自密实混凝土的特性及在船闸工程中的应用.pdf

2 0 1 5 年第 2 期 水利规划与设计 科研 管理 DOI ：1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 — 2 4 6 9 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 4 自密 实混凝土的特性及在船 闸工程 中的应用 吴 星 ，杨 斌 ( 重 庆交通大学河 海学院 ，重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 自密 实混凝土具有高流态、免振 等特性 ，适 用于体形复杂、钢 筋密集等难以浇筑的特 殊部 位。本文通过 分 析 自密实混凝土的各项性能以及船 闸工程特殊部位的结构特点 ，提 出了船 闸工程 中结构复杂、钢筋 密集 、难 以浇 筑的特殊部位采用 自密 实混凝土进行浇筑 ，并得 出控制混凝土浇筑过程 中的水化热升温是 自密 实混凝土在船 闸施 工应 用中的 关键之一 ，进而提 出了一 系列温控防裂措施。 关 键 词 ： 自密 实 ；船 闸 ；水 化 热 ；温控 中图分类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 2 — 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 — 0 0 7 2 — 0 4 1 前 言 筋 ， 自密 实 混 凝 土 ( S e l f -- C o mp a c t i n g C o n c r e t e ，简 称 S C C ) 是一种不需要振捣 ，仅依靠重力作用就可 以达到 密实 且 不 离 析 、不 泌 水 的 新 型 混 凝 土 。 自 2 0世 纪 8 0年代 ，“ 自密实 ” 混凝 土 问世 以来 ，经 过 大量 的研 究 和应用 ，很快 成 为一种 实 用 的 、施 工 性 能 良好 的混凝 土 。它具有 下列 优点 ：① 能 适 用 于结 构 复杂 或配筋 密集 、作业 面狭 窄 、人 工 和机 械手 段 均无法振捣的混凝土结构部位 ；②具有 良好的工作 和力学 性 能 ，能 够 避 免 传 统 的混 凝 土 施 工 由于 欠 捣 、漏 振 或 过 振 导 致 的 质 量 缺 陷 ；③ 施 工 工 艺 简 单 ，无需振捣 ，减少了浇筑程序 ，进而可降低劳动 强度 ；④ 施 工 速 度 快 ，工 期 短 ，综 合 经 济 效 益 较 高 。 自密实混凝土因其独有的特性以及在施工 中的 优 势 ，近 年来 被广 泛地应 用到 水工 建筑 物 的一 些 特 殊 部位 。如 在 小 湾 电 站 大 坝 以及 光 照 水 电站 工 程 中，为了解决钢衬结构周 围混凝土浇筑的难题 ，采 用了自密实混凝土 。另外，在大坝预制廊道结合部 等不易 振捣 的部位 也 已全面 采用 这一 技 术 ，如 日本 的三 室J I I 等大坝 。 本文提出将 自密实混凝 土应用到船 闸工程 中， 以期解 决 船 闸施 工过 程 中的一些 浇筑 难题 。 2 自密实混凝土的性能 2 ． 1新拌 自密 实混 凝土 的性能 相对 于普 通混 凝土 ，它具 有 以下 特性 ： ． 72 ( 1 ) 高流动性 。保证混凝土能够绕过密集 的钢 充 分 填充模 型 内的每 个角 落 。 ( 2 ) 高稳定性。保证混凝土质量均匀一致 ，即 不泌 水 ，骨料 不离 析 。 ( 3 ) 间隙通 过 能力 强 。保 证 混 凝 土 穿越 钢 筋 间 隙时不 发生 阻塞 。 2 ． 2硬 化 自密实 混凝 土的性 能 ( 1 ) 强 度 ： 自密 实 混 凝 土 是 一 种 高 性 能 混 凝 土 ，其 强度 范 围很 宽 ， 目前 在 我 国 大 量 使 用 的是 C 2 5～C 4 0 。船 闸混 凝 土 的 强 度 范 围一 般 在 C 2 0～ C 3 0之 间 ，所 以 自密实 混凝 土 的强 度 可 以满 足 船 闸 工程设 计要 求 。 ( 2 ) 弹性模量 ：自密实混凝土采用粉体取代 了 相 当数量 的石 子 ，且 中粗 骨料 的粒 径 较小 ，所 以较 普通混凝土其弹模稍低。但粉煤灰和硅粉等矿物掺 合料的掺入能有效提高混凝土的弹性模量 ，使硬化 自密实混凝 土能够达 到设计 要求。根 据试验 ，在 0 ． 2 5水 胶 比情况下 ，掺人 4 ％ 的硅粉 和 2 0 ％ 的粉煤 灰时，选用河卵石 的自密实混凝土试件的弹性模量 为 3 8 ． 1 G P a ，比普通 C 5 0混凝 土弹性 模量低 了 3 ％ ， 其 影 响 已经 很小 。 ( 3 ) 收缩 ：由于 粗 骨料 用 量 少 ，采 用 自密 实混 凝土 ，相对常规} 昆 凝土而言，提高了混凝土胶凝材 料用量 ，由此也 增加 了水化 作 用产 生 的热 量 ，致 混 凝土内部温度升高 ，且不易消散，使得混凝土结构 内外 温差 较大 。随着 期龄 增长 ，弹性模 量 增 大 ，对 作 者简介 ：吴星 ( 1 9 8 8年一 ) ，男 ，硕士研 究生在读 。 科研 管 理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 2 期 混凝土内部温降收缩的约束也越来越大，容易产生 有 害 裂缝 。 与相同等级的普通混凝土相 比，自密实混凝土 为了满足流变性要求 ，有着较小的骨料用量 ，较大 的砂率和胶凝材料用量 ，骨料用量小 时，硬化混凝 土弹模低 ，收缩 、徐变大；砂率大 ，有利于施工性 和强度但不利 于弹性模量 ；水胶 比大 ，流动性好 ， 但不利于强度和耐久性等等。因此 ，自密实混凝土 在船 闸工程应用时 ，既要满足拌合物高施工性能的 要求 ，同时也要根据混凝土强度 、耐久性 、体积稳 定性 等 性质 ，确 定最 优 的配合 比。 3船 闸工程的结构特点 船 闸工程 中 ，闸首及 闸室底 板 内部 由于 自身功 能的需要 ，结构较复杂 ，尤其是输水廊道 、阀门井 及闸门顶底枢附近，结构形状突变 ，受力复杂 ，容 易产生局部应力集 中。为满足强度 的要求 ，这些部 位配 筋量 较大 ，钢 筋密 集 ，采用 常 态混 凝 土施 工 难 以保 证混凝 土 在入 仓过 程 中不产 生 离析 ，且混 凝 土 入仓 后平 仓 、振 捣 极 其 困难 ；尤 其 是 一 些 连 接 部 位 ，易形成浇筑死角 ，混 凝土不易进入 填充密实， 造成脱空现象 。很显然 ，船闸混凝土浇筑过程 中振 捣困难 以及浇筑后难 以密实等部位 ，宜采用 自密实 混 凝 土进 行浇 筑 。 采 用 自密 实 混凝 土 浇 筑 船 闸 的一 些 特 殊 部 位 ， 可 以解决因结构复 杂 、钢筋 密集使得振 捣困难 以 及难 以密实等难题 。但 因 自密实混凝 土采用的胶 凝材料较多 ，浇 筑之后水化 热升温 比常态混凝土 大 ，且浇筑部位结构 突变 ，热量不 易消散 ，硬化 收缩较大 ，所 以 比常态混凝 土更易产 生裂缝 。水 工混凝土各种病 害 、缺陷主要有 裂缝 、破损 、腐 蚀 、渗漏 、钢筋锈 蚀 以及结构 外观变 形等 ，裂缝 是 混 凝 土建 筑 物 最 常 见 的 病 害 之 一 。 由 于结 构 物 破 坏 常 常是 由 裂 缝 开 始 的 ，所 以 人 们 常 把 裂缝 的 存在视为结构 物濒 临破 坏的征兆 。船 闸混凝 土在 施 工期 开 裂 的原 因 有 以 下 几 点 ：( 1 ) 混 凝 土 材 料 塑 性 收缩 及 沉 降 引起 开裂 ；( 2 ) 宽 缝 设 计 不 合 理 ， 造成局部应力 沿宽 缝 处释 放 ，产 生裂 缝 ；( 3) 施 工过程 中混凝 土养护不 足导致 裂缝产 生 ；( 4 ) 混 凝 土配合 比设计 不 当。船 闸部 分结 构较 为 复杂 ， 其受力情况亦 较复杂 ，尤其是在 施工过程 中，随 着 施 工 的 不 断 加 载 ，应 力 的重 新 分 布 ，以及 新 老 混 凝 土 的 温 度 、强 度 、 弹性 模 量 的 差 异 所 造 成 的 约束 ，更 易产生应力集 中，在温度和干缩应 力 的 共 同作用 下 ，从 而导致裂缝 的产生。可见 ，控制 自密实 混 凝 土 在 浇 筑 过 程 中水 化 热 升 温 是 自密 实 混凝土应用 的关键之一 。 4防裂措施 水 工 混凝 土 防裂 的综 合措 施 主要 有 ：选 用 中低 强度等级的水泥，合理的分缝分块 ，有序 的进度安 排 ，以及适宜的温控措施和表面保护等。在船闸施 工中应从原材料 的选择、混凝土配合 比的设计，混 凝 土 的 拌 和 、浇 筑 和 养 护 等 各 个 环 节 认 真 控 制 质 量，确保满足设计要求。 4 ． 1优化 混凝 土配合 比设 计 首先从 自密实混凝土配合 比设计人手 ，通过优 化配合 比设计 ，保证 自密实混凝土各项性能的前提 下 ，尽 量 降低水 化热 升温 。 4 ． 1 ． 1 自密实 混凝土 水胶 比 在船闸廊道等结构复杂部位的 自密实混凝土设 计时，如果胶凝 材料用量过大 ，水化热升 温较大 ， 容 易产 生裂缝 。因此 ，设计 自密 实 混凝 土 时 ，在满 足各项性能的基础上 ，可适 当放大水胶 比，降低单 位 混凝 土 中水泥 用量 ，减少 水化 热 ，改 善混 凝 土 的 热 学性 能 。 4 ． 1 ． 2粉煤灰 等矿物掺合料 矿物掺合料是 自密实 昆 凝 土重要 的组成部分。 粉煤 灰 是 自密实 混 凝 土 最 常 用 的 活性 矿 物 掺 合 料 ， 具有 “ 活 性 效 应 ” 、“ 界 面 效 应 ” 、 “ 微 填 充 效 应 ” 、 “ 减水效应 ” ，掺用 了大 量的粉煤 灰可以改善混凝 土的工作 性能 ，同时 等量 ( 或 超量 ) 取 代 了水 泥 ， 减少 了此 部分 水泥 的水 化热 ，而 粉煤 灰 的水 化需 要 水泥 水化 生成 物形 成后 才发 生 ，不 仅 在 时间 上要 比 水泥滞后 ，其速率也远 比水泥要低得多。所 以，大 量掺用粉煤灰其水化热温升未必会高。但是 由于大 量掺用粉煤灰 ，可能影响混凝土使用寿命 ，并加速 混 凝 土表 面碳 化速度 ，所 以设 计 自密 实混 凝 土配 合 比时 ，需试验确定其掺量。 4 ． 1 ． 3加 入高 效 外加剂 要实现 自密实混凝土的高流动性 、高粘聚性等 性能 ，同时控制水化热升温 ，需加入优质高效 的混 73 2 0 1 5 年第 2 期 水利规划与设计 科 研管 理 凝 土外加剂 。 ( 1 ) 采用高效减水剂 。自密实混凝土是随着高 效减水 剂 的发展 而产 生的 ，高效 减水 剂 的应 用 是 白 密实 混凝 土 的关 键 。高效减 水剂 对水 泥 有强 烈 分散 作用 ，能大大提高水泥拌合物流动性 和混凝土坍落 度 ，同时大幅度降低用水量，因其大 幅度降低用水 量从 I 而 显 著提 高混凝 土各 龄期 强度 ，且 在保 持 强度 恒 定时 ，则 能 节 约 水 泥 1 0 ％ 或 更 多 ，从 而 显 著 改 善 自密 实混凝 土 的工作性 能 。 ( 2 ) 采用微膨胀剂 。掺加微膨胀剂的混凝土与 普 通混 凝土 相 比 ，其 主要特 点是能 够 产生 适 度 的 自 生 体积膨 胀 。 由于 膨胀混 凝 土 中掺 入 膨胀 剂 ，在 养 护 早期 因生 成钙矾 石而 产生 膨胀 ，使 混凝 土更 加 密 实，在钢筋和邻位 的限制下 ，膨胀能 以自应力的形 式储存 在混 凝 土 中，这种预 应力 改变 了混凝 土 的应 力状 态 ，与不 掺膨 胀 剂 的同 强 度 等 级混 凝 土 相 比 ， 能部分抵 消 混凝 土 冷却 时 所产 生 的拉 应 力 约 占 3 0 ％ ，从而 达到 补偿 混凝土 由于后期 干 燥 和降 温 引 起 的收缩 ，避 免或减 少混凝 土 的开 裂 的 目的 。在淮 安 三线船 闸 闸首廊道 施工 中采 用 了膨胀 混 凝 土 ，效 果 显著 4 ． 2合 理选 择混凝 土原 材料 4 ． 2 ． 1 使用 低 热或者 中热水 泥 水 泥 的主要 发 热成 分 是 铝 酸 三 钙 和 硅 酸 三 钙 ， 降低这两种成分 的含 量即能达到 降低其水 化热升 温 ，采 用此 措施 时 ，应注意 混凝 土 的抗 拉强 度 和变 形性 能 的变 化 。 4 ． 2 ． 2对 骨料 的要 求 粗骨 料要 求具有 合适 的粒 形 、良好 的级配 ；细 骨料 要求质 地坚 硬 、清洁 、有机 质 和有 害物 质 含量 小 、级配 良好 ，以及 细 度 模 数 控 制 在 2 ． 3～3 ． 0范 围之 内。 4 ． 3控 制混 凝土 的入模 温度 降低混凝土的人模温度对于降低廊道混凝土的 总 温升 ，减少 混凝 土结构 的 内外 温差 ，控 制 混凝 土 的温度 裂缝 至关重 要 。 ( 1 ) 合理 安排施 工进 度 ，尽 量 避免夏 季浇 筑 。 ( 2 ) 预冷骨料 ，加 冰拌合。降低混凝 土的温度 回升 ，使混 凝 土的浇筑 的温 度满 足施工 要求 。 ( 3 ) 初期通水是降低? 昆凝土水化热升温的措施 之一 。 ． 74 ． 4 ． 4混 凝 土养护 为 了保 证 自密 实 混 凝 土 的 各 项 性 能 的 正 常 发 展 ，预防 收缩 开 裂 ，需 要 对 混 凝 土 进 行 充 分 的 养 护 。混凝 土浇 筑 完 毕 之 后 ，需 保 持 混 凝 土 表 面 湿 润 。对 于廊道 、阀门井 等混 凝土容 易 开 裂 的重要 部 位 ，养护 更为 重要 。 混凝 土浇 筑 完 毕 后 需 用 草 袋 覆 盖 ，加 强 保 湿 、 保 温养护 ，延 缓 降温速 率 ，养护 期 间不 得 中断 养 护 用 水 的供 应 ；要加 强施 工 中的温 度监 测 和 管理 ；及 时 调整保 温 及养 护措施 。 5工程 应 用 实例 自密实 混凝 土 在 船 闸工 程 中的 应 用 实 例较 少 ， 但在其他水工复杂结构已有广泛应用 ，如压力钢管 底部 回填及 外 包 } 昆凝 土 、蜗 壳 与 肘 管 二 期 混 凝 土 、 结构 孔洞 封堵 等各种 特 殊部位 。这 些 部位 结 构 特点 与船 闸工程 中的输水 廊道 、阀 门井 及 闸 门顶 底枢 有 相似之处 ：结构形状突变，配筋量较大且密集。因 此 ， 自密 实混 凝土 在某 些水 工结 构上 的 应用 对船 闸 工 程有着 一定 的借 鉴 意义 。 5 ． 1工 程概 况 云南景 洪 电站 是 澜 沧 江 梯 级 开 发 的 水 电站 之 一 ，装机容量 1 5 0 0 M W，其 引水压力钢管底部有 3 层 钢筋 ，钢 筋 量 大 且 密 集 ，如 果 按 常 规 混 凝 土 施 工 ，难 以实 现 密 实 填 充 ，易 出 现 “ 脱 空 ” 现 象 。在 这种 情 形 下 ， 采 用 自 密 实 混 凝 土 进 行 浇 筑 较 为适 用 。 5 ． 2 技术 要求 景洪 电 站 中 自密 实 混 凝 土 设 计 强 度 等 级 为 9 0 d C 2 5，抗 渗 等级 为 W1 0 ，抗 冻等 级 为 F I O 0 。 5 ． 3 配合 比设 计 经过配合 比设计 ，并经试拌 ，确定了 6个水工 自密实混凝土的配合比。水工 自密实混凝 土原材料 用 量见表 1 。1号 、2号 、3号 配 合 比的水 工 自密实 混凝 土 的水 胶 比分 别 为 0 ． 4 0 ，0 ． 3 8 ，0 ． 3 5 。1 — 3号 配合 比的水工 自密实混凝土中使用 3 0 ％的粉煤灰。 为 进一 步降低 混 凝 土 绝 热 温 升 ，4号 配 合 比是 在 1 号配合 比的基础上掺加 了2 0 ％ ，5号和 6号配合 比 分别在 2号和 3号配合 比的基础上掺加 2 0 ％的双掺 料 。各 配合 比 自密实混 凝 土性能 见表 2 。 科研 管 理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 2 期 表 1 水工 自密 实混凝土原材料用量 k g ／ m 编号 水 水泥 粉煤灰 双掺料 细骨料 中石 小石 外加 剂 l 1 5 O 2 6 2 l 1 3 7 8 8 3 9 7 5 9 6 3 ． 3 8 2 l 5 O 2 7 6 1 1 9 7 6 2 4 0 0 6 0 0 3 ． 5 6 3 1 5 O 3 0 0 1 2 9 71 5 4 0 7 6 1 0 4 ． 0 8 4 1 5 O 1 8 7 l 1 3 75 7 9 7 4 0 2 6 0 2 3 ． 3 8 5 l 5 O 1 9 8 1 1 8 7 9 75 9 3 9 5 5 9 3 3 ． 5 6 6 1 4 7 2l 0 l 2 6 8 4 7 4 8 4 0 6 6 0 9 3 ． 7 8 表 2 自密实混凝土性能 含气量 初始 初始 2 h后 2 h后 2 8 d 编号 坍落度 坍扩度 坍落度 坍扩度 抗压强度 ( ％、 ( mil 1 ) ( 1il il 1 ) ( 1fn Il 1 ) ( mm) ( MP a ) 1 6 ． 2 2 5 0 5 9 8 2 3 2 5 5 8 3 7 ． 2 2 4 ． 9 2 5 2 5 7 3 2 2 9 5 3 6 3 7 ． 9 3 4 ． 6 2 5 8 61 1 2 3 5 5 6 6 4 2 ． 9 4 5 2 5 3 5 9 2 2 5 ． 4 5 5 ． 5 2 5 0 5 6 8 2 7． 5 6 5 ．】 2 5 5 6 0 0 3 4． 5 5 ． 4生产 性试 验概 况 为验证 所 配制 水工 自密 实混 凝 土在 压 力 钢管 部 位 应用 的可行 性 ，在室 内试 验 的基 础 上 ，在 景洪 电 站 施 工现 场 进 行 了 6 m 自密 实 混 凝 土 的生 产 性 试 验 。混 凝 土为 长方 体 ，尺 寸为 3 m2 m X 1 m，底 部 有 2层 间 距 为 2 0 0 m m 的 钢 筋 网。水 工 自密 实 混 凝 土 采用 5号 配 合 比 ，水 胶 比为 0 ． 3 8 ，掺 加 3 0 ％ 粉 煤灰和 2 0 ％双掺料 。 自密实混凝 土从一个 角落开 始 浇 注 ，混 凝 土 流 动最 远 距 离 为 3 ． 6 m，在 没 有 任 何振捣的情况下混凝土能够 自动流平 ，拆模后发现 离 浇 注 口最 远 处 的 角 落 已 被 自密 实 混 凝 土 密 实 填 充 。混凝 土 硬化 一段 时 间后 ，从 顶 面钻 芯 取样 ， 由 芯样 外 观看 ，骨 料在 混凝 土 中分 布 均匀 ，测得 该 芯 样 的密 度为 2 3 0 0 k g ／ m ，接 近 理 论 密度 。生 产 性试 验 结果 表 明所配 制 的水 工 自密实 混凝 土 具 有优 良的 流 动性 和 工 作 性 能 ，适 于 在 景 洪 电 站 压 力 钢 管 周 围 用 。 6结 语及 展 望 ( 1 ) 自密实混凝土具有高流动性 、高稳定性以 及高间隙通过能力 三方面特性 ，适用于体形 复杂、 钢筋密集等难 以浇筑的特殊部位 。 ( 2 ) 船 闸 工 程 中 ， 闸 首 及 底 板 内 部 结 构 较 复 杂 ，尤其是输水廊道 、阀门井及闸门顶底 枢附近 ， 结构 形状 突 变 ，钢筋 密集 ，浇筑 施 工难 度 较大 ，适 宜采 用 自密 实} 昆凝土进 行局 部浇 筑 。 ( 3 ) 由于 自密 实混 凝 土 有着 较 普 通 混凝 土 多 的 胶凝 材料 ，所 以在 进行 局部 浇筑 时 ，需严 格 控 制其 水化热升温 ，避免裂缝产生 。 ( 4 ) 在船闸工程局部浇筑区域采用 自密实} 昆凝 土，对提高混凝土施工质量 、加快进度 、增加综合 效益 等都 将产 生 明显 的作用 ，因此 ，具有 较 好 的推 广应 用前 景 。 参考 文 献 [ 1 ]赵 筠．自密 实混凝 土 的研究 和应 用 [ J ] ．混凝 土 ，2 0 0 7( 0 6 )： 9- 1 7． [ 2 ]周厚 贵．水工 自密实 混凝 土 的设 计及应 用 [ J ]．水 利 发 电 ， 2 0 0 7( 0 6)：2 6． 2 8 ． [ 3 ]刘 显斌 ，樊春喜 ，宋美丽．小湾 大坝 自密 实混 凝土配 合 比试 验 研究 与应用 [ J ] ．葛洲 坝集 团科技 ， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ：7 9 — 8 0 ． [ 4]张允楠 ，陈 家军． 自密实 混凝 土在 光 照水 电站 工程 中 的应用 [ J ] ．贵州水力发 电， 2 0 0 8 ( 0 5 ) ： 4 5 ． 4 9 ． [ 5 ]金峰 ， 安雪晖 ，石建军 ，张楚 汉．堆石混凝土及 堆石混凝土大坝 [ J ] ．水 利学报 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ：1 3 4 7 ． 1 3 5 2 ． [ 6]杨志坚．自密实混弹性模 量影响因素的研究 [ D] ．湖 南： 湖南大 学 ， 2 0 1 1 — 0 6 ． [ 7 ]廉慧珍 ，张青 ，张耀凯．国内外 自密实 高性能混 凝土研究及 应 用现状 [ J ] ．施工技术 ，1 9 9 9 ( 0 5 ) ：1 — 4 ． [ 8 ]李 绍 红 ．船 闸 廊 道 混 凝 土 防 裂 措 施 [ J ] ．山 西 建 筑 ，2 0 1 1 ( O1 )：1 ． [ 9 ]龚召熊等．水工混凝土 的温控 和防裂 [ M] ，中国水利水 电出版 社 ，1 9 9 9- 0 5 [ 1 0 ]崔俊 ， 卫帅帅 ，王莉 ， 侯旭军．粉煤灰在 白密实混凝土 中的应 用探讨 ．混凝土．2 0 1 0 ( 0 6 ) ： 9 8 - 1 0 0 ． [ 1 1 ]王玲 ，田培 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