回填微膨胀自密实混凝土配制及单轴膨胀试验.pdf

第 6期 2 0 1 4年 l 2月 水利水运工程学报 HY I 球 0- S a匝NCE AND GD咂E砌 G No 6 De c 201 4 回填微膨胀 自密实混凝土配制及单轴膨胀试验 刘伟 宝，陆采荣，王 珩 ，梅 国兴，戈雪良，杨 虎 ( 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 ，江苏 南京2 1 0 0 2 9 ) 摘 要 ： 某水电站采用平压水箱平衡蜗壳内水压力， 虽已安全运行了数十年， 但水箱内产生了严重锈蚀 ， 检修条 件困难 ， 存在安全隐患。为研究回填微膨胀 自密实混凝土替代水箱方案的可行性， 开展了回填微膨胀 自密实混 凝土的配制及其单轴膨胀模拟试验研究。根据替代方案的设计要求， 回填微膨胀 自密实混凝土应具有合适 的 膨胀量 ， 无需振捣即可将水箱充填密实。采用工程当地原材料， 通过拌和物性能试验及水胶比一 强度试验 ， 确定 了水胶 比、 砂率等混凝土配合比参数。通过限制膨胀试验和模拟单轴膨胀试验研究了膨胀剂掺量与变形的关 系。提出的微膨胀 自密实混凝土流变参数在合理范围以内。提出的回填低热微膨胀 自密实混凝土配合 比及单 轴膨胀 模拟试 验方法 可供 相关研究 和工程参考 。 关 键词 ：回填； 微膨胀；自密实混凝土； 混凝土配制； 流变性能； 单轴膨胀 中图分类号： T U 5 2 8 5 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 0 X( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 1 6 0 6 某设计水头 1 8 m的闸墩式 电站 ， 在电站机组段两侧的溢流坝宽缝内设置了与上游水库相连通的平压水 箱 ， 以抵消和平衡蜗壳的内水压力 ， 减少蜗壳外 围钢筋混凝土结构应力 。该方案使 电站安全运行了数十年 ， 但水箱内严重的锈蚀增加 了安全隐患。而且水箱内存在支撑钢架 ， 检修工作因空间小而实施 困难 ， 为此提出 了采用回填微膨胀 自密实混凝土的替代方案。 该方案需要研究满足混凝土限制膨胀率 、 自生体积膨胀变形、 蜗壳补加力等要求 的最优配合 比。同时 ， 混凝土须满足 自密实 、 缓凝、 可泵性好等特点。由于 自密实混凝土通常含有较多胶凝材料且水胶 比较低 ， 其 自收缩和干缩也较大 ， 配制微膨胀 自密实混凝土需要掺加适量 的膨胀剂。通过三维有限元分析 ， 蜗壳放空 ， 在平压水箱的水压力作用下 ， 蜗壳外 围混凝土 向蜗壳方 向产生 0 1 50 2 5 m m的法 向变形 ； 平压水箱放空 ， 在蜗壳充水的水压力作用下 ， 蜗壳外 围混凝土 向平压水箱方向产生 0 3 0 0 5 0 m m的法 向变形。回填混凝 土水平方向长度为 1 m， 对其水平方向的变形上下限要求可认为是： 当混凝土膨胀量不大于 2 0 0 1 0 。 。 。 、 收缩 量不大于 4 0 0 x 1 0 时 ， 混凝土的变形在安全范围内。 通常通过限制膨胀率试验和自生体积变形试验来优选膨胀剂掺量。但 在室 内试验 中， 混凝土的限制膨 胀和收缩是在饱水条件和干燥条件下 的状态 ， 并不能代表实际工况 。实际工况下 ， 混凝土处于相对密闭状 态 ， 与外界没有水气交换。因此对于平压水箱内的微膨胀混凝土 ， 从长期来看 ， 其理想状态是在模 拟的相对 封闭状态下 ， 混凝土早期膨胀且膨胀量在水平方 向为 2 0 0 1 0 左右 ( 还应考虑 温度变形对水平方 向的影 响) ， 后期允许有部分收缩 ， 但最大不能超过 4 0 0 x 1 0 。 1 混凝土配制方案 根据对回填设计方案的技术需求分析 ， 该混凝土特点是微膨胀性 、 自密实性及低发热量 ， 而填充部位无 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 2 7 基金项目： 水利部公益性行业科研专项资金项 目( 2 0 1 3 0 1 0 5 2 ) 作者简介： 刘伟宝( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 宁夏中卫人 ， 高级工程师， 博士研究生， 主要从事水工混凝土材料及耐久性研究。 E ma i l ：wb l i u nh r i 12 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘伟宝， 等 ：回填微膨胀自密实混凝土配制及单轴膨胀试验 1 7 配筋， 因此建议该混凝土设计指标为： 强度等级 C 2 0 ， 抗冻等级 F I O 0 ， 抗渗等级 W4 ， 坍扩度( 6 0 0 5 0 ) m m 。 取 2 8 d龄期的强度保证率为 9 5 ， 概率度系数为 1 6 5 ， 强度标准差为 4 0 M P a ， 计算可得混凝土配制强 度为 2 6 6 M P a 1 J 。 I I 级粉煤灰掺量可按重力坝常态 内部混凝土考虑 ， 因此在掺用粉煤灰时， 最大掺量可选 5 0 。 自密实混凝土是可以在 自身重力作用下填充密实的混凝土 ， 因此需要足够的浆体来满足流动性需求 ， 要达到 6 0 0 m m左右的坍扩度。一般来说 自密实混凝土的水胶比在 0 3 5 0 4 5之 间， 如果骨料的粒型不够 理想 ， 就需要更多的胶材和用水量 。水胶 比必须 同时满足混凝土强度和耐久性的要求。因此 自密实混凝土 的单位粉体量宜为 0 1 6 0 2 3 m ， 大致相 当于 4 5 0 6 5 0 k g m。 的胶材用量 J 。对于 自密实混凝土， 用水量 一 般为 1 5 51 8 0 k g m 。 ， 砂率一般为 5 0 左右 ， 因为在大流动性 时， 混凝土的稳定性非常重要 ， 高砂率有利 于混凝土的稳定 。另外 ， 自密实混 凝土 的骨料 最大粒 径一般 不大 于 2 5 m m， 粗骨料 体积一 般为 0 2 8 0 3 3 m ， 相 当于粗骨料用量 7 5 0 9 0 0 k #m ， 所以 ， 砂用量较一般常态混凝土高。混凝土含气量控制为 4 左右 ， 含气量与混凝土的塑性黏度呈反 比关系 ， 有一定 的微小气泡可 以提高混凝土的流动性 。综上所述 ， 提 出主要配制参数见表 1 。 表 1 混凝土的主要配制参数 Ta b1 Mai n pa r a me t e r s o f c o n c r e t e pr e pa r a t i o n 2混凝土 配合 比试验 试验采用 4 2 5级普通硅酸盐水泥 、 级粉煤灰 、 水 电站附近砂场的天然砂和人工碎石 ， 细骨料的细度模 数为 2 6 2 ， 粗骨料粒径 5 2 0 m m和 2 O一 4 0 mm共 2个粒级。外加剂采用 了低碱型膨胀剂和 自密实混凝土 专用 的缓凝型减水剂和引气剂。 考虑到骨料碱活性抑制、 2 8 d抗冻等级和混凝土低热性 的要求 ， 对比 4个水胶 比( 0 3 3 ， 0 3 5， 0 3 7和 0 3 9 ) ， 调整砂率 找到满足工作性要求 的水胶 比； 再选取 2个 粉煤灰 掺量 ( 3 0 和 5 0 ) ， 2个膨胀剂用量 ( 5 和 1 0 ) 进行试验 ， 找到满足配制强度要求和限制膨胀率要求的配合 比。 根据砂率试验结果 ， 当砂率为 5 0 时 ， 混凝土的坍扩度最大 ， 整体稳定性较好 ； 而砂率较小时， 混凝土粗 骨料明显包裹不足 ， 流动性变差 ； 当砂率较大时 ， 混凝土显得较干， 流动性也不足。砂率为 5 0 时 ， 粗骨料用 量为 8 0 3 k g m ， 体积为 2 9 7 L， 此 时混凝土流动性满足要求。 选择 4个水胶比， 5 0 粉煤灰用量对混凝土水胶比进行试拌 ， 配合 比及工作性测试结果见表 2 。粗骨料 采用小石 ：中石 = 7 0： 3 0 。 表 2混凝 土水胶 比试验 配合 比 Ta b 2 Co n c r e t e mi x pr o po r t i o n o f wa t e r - c e me n t i t i o u s r a t i o t e s t s 试验结果表明： 当水胶比0 3 5 时， 用水量 1 6 5 k g m ， 胶材用量 4 7 2 k #m ， 坍扩度6 2 0 m m， 满足工作性 要求 ； 当水胶 比大于 0 3 5时 ， 胶材用量不 足， 流动性不够 ； 而 当水胶 比小 于 0 3 5时 ， 胶材用量较高 ， 不够经 济 ； 而在较高用水量 ， 较大水胶 比时 ， 容易出现浆骨分离现象。因此综合分析 ， 选择水胶 比为 0 3 5 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 1 2月 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘伟宝，等：回填微膨胀 自密实混凝土配制及单轴膨胀试验 1 9 模采用 4 5 # 厚壁无缝钢管 ， 形成较强环向约束 ， 轴 向采用直径 1 2 m m的 A 3钢筋限制变形 ， 顶端设置千分 表测定在膨胀力 作用下的钢筋变形 ， 根据约束钢筋截面积 和弹性模量 ， 可以 计算得 出此条件下 的膨胀力。单轴膨胀应力采用 以下公式 计算 ： = 1 。 。 。 詈 E ( 1 ) 式中： F 为单轴膨胀应力 ( M P a ) ； A 为 A 3限制钢筋截面积 ( 1 1 3 mm ) ； 为混凝土试件截面积( 1 3 9 9 0 mm ) ； 为 A 3 限制钢筋变形 ( mm) ； 为 A 3限制钢筋长度 ( 2 8 0 m m) ； E为 A 3限制钢筋弹性模量 ( 2 0 0 G P a ) 。 模具准备好后 ， 内部涂抹 黄油 ， 衬人一层塑料袋 ， 然后 将混凝 土灌人 ， 将塑料袋封 口， 以保证混凝 土为绝湿状态 ， 然后盖上顶板 ， 将其放置在 2 0 c 【 = 恒温环境下 。混凝土 的膨 胀作用在底部钢板 和顶部活动板上 ， 顶部活动板将 此膨胀 力传递 到限制钢筋 上产生变形 。混凝 土初 凝后测初 长 ， 随 后每隔一段时间测量 中心的钢筋变形 ， 就可 以计算 出混凝 土在膨胀剂 的作用 下对 钢筋施 加 的膨 胀力 。试 验结果 见 表 6 和图 3 。 0 7 1 4 2 1 2 8 3 5 4 2 4 9 5 6 6 3 7 O 7 7 8 4 9 1 龄期 d 图3 混凝土配筋约束变形测试结果 Fi g 3 Re i n f o r c e me n t c o ns t r a i n t d e f o r ma t i o n t e s t r e s u l t s o f c o n c r e t e 表 6 膨 胀应 力测 定试 验结果 T a b 6 T e s t r e s u l t s o f e x p a n s i o n s t r e s s 经计算 ， 掺加 5 和 1 0 膨胀剂 的 自密实混凝土在模拟单 轴约束条件下 ， 1 4 d可产 生的膨胀应力为 0 0 7 6 MP a 和 0 1 0 0 MP a ， 未超出最大 0 2 MP a的安全限值 ， 且 8 4 d的变形仍稳定。 5 流变参数 对掺用 5 膨胀剂 的配合比 Q P S 1 ， 采用流变仪进行流变参数测试 ， 结果见表 7和图 4 。流变参数主要为 混凝土剪切屈服应力和塑性黏度 ， 前者可衡量混凝土在流动时需要克服的阻力 ， 后者可衡量混凝土的黏稠度 及流动速度 。在 9 0 mi n内， 该混凝土的流变参数坐标均落在 O H wa l l e v i k 【 提出的 白密实混凝土推荐 区域( 五角星围成 的框内) 。表明该混凝土在 9 0 mi n内， 即使静置 ， 仍 然能够 保持 良好的工作 性和 自密 实性 ， 有 利于施工 的连续 性和有 序性。 需要说 明的是 ， 这个工作性保持时间代表的是理论上混 凝土从 出机到泵送浇筑的最大时间间隔。在实际施工 中， 由 于搅拌车会对混凝土进行持续搅拌 ， 混凝土的工作性保持时 间会更长。另外这个工作性保持时间也并非指整个混凝土 浇筑一定要在 9 0 mi n内完成 ，控制浇筑时间间隔的是混凝 塑性黏度 “ f r a s ) 图4 混凝土流变参数试验结果 Fi g 4 Re s u l t s o f c o n c r e t e r h e o l o g i e a l p a r a me t e r s t e s t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 4年 1 2月 土的初凝时间这个参数 ， 该时间一般为几小时到十几小时 ， 混凝土的浇筑间隔只要不大于此初凝时间即可实 现混凝土的无缝对接 。另外 ， 初凝时间可通过外加剂等手段根据现场需要调整 。 表 7混凝 土流变参数试验结果 T a b 7 Re s u l t s o f c o n c r e t e r h e o l o g i c a l p a r a me t e r s t e s t 6 结 语 ( 1 ) 回填混凝土的设计指标应该考虑使用条件对力学性能、 流动性、 变形性能的要求 ， 特别是膨胀或收 缩的限制范围做出明确要求。 ( 2 ) 限制膨胀和收缩试验 、 干缩试验 、 自生体积变形试验均是在特定标准条件下开展 的， 与回填混凝土 实际使用工况可能存在差异 ， 针对实际工况开展模拟试验是必要的。 ( 3 ) 提出的单轴膨胀模拟试验符合平压水箱 回填混凝土的实际工况 ， 通过该模拟试验可以评估 回填混 凝土的膨胀量和收缩是否满足安全限值要求 。 ( 4 ) 提出的自密实微膨胀混凝土配合 比的拌合物坍扩度为 6 3 5 mm， 含气量为 4 O ， 流变参数中剪切屈 服应力为 1 0 P a ， 塑性黏度为 5 5 P a s 。钢筋间隙通过性优 良， 振动离析率为 3 0 ， 流变参数在合理范围内。 参考文献 ： 1 D L T 5 3 3 0 2 0 0 5 ，水工混凝土配合比设计规程 s C h i n e s e ) ) 2 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ，自密实混凝土应用技术规程 s a p p l i c a t i o n S ( i n C h i n e s e ) ) ( D L T 5 3 3 0 2 0 0 5 ，C o d e f o r m i x d e s i g n o f h y d r a u l i c c o n c r e S ( i n ( C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ，T e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s f o r s e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t e 3 WA L L E V I K O H， WA L L E V I K J E R h e o l o g y a s a t o o l i n c o n c r e t e s c i e n c e ： t h e u s e of r h e o g r a p h s a n d w o r k abi l i t y b o x e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 1 2 7 9 1 2 8 8 4 陈小成膨胀剂在高性能混凝土中的应用研究 J 科技信息 ， 2 0 0 8 ( 2 1 ) ：1 0 1 1 0 3 ( C H E N X i a o c h e n g R e s e a r c h o f e x p a n d i n g a g e n t a p p l i c a t i o n i n h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J S c i e n c eT e c h n o l o g y I n f o rma t i o n ， 2 0 0 8( 2 1 ) ：1 0 1 1 0 3 ( i n C h i n e s e ) ) 5 陈春月试析混凝土膨胀剂的应用 J 水利规划与设计，2 0 0 8 ( 6) ：6 7 - 6 9 ( C H E N C h u n - y u e A t t e m p t i n g a n a l y s i s o f c o n c r e t e e x p a n d i n g a g e n t a p p l i c a t i o n J Wa t e r R e s o u r c e s P l a n n i n g a n d D e s i gn， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 6 7 -6 9 ( i n C h i n e s e ) ) 6 陆采荣，刘伟宝， 梅国兴， 等呼和浩特抽水蓄能电站水道系统钢管外回填微膨胀混凝土配合比及性能试验研究 R 南京 ： 南京水利科学研究院， 2 0 0 8 ( L U C a i r o n g ， L I U We i b a o ， M E I G u o x i n g ， e t a1 E x p e r i m e n t al s t u d i e s o f m i x p r o p o r t i o n a nd p e r f o r ma n c e o f mi c r o e x p an s i o n ba c k f i l l c o n c r e t e o f o u t s i d e wa t e r wa y s y s t e m p i p e o f Ho h ho t p ump e d s t o r a g e po we r s t a t i o n R N a n j i n g ： N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e ar c h I n s t i t u t e ， 2 0 0 8 ( i n C h i n e s e ) ) 7 N E V I L L E A M混凝土的性能 M 刘数华， 冷发光， 李新宇， 等， 译北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 ( N E V I L L E A MP r o p e r t i e s o f c o n c r e t e M T r a n s l a t e d b y L I U S h u h u a ，L E N G F a g u a n g ， L I X i n y u ， e t a 1 B e O i n g ：C h i n a A r c h i t e c t u r e& B u i l d i n g P r e s s ， 2 0 1 1 ( i n C h i n e s e ) ) 8 李宁，叶燕华，杜艳静 ， 等膨胀剂掺量对 自密实混凝土收缩性能的影响 J 建筑技术， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 2 ) ：1 1 1 4 1 1 1 7 ( L I N i n g ， Y E Y a n h u a ，D U Y a n j i n g ， e t a 1 I n fl u e n c e of e x p a n d i n g a g e n t c o n t e n t o n s h r i n k a g e p e r f o r ma n c e of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e J A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 1 1 1 4 1 1 1 7 ( i n C h i n e s e ) ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘伟宝， 等 ：回填微膨胀自密实混凝土配制及单轴膨胀试验 Ex pe r i me nt a l s t u di e s o n pr e pa r a t i o n a n d u ni a x i a l b a c k- f i l l mi c r o- e x p a ns i v e s e l f c o m p a c t i ng e x pa ns i o n s i mul a t i o n o f c o n c r e t e ( S C C) LI U W e i - ba o， LU Ca i r o n g，W ANG He n g， MEI Guo x i n g ， GE Xue l i a n g， YANG Hu ( S t a t e K e y L a b 。 r a t 。 r y o f H y d r o l o g y W a t e r R e s o u r c e s。 n d H y d r a l i c E n g i n e e r n g ， 月 M Z c s e 。 n I n s t i t u t e ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：P r e s s u r e b a l a n c e d w a t e r t a n k i s a p p l i e d t o b a l a n c e t h e wa t e r p r e s s u r e i n c o n c r e t e v o l u t e a t a h y d r o e l e c t ric p o we r s t a t i o n wh i c h h a s o p e r a t e d s a f e l y f o r d e c a de s Ho we v e r ， c o I T o s i 0 n o c c u n e d i n t h e t a n k s i n t he s e y e a r s I t i s t o o d i f f i c u l t t o r e pa i r a n d t h e r e i s a s a f e t y p r o b l e m i n t h e p o we r s t a ft o n I n o r d e r t o s t u d v t h e f e a s i b i l i t y o f b a c k fi l l i n g mi c r o e x p a n s i o n S C C a s s u b s t i t u t i o n for p r e s s u r e w a t e r ， e x p e r i me n t s o f p r e p a r a t i 0 n a n d p e r t o n na n c e h a v e b e e n c a r r i e d o u t a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n r e qu i r e me n t s By a d o p t i n g t h e s i t e r a w ma t e r i a l s mi P r a me t e r s s u c h a s wa t e r c e me n t r a t i o a n d s a n d r a t e a r e d e t e r mi n e d b y a s e r i e s o f i r e s h c o n c r e t e t e s t s a n d s t r e n g t h t e s t s Th e r e l a t i o ns hi ps be t we e n t h e do s a g e o f s we l l i n g a g e n t a nd d e lf 0 瑚 a t i o n 0 f c o n e I e t e h a v e b e e n s t u d i e d b v r e s t r i c t e d e x p a n s i 。 n e x pe r i me n t s，a u t 。 g e n。 a s V o l u me d e f o r ma t i 。 n t e s t s a n d un i a x i a 1 e x p a ns i o n e x pe r i me n t s T h e fi l l i n g a b i l i t y o f t h i s t y p e o f S C C i s v e r i fi e d b y r h e o l o g i c a l e x p e ri me n t s a n d a s i mu l a t i v e s e l f -f il l i ng t e s t Th e mi x p r o po r t i o n a nd t h e p e r f o rm a n c e o f b a c k fil l i n g mi c r o- e x p a n s i o n SCC c a n p r o v i de a r e f e r e nc e for r e l a t i v e r e s e a r c h e s a n d s i mi l a r wo r k s o f h y dr a u l i c e ng i n e e r i n g Ke y w o r d s ：b a c k - fi l l ；m i c r o e x P a n s i 。 n ；s e l f - c o m p a c t i n g c 。 n c r e t e( S C C) ；c 。 n c r e t e p r e p a r a t i o n ；r h e 。 1 。 g i c a l p r o p e rti e s；u ni a x i a l e x p a ns i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m