的砂漿。根據(jù)美國P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的觀點，水泥漿與骨料的體積比應為35:65[2]，三峽工程的試驗結果中水泥漿體積（包括摻和料及含氣量體積）與骨料體積比例與上述結果比例很接近。

    ⑷ 混凝土摻和料。摻入細磨粉煤灰的微珠效應和復合高效減水劑作用疊加，賦予混凝土良好的免振自密實性能[3]，而且摻入粉煤灰可以減低水泥水化熱溫升。為了滿足最低膠凝材料用量，在膠材總量不變的情況下，合適選取粉煤灰摻量，可以滿足各種強度等級混凝土要求。

    ⑸ 混凝土砂率。有資料認為，自密實混凝土的砂率大小，影響著免振與振搗強度比的大小，并提出自密實混凝土砂率應在普通混凝土的基礎上提高3%-5%[4]。根據(jù)三峽工程應用的結果，自密實混凝土砂率比泵送混凝土砂率提高4%-5%。

    ⑹ 骨料粒徑及級配。為了減小骨料分離，也為了能采用混凝土泵輸送入倉，骨料最大粒徑應不超過40mm，且中石與小石比例采用50:50或40:60為宜。

    4  混凝土拌和物性能

    ⑴ 流動性
自密實混凝土屬于高流態(tài)混凝土，不宜單一采用坍落度評價其流動性，依據(jù)《水工砼試驗規(guī)程》（DL/T5150-2001）中的混凝土拌和物擴散度試驗方法測定混凝土拌和物擴散度，以此來評價自密實混凝土拌和物流動性能。當試驗采用粗骨料最大粒徑20mm，水膠比0.37，用水量180kg/m3時，摻0.5%的SP8cr-hc超高效減水劑混凝土擴散度約為50cm，在30min內還有增長，30min后趨于穩(wěn)定，60min無損失；當采用粗骨料最大粒徑40mm，水膠比0.40，用水量160kg/m3時，混凝土擴散度亦達到50cm。上述混凝土表觀性好，在擴散度測試過程中骨料無離析現(xiàn)象。由于SP8cr-hc外加劑的二次釋放功能，提高了混凝土擴散度保持能力，有利于混凝土澆筑。
 

    ⑵ 通過鋼筋柵間隙能力
    為評價混凝土拌和物通過鋼筋間隙的能力，使用圖1試驗裝置進行試驗。使拌和物從A向B水平流動通過兩層間距為8cm的鋼筋柵（鋼筋直徑25mm），分別檢測a、b兩處的混凝土容重和高差，通過混凝土容重和高差比較評價混凝土通過鋼筋間隙的能力。試驗結果表明，在混凝土參數(shù)基本相同情況下，水膠比為 0.37時，a、b兩處的容重差為0，高差0.3cm-0.5cm；水膠比增大到0.40時，容重差為4%，高差有所增大，表明混凝土拌和物通過鋼筋柵能力與混凝土水膠比有很大關系，當建筑物鋼筋密集時，水膠比不宜大于0.40。
    ⑶ 填充性 
 
    填充能力是衡量自密實混凝土工作性的一個重要指標，一般采用BOX模型試驗來檢驗，考慮到BOX模型太小，難以反映拌和物通過多層鋼筋后的填充能力，根據(jù)實際情況對BOX模型進行了改良，改良后的試驗裝置為一長×寬×高=2m×0.3m×0.5m的木制“U”型槽，內置多層鋼筋網(wǎng)，示意圖見圖2。試驗時混凝土從一端倒入，流經(jīng)布有鋼筋網(wǎng)的中部，從另一端翻出。觀察拌和物在流經(jīng)鋼筋網(wǎng)后是否發(fā)生分離，待混凝土硬化后，拆模觀察混凝土對整個試驗裝置的填充情況和表面是否有缺陷。試驗結果采用如上所述的最大粗骨料粒徑為20mm、水膠比為0.37的混凝土，流經(jīng)鋼筋網(wǎng)后混凝土無分離現(xiàn)象，拆模后“U”型槽試模邊角填充飽滿，試件外觀無缺陷。
    5  混凝土力學性能及耐久性能
    自密實混凝土的抗壓強度在水膠比及粉煤灰摻量相同情況下，與常規(guī)混凝土基本相同，但自密實混凝土具有較高的的軸拉強度和極限拉伸值，同時自密實混凝土也具有良好的抗凍和抗?jié)B性能，表1及表2中列出了混凝土抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸以及混凝土抗凍、抗?jié)B性能試驗值。 
 

表1    混凝土抗壓強度

表2    混凝土力學性能

    6  工程應用實例
    實例一：右岸電站廠房肘管底部二期回填 

    右岸電站廠房肘管底部二期回填第一層因施工振搗困難，采用下部為大坍落度泵送混凝土、上部為自密實混凝土的施工方法，其中自密實混凝土由下至上分別分別采用二、一級配，倉號結構示意圖見圖3，混凝土施工配合比主要參數(shù)見表3。單倉沿壩軸線方向長約為35m，混凝土澆筑方量約830m3，其中自密實混凝土約660m3，澆筑歷時約22小時，混凝土澆筑采用泵送，在肘管上開孔灌注，現(xiàn)場澆筑情況良好。倉內埋設兩層冷卻水管通制冷水以降溫削減混凝土內部最高溫度峰值，進水溫度8℃-10℃，澆筑即開始通水，24小時換向一次，混凝土內部出現(xiàn)最高溫度前通水流量35L/min-40L/min，最高溫度出現(xiàn)后通水流量降至18L/min-25L/min。根據(jù)經(jīng)驗公式推算出一、二級配混凝土的3天水泥水化熱溫升分別為37℃和34℃，預冷混凝土出機口溫度約8℃，澆筑溫度約15℃，混凝土內部3天左右達到約40℃的最高溫升，冷卻水管的埋設削減最高溫度約9℃-12℃。 
 

表3    自密實混凝土施工配合比主要參數(shù)

    備注：一級配混凝土開始采用0.37水膠比，后因溫控要求水膠比改為0.40。
    
    圖4 引水壓力鋼管槽剖面圖

    實例二：右岸大壩引水壓力管道槽回填
    右岸大壩引水壓力鋼管直徑12.4m，管道槽底部先使用常規(guī)混凝土回填，澆筑至鋼管附近因振搗困難改用二級配自密實混凝土，結構示意圖見表4，混凝土施工配合比主要參數(shù)見表3，混凝土溫控措施類似于實例一。
實例三：泄洪壩段導流底孔封堵
    
    導流底孔結構示意圖見圖5，混凝土施工配合比主要參數(shù)見表4。單孔沿壩軸線方向長為5.4m，封堵分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三段，混凝土澆筑方量分別約為2200 m3、1700 m3和1500 m3，其中Ⅰ、Ⅲ段采用中熱42.5硅酸鹽水泥，Ⅱ段采用低熱42.5硅酸鹽水泥。每段分4層澆筑，1-3層使用泵送混凝土，頂部第4層使用二級配自密實混凝土（Ⅰ、Ⅱ段從▽66.0m開始，Ⅲ段從▽64.5m開始），單孔自密實混凝土澆筑總量約1200m3，澆筑強度約10 m3/h，混凝土溫控措施類似于實例一。  

表4    自密實混凝土施工配合比主要參數(shù)

    備注：帶“*”的使用低熱42.5硅酸鹽水泥。
    7  結論
    自密實混凝土具有大流動性及良好的粘聚性，依靠自重充填密實，經(jīng)過試驗得到符合施工要求的自密實混凝土配合比，各項性能均達到設計要求，與常態(tài)混凝土比較具有較高的軸拉強度和極限拉伸值，由于自密實混凝土優(yōu)良的工作性能，成功的應用在三峽工程無法用常規(guī)方法施工的部位。
外加劑的選擇，是決定自密實混凝土性能的一項關鍵因素，工程中采用的SP8cr-hc外加劑是具有延時釋放的高效減水劑，同時具有側鏈的位阻效應，增加了混凝土的粘聚性，在自密實混凝土中應用是比較理想的外加劑。
    采用自密實混凝土，相對常規(guī)混凝土而言，提高了混凝土膠凝材料用量，由此也增加了水泥水化熱溫升，在水工建筑物上應用，應采用一定溫控措施，以減低混凝土澆筑塊體最終溫升。

    [參考文獻]
    [1] 方志勇，自流平混凝土在三峽二期工程中的應用，《科技進步與對策》第234頁，科學出版社，2003年12月。
    [2] 楊樹桐、吳智敏，自密實混凝土力學性能的試驗研究，《混凝土》2005年第1期。
    [3] 謝友均、周士瓊、尹健、劉寶舉，免振高性能混凝土力學性能及耐久性研究，建筑材料科學報，第3卷第2期，2000年6月。
    [4] 張長清，免振搗自密實混凝土與振搗混凝土的對比，武漢城市建設學院學報，第16卷第3期，1999年9月。

0.37

180

25

49

0.5

0.7

C25F250W10

一

0.40

175

20

51

0.5

0.4

C25F250W10

二

0.40

160

25

48

0.6

0.4