自密实混凝土在水库泄洪洞原洞衬砌中的应用.pdf

水利建设与管理 2 0 1 1 年第 1 期 3 5 马 辉文 李 瑞 ( 中国水 电基础局有限公司 天津 3 0 1 7 0 0 ) 【 摘要】 自密实混凝土作为一种具有高流动性、 不离析、 不泌水、 均匀性和稳定性， 浇筑时依靠其自重流平并充满 模板和包裹钢筋， 无需振捣便能均匀密实成型的新型高性能混凝土， 在越来越多的工程领域被运用。本文采用全计 算法和固定砂石体积法相结合 的方法 ， 经过大量试验后得到强度等级为 C 4 0和 C 1 5的专用 自密实混凝 土配合 比， 并 通过实际工程中的运用阐述 了其高性能特点， 对 自密实混凝土在类似水利工程建设中的应用有一定的参考作用。 【 关键词】 自密实混凝土配合比设计全计算法 固定砂石体积法泄洪洞厚洞衬砌 1引 言 混凝土是现代工 程结构 的主要材料， 也是应用最广 泛 的人造建筑材料 ，高性 能混凝 土 ( H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e ) 的研究应用 已成为 当今混 凝土结构发 展的主 要方 向。 自密实( S e I f C o m p a c t i n g C o n c r e t e ) 是高性能混 凝 土的一种 ， 即主要依靠 自重 ， 勿需振捣 即可 自行填 充 模 型且包裹配筋 ，其拌和物具有 良好 的流动 性 、粘聚 性 、 保水性及填充性能 ， 不离析 、 泌水 ， 且硬化后具有 良 好 的力学性能和耐久性 能。混凝 土配合 比设计是混凝 土材料科学中最基本 的问题 ，随着混凝土材料科学 的 不断发展 ，适用于普通混凝 土的配合 比设 计规程 已经 不能满足其他 类型混凝 土在材料 和性能 上 的高要 求 ， 传统 的混凝土配合 比设计方法 (即假定容 重法和绝对 体积法 ) 是以强度为基础的， 即根据“ 水灰比定则” 设计 配合 比， 该方法是 以经验为基础 的半定量设计方法 ； 而 高性 能混凝土 的配合 比设计 必须综合 考虑工作 性 、 强 度、 耐久性及原材料的性能。目前 ， 自密实混凝土主要 应用于 民用高层轻型墙体结 构和工业工程 中附属装 配 式构件 、 预制构件 、 钢筋密集 的框架梁柱及浇筑成 型形 状复杂 、 薄壁和配筋密集的结构 。 2 自密实混凝土配合比设计方法概述 2 1 自密实混凝土的设计思路 自密实混凝土实现 的关键技术环节可 以归结为两 个方面 ：日本 的岗村甫教授于 1 9 9 3年提出的高性能混 凝 土设计方法 和高效减水剂 的出现。 自密实混凝土 的 设计理念与常规混凝 土最大的差别在于： 自密实混凝土 在配合 比设计上用粉体取代 了相当数量的石子 ，通过 高效减水剂 的分散和塑化作用 ，使 浆体具 有优 良的流 动性和粘聚性 ， 能够有效地包裹输运石子 ， 从而达到 自 密实的效果。 2 2 白密实混凝土配合比的设计方法及计算原理 配制 自密实混凝土的原理是通过外加剂 、胶结材料 和粗细骨料的选择与搭配和精心的配合 比设计 ，将混凝 土的屈服应力减小到足以被 因自重产生 的剪应力克服 ， 使混凝土流动性增大， 同时又具有足够 的塑性粘度 ， 令骨 料悬浮于水泥浆 中， 不 出现离析和泌水问题 ， 能 自由流淌 并充分填充模板内的空间， 形成密实且均匀的胶凝结构 。 目前 国内在 自密实混凝土配制技术上 已取得很大进步 ， 但迄今为止还没有形成一种大家普遍认可、遵守的 自密 实混凝土配合 比设计规范或规程。本文根据已有的文献 成果 ， 进行 自密实混凝 土配合 比设计 ， 采用陈建奎教授提 出的全计算法与吴 中伟 院士提 出的固定砂石体积法相结 合的方法，并通过大量试配得 出强度等级为 C 4 0 和 C 1 5 的专用 自密实混凝土配合比。 固定砂石体积法是根据高流动 自密实混凝土的流动 性、 抗离析性和配合 比各因素之间的平衡关系， 在试验研 3 6 马辉文等 自密实混凝 土在水库泄洪洞原洞衬砌 中的应用 究的基础上得到的一种能较好适应高流动 自 密实混凝土 特点和要求 的配合比设计方法。首先假定每立方米混凝 土中粗骨料的松堆体积分数为 5 0 5 5 ， 计算出粗骨料 用量和砂浆含量； 其次设定砂浆 中砂 的体积分数为 4 2 4 4 ， 可得到砂的含量和浆 体的含量； 最后根据传统的水 胶比定则和胶凝材料中的掺合料比例计算用水量 、胶凝 材料用量和水泥及掺和料各 自的用量。 全计算法的基本假设是混凝土的各组成材料 ( 同、 液 、 气 ) 三相具有体 积加和性 ； 石子 的孔 隙 由干砂浆填 充 ； 干砂浆 的孔隙 由水填充 ； 干砂 浆由水 泥 、 细掺料 、 砂 和空气间隙组成。 根据以上假设建立普遍适用的混凝土 体积模型 ， 推导 出用 水量 和砂率 的计算公式 ， 并 结合传 统的水胶 比定则 即可全面定量 的确定混凝土各组成材 料的用量。 3 工程概况 窄 口水库是 黄河支 流弘农涧 河中游 的一座大 ( 2 ) 型水库。坝址位于河南省灵宝市南 2 3 k in处 。 控制流域 面积 9 0 3 k m ， 总库容 1 8 5 亿 m ， ， 最 大坝 高 7 7 m， 水 库 以防洪为主 ， 兼顾灌 溉 、 发 电、 养鱼 、 旅游 、 供水 等综 合 利用 。 水库主要建筑物有大坝 、 主溢洪道 、 非常溢洪道 、 泄洪洞 、 灌溉( 发电 ) 洞 、 水库 电站等六大主体 。泄洪洞 布置于左岸 ， 位于坝左端与左岸 山体间。洞轴线方 向大 体与坝轴线垂直 。由进 口新建龙抬头 、 洞身段 、 出 口消 能段组成 ， 全长 5 4 7 6 8 m。洞身段长 4 4 9 6 8 m， 下接出 口 消能 段 。窄 口水 库加 固工程 原 为无压 泄洪 洞 ，直径 3 5 m，现设计为 由新建进 口龙抬 头段 和原水平洞段相 连接 的有压泄洪洞 ，其 中 0 + 1 8 5 0 + 4 9 1 段为原水平洞 衬 砌加 固 ， 直 径 3 2 m， 其 中 0 + 1 8 5 0 + 3 5 5段为钢 筋混 凝土衬砌 ， 0 + 3 5 5 0 + 4 9 1 段为压力钢管混凝土衬砌。原 无压泄洪洞水平洞段衬砌加 固前全断面分环分序布置 固结灌浆孔位，待固结灌浆工序完成后凿除原洞表面 s 一 深 ( 见下 图) ， 然后进行衬 砌施工 。 由上 图可以看出，原无压洞设计为有压洞后 ， 新 混凝土衬砌厚度 只有 2 0 c m， 属于薄壁构件 ， 在全封 闭的 仓里面很难用振捣棒对普通混凝土进行振捣作业 ，经过 各方咨询与批准 ，该工程采用窄 口水库专用 自密实混凝 土( C 4 0 ) 进行衬砌加固。 4 实际工程专用 自密实混凝土配合比设计 4 1 原材料性能 a 水泥。选用普通硅酸盐 4 2 5 水泥( P 0 4 2 5 ) ， 其物 原水平洞衬砌加固示意图 理力学性能检验结果见表 1 。 表 1 水泥-陛能检测数 据 标准 安定 凝结时间( m i n ) 抗折强度( MP a ) 抗压强度( MP a ) 密度 稠度 性 初凝 时间 凝时 间 3 d f 2 8 d 3 d l 2 8 d ( g c m ) l 2 8 5 合格 2 5 8 3 l 8 3 9 8 2 2 3 - 2 4 4 5 3 1 5 b 粉 煤灰 。根据 自密实混凝 土应用技术规 程 ( C E C S 2 0 3 -2 0 0 6 ) 中的相关规定 ， 选用 了一级粉煤灰 ， 品 质指标见表 2 ， 性能满足 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 ( G B r 1 5 9 6 2 0 0 5 ) 中的 2 级粉煤灰 以上的标准。 表 2 粉煤灰性能检测数据 细度( 4 5 1x m方孔 烧失量 ( ) 需 水量 ( ) 密度 ( g ， c II 1 3 ) 筛筛余 ) ( ) 77 1 2 9 3 2 5l c 砂。选用灵宝郊区河砂 ， 根据 水工混凝土试验规 程 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ) 中的相关规定 ， 对砂 的颗粒级配和表 观密度进行 了检测 ， 根据砂 的筛分情况和级配分布图， 该 砂为中砂 ， 级配情况较好。 砂的细度模数平均值为 3 0 ， 表 观密度平均值为 2 6 5 g c m 3 。 d 石子。 选用灵宝地区的豆石 ， 为 5 - O l n m的连续粒 级 ，石 子的表观密度平均值为 2 7 5 g c m 3 ，堆积密度为 1 4 5 6 k g m 。 e 外加剂。选用 H s T堆石混凝土专用外加剂 ， 性 马辉文等 自密 实混凝 土在水库泄洪洞原洞衬砌 中的应 用 3 7 能满足 混凝土外加剂应用技术规范 ( G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ) 要求 。 4 2 配合 比设计计算过程 a 粗骨料用量 ： m =ap g 式中mr 一粗骨料用量 ； 粗骨料的同定体积分数 ， 该工程 中取 5 1 ； p 粗骨料的堆积密度。 计算粗骨料用量为 0 5 1 x 1 4 5 6 = 7 4 3 k g ；则砂浆体积 为 1 0 0 0 一 ( 7 4 3 2 7 5 ) = 7 3 0 L 。 b 砂子用量 ： m V P 式中眠砂子用量； 砂浆 中砂子 的阉定体积分 数 ，该工 程取 4 4 ； V 砂浆体积 ； 砂子的表观密度。 计算砂子用量为 0 4 4 x 7 3 0 x 2 6 5 = 8 5 0 k g 。浆体 体积 V = 7 3 0 x 0 5 6 = 4 0 8 8 L。 c 混凝土配制强度 ： l | l c 、 6 4 5 0 - 式 中 - 一 混凝土强度等级 ， 该工程为 C 4 0 ； 混凝土强度标准差 ， 由表 3 取值。 表 3 I 的 取 值 强度等级 C l O C 2 O C 3 0 C 4 0 C 4 O C 6 O 【 T ( MP a ) 4 5 6 的公式计算 ： W= ( 一 V ) l + ( ) + B ( 1 - 4 , ) p + ( 6 ； 式中 浆体体积 ； _一含气量 ， 该工程取 3 8 ； 击 粉煤灰体积掺量( 体积分数 ) ， 取 2 5 ； p 水泥密度 ； p 广一 粉煤灰密度。 将上 面几步算 出的结 果代入水 用量公 式可得 = 1 9 0 k g 。 f 胶凝材料用量 。由水灰 比可知 m ( c + 厂 ) = W ( w b ) = 1 9 0 0 3 5 = 5 4 2 k g 。 m( c ) = ( 1 - x ) m ( c ； m ( 厂 ) = m ( c ) 式 中 粉煤灰掺料( 质量分数 ，下同 ) ， 该工程取 2 3 ； m( c ) ， m( 水泥、 粉煤灰用量。 计算得 m ( c ) =4 1 5 k g ， m= 1 2 5 k g 。 g 专用外加剂( 高效减水剂 ) 。根据该工程具体施工 情况试配 ， 高效减水剂的质量分数取值 l - 3 。 h 出口消能池防冲段护底堆石 自密实混凝土配合 比 设计计算 同上， 此处不再累述 。 经上述计算并经过大量试 验后， 得到该工程专用 自密实混凝土配合比， 见表 4 。 表 4 专用 自密实混凝土配合 比 单位 ： k g m 专用外 编号 水泥 粉煤灰 水 砂 石子 含气量 抗冻剂 加剂 1 ( C 4 0 ) 4 1 5 1 2 5 l 9 0 8 5 0 7 4 3 7 - 3 3 8 2 ( C 1 5 ) 2 5 4 2 5 4 1 9 0 8 7 4 6 8 8 6 2 5 通 常取 丘 = + 1 0 ( M P a ) ；该 工程 ， = 4 0 + 1 0 =4 3自密实混凝土性能检测 5 UMPa。 d 胶水 比： m( c + f ) l m( w) = ， ) + 曰 式中m( c + 厂 ) m( ) 胶水 比； 厶 混凝土配制强度 ； 水泥 2 8 d 抗压强度实测值 ； A， B 回归 系数 ，对碎 石混凝 土 ， A = 0 4 8 ， B= 0 5 2 ， 对卵石混凝土 A： 0 5 0B ： 0 6 1 。 该工程胶水 比 m( c + 厂 ) 仇( ) = ( 5 O O 4 8 x 4 4 5 ) + 0 5 2 ： 2 8 6 ， 则水胶比 w b为 1 2 8 6 = 0 3 5 。 e 水用量。根据陈建奎教授提出的全计算法并给出 根据中国土木学会标准 自密实混凝土设计与施工 指南 ( C E C S 0 2 -2 0 0 4 ) 和 中国工程建设标准化协会标准 自密实混凝土应用技 术规程 ( C E C S 2 0 3 -2 0 0 6 ) ，自密 实混凝土质量检验包括混凝土拌和物工作性能检验和硬 化混凝土质量检验。 该工程中混凝土拌和物工作性能着重检测新拌 S C C 的流动性能和抗离析性能，采用的方法为扩展度试验和 v形漏斗试验 ，相应的标准为扩展度满足 7 0 0 _+ 5 0 m m， V 形漏斗试验满足通过时间 l 0 2 5 s ， 见表 5 。 该工程中硬化混凝土质量检验主要检测标准养护条 件下 ， C 4 0 等级 S C C 2 8 天龄期抗压强度 ， 分别委托 国家建 3 8 马辉文等 自密实混凝土在水库 泄洪洞原洞衬砌 中的应用 表 5 C 4 0等级 S CC自密实性能检测 单位 ： k g m ， 扩展度 坍落度 v型漏 材料 水 泥 粉煤灰 水 砂 石子 ( m m) ( mm) 斗( s ) 用量 4 1 5 1 2 5 1 9 0 8 5 0 7 4 3 6 8 5 2 6 5 1 5 筑工程质量监督检测 中心和工地第j方试验室进行检 测 ， 结果见表 6 。 5 施工情况 5 1 钢模及压力钢管安装 窄 口水库加 固工程原无压 泄洪洞设 计为有压泄洪 洞 ，原平洞段设计为钢筋混凝土衬砌和压力钢管混凝土 衬砌加 固， 施工前全断面分环分序固结灌浆 ， 钻孔插筋用 以绑扎环 ( 主) 筋、 分布筋和焊接固定压力钢管。 钢筋混凝 土衬砌段分每 1 5 m一段进行施工，待前述工序完成后即 表 6 专用 自密实混凝土( C 4 0) 2 8 d抗压强度 单位 ： M P a l O O mm立方体试块强度 均 值 达到设计强度值( ) 国家质检 中心 5 2 3 f 5 0 5 5 3 8 4 9 6 1 2 4 1 5 0 ram立方体试块强度 均 值 达 到设计强度值 ( ) 第三方试验室 4 4 8 l 4 40 4 4 - 3 4 4 4 l 1 1 绑扎钢筋 ， 装止水铜片、 伸缩缝材料 ， 预埋接缝灌浆管 ， 然 后测量放线 、 支立钢模 。 该工程模板采用普通钢模板加工 制作， 模板后竖向及横 向支撑主要用 1 4 槽钢。横 向支撑 间距设计为 0 9 m， 竖 向支撑设计 为 0 6 m， 模板及支护采 用加密钢管架 、 插筋及泡沫板等 ， 使其具有足够的承载能 力 、 刚度和稳定性并使整个模板封闭成型 ， 成型的模板采 用泡沫板嵌填各模板缝隙及模板与止水铜片间隙，使其 构造紧密 、 不漏浆， 不影响 自密实混凝土均匀性和强度发 展。 压力钢管的制造安装均应符合 压力钢管制造安装及 验收规范) ( D L 5 0 1 7 - - - 9 3 ) 的规定 ， 该工程由于洞径小 ， 安 装困难 ， 压力钢管制造成厚 1 2 m m、 长 2 5 m、 半径 1 6 1 n ， 预 留回填灌浆孔 、 接触灌浆孑 L 、 通气孔并加焊加劲环 的三块 弧形钢板 ， 分段分块用施工叉车运至洞 内， 辅助导链安装 并焊接成型。 5 2 自密实混凝土生产及施工 该工程采用 2台 0 5 m 3 强制式拌和机 ， 搅拌机投料顺 序为先投称量好的细骨料 、 水泥及掺合料 ， 然后加称量好 的水 、 外加剂及粗骨料。控制混凝土搅拌均匀 ， 适当延长 混凝土搅拌时间 ， 搅拌时间控制在 9 0 1 2 0 s 内。加水时 计量必须精确 ， 充分考虑骨料含水率 的变化 ， 及时调整加 水量 。自 密实混凝土出机后检测其工作性能， 用混凝土罐 车运至泄洪洞出口， 通过洞外、 仓前两台混凝土泵及洞顶 钢模上焊接的冲天管 和洞顶 压力钢管 的预留孔输送入 仓。 混凝土浇筑过程 中严禁加水 ， 必要时可人工加高效减 水剂 。 为防止产生浇筑不均匀 ， 表面气泡和检查封闭的仓 里面的混凝土流淌填充情况 ， 需不时在模板外侧敲击。自 密实混凝土浇筑完毕后 ，模板在混凝土达到规定强度后 方可拆除 ，并立即洒水养护 ，洒水养护时间不得少于 7 天 ， 以防止混凝土出现干缩裂缝。 该工程验收前 ，工地第三方试验室对洞身 C 4 0自密 实混凝土采用回弹法检测混凝土强度 ，结果显示混凝土 强度达到设计标准 ， 见表 7 。 表 7 洞身 C 4 0自密实混凝土回弹法检测 混凝土强度检测结果 单位 ： M P a 测区数量 平均值 最小值 标准差 变异系数 1 0 4 4 O 35 8 4 8 8 O 1 l 6结语 S C C作为一种新型高性能混凝土， 优点颇多 ， 通过在 该水利工程中的应用， 证明其工作性能和强度指标优 良， 但 由于 自密实混凝土在我国的开发和应用的历史较短 ， 尚有一些问题及内容需要进一步的研究 。 a 自密实混凝土的配合 比设计与原材料的性能关系 密切 ， 集料的最大粒径 、 集料 的用量及集料的级配都有严 格的限制 ，特别是原材料中粉体数量及砂细度模数的变 化 。目前尚无统一、 精确的配合比计算方法， 必须在初步 设定配合 比后进行试配试验 ，根据试验拌制 出的自密实 混凝土状态进行配合 比的调整和优化 。 b 自密实混凝土配合 比的突出特点是 ： 高砂率 、 低水 胶 比、 高矿物掺合料掺量 、 大掺量高效减水剂。 c 自密实混凝土的生产及施 工过程均需严格控制 ， 如生产必须使用强制拌和机 、 开盘时对混( 下转第2 3 页) 王林等 振 动工艺施工防渗墙的新方法 定 JJ贲 影 响 范 嗍 图 7 振动切喷防渗墙施工原理 ( a ) 对位试喷 ； ( h ) 振 喷下切 ； ( c ) 振切 到设计深度 ( d ) 提升灌浆 ； ( e ) 振切到二个槽孑 L ； ( f ) 重 复作业 I I l l 两个喷嘴， 与切刀在同一轴线上 ， 不 回转。切刀在振动切 人的同时， 喷嘴进行定喷。可形成以下功能 ： a 超前切割土体。 由于喷嘴超前切刀 ， 所以切刀未切 人之前 ， 喷嘴先进行南空气包裹的浆液高压喷射 ， 对土体 进行切割破坏 ， 使土体变得松散 ， 切刀很容易沉入。尤其 是对密实土层、 砂层等， 能显著提高切刀沉入效率。 b 提升切刀定喷灌注。 喷嘴到达设计深度后 ， 切刀下 有 4 0 m没有切到 ， 但 由于有定 喷对土体切割 ， 浆液搅拌 就可以成墙。 切刀提升腾 出空间时， 定喷就会向槽内灌满 水泥浆。 等于是两种成墙工艺同时进行作业 ， 使墙的连续 性可靠。 e 槽 内定喷质量稳 定。定喷的影响半径 比切刀大 ， 定喷浆压达 3 5 MP a ，其影 响半可 以超过 1 个切刀段 ， 使 单个 切刀槽孔能有效地连接起来 ，保证墙体 的连续性 、 防渗性 。 工程实例如下 ： 重庆市北碚区草街航电枢纽工程 ，在嘉陵江右侧修 建临时围堰 ，其防渗墙的修筑采用了三种工艺 ：振孔高 喷 、 振动切喷、 可控灌浆。各 自发挥优势， 取长补短 ， 2 0 天 完成 1万 mz 的防渗工程。经过 1 1天的试抽和补充性防 渗工作 ，同时约 1 5 万 m ： 基坑 内近 3 0 万 m 3 的坑 内积水 全部抽干 ， 围堰总渗透量降至 1 0 0 0 m 3 h以下。 实现了大型 水电工程围堰防渗墙施工少见的高速度。 6 振动施工防渗墙的优缺点 6 1 优点 d 各种振动施工方法均可共用 同一 高架桅杆与振动 锤 ， 只需更换成槽工具 ， 切断或是连接 回转动力头 ， 就可 以形成各种不同的成墙振动工艺， 灵活方便 ， 增加了设备 应用的广泛性与灵活性 。 b 用振动方法成孔或成槽 ， 效率极高 ， 经济效益好。 e 振动方法成墙 ，除振孔高喷在旋喷过程中有搅拌 和置换外 ， 其他方法均用充填灌注成墙。 所有的方法均不 用泥浆护壁 ， 降底了成本。没有 了泥浆的污染 。 d 振动工艺成墙连续可靠 ，混凝土等成墙材料在槽 内经过多次振动， 使墙体 密实而无空洞 ， 墙 的连续性好， 墙的防渗性能与固结强度 得到保证。 6 2 缺点 a 桅杆架 的高度为防渗墙的设计深度，所以桅杆架 很高 ，在成槽机位移时 ， 4 t 多重的振动锤悬挂在顶部 ， 安 全性显得非常重要 。 b 目前 ， 国内均使用 电动振动锤 ， 这种振动锤在启动 与停 车时， 由于振动频率 的由高而低 、 由低 而高的变化 ， 引起与成槽机短时间的共振 ， 造成很大的振幅与噪声。 工 业发达国家已有一种可调式液压振动锤 ，可避免这个缺 点。当前 ， 我国也已研制成功可调式液压振动锤， 并已批 量生产 。 7结语 根据防渗墙的不同设计与不同的地层 ，采用振动方 法施工一般均可收到很好的效果。或者可以利用振动成 孔的高速 ， 与其他一些有优 势的施工方法相结合 ， 来构成 整个工程 的施工方案 ， 能收到较好的经济效益 。 振动高桅 杆一机多用 ， 适用性广 ， 非常适合我 国国情 ， 应用前景广 阔， 有很好的应用与研究价值。 ( 上接第 3 8 页) 凝土性能检测、 模板的安装及成型等。 d 自密实混凝土的施工性能已得到了比较充分的研 究， 但是在掺人大量 的高效减水剂后， 自密实混凝土 的物 理力学性能和耐久性能是否发生变化及其变化规律， 目 前 还不是十分了解。 e 作为混凝土市场上的高端产品 ，自密实混凝土价 格较高 ， 该工程中配制的 C I 5 等级 S C C是低水泥用量 自 密实混凝土， 可减少成本， 故有必要进一步研究低水泥用 量 自密实混凝土的物 理力学性能和耐久性 ， S C C在水利 工程上的应用和推广等问题也值得探讨。 q = = 纠 目 _ 一