自密实混凝土在水库泄洪洞原洞衬砌中的应用

马辉文 李 瑞

（中国水电基础局有限公司 天津 301700）

自密实混凝土在水库泄洪洞原洞衬砌中的应用

马辉文 李 瑞

（中国水电基础局有限公司 天津 301700）

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C40和C15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。

自密实混凝土 配合比设计 全计算法 固定砂石体积法 泄洪洞原洞衬砌

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（High-Performance Concrete）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（Self-Compacting Concrete）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1993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 自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C40和C15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50%～55%，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42%～44%，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（固、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23km处。控制流域面积903 km2，总库容1.85亿m3，最大坝高77m，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547.68m。洞身段长449.68m，下接出口消能段。窄口水库加固工程原为无压泄洪洞，直径3.5m，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+185～0+491段为原水平洞衬砌加固，直径3.2m，其中0+185～0+355段为钢筋混凝土衬砌，0+355～0+491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5cm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20cm，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（C40）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42.5水泥（P.O 42.5），其物理力学性能检验结果见表1。

原水平洞衬砌加固示意图

表1 水泥性能检测数据

b.粉煤灰。根据《自密实混凝土应用技术规程》（CECS203—2006）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》（GB/T1596—2005）中的2级粉煤灰以上的标准。

表2 粉煤灰性能检测数据

c.砂。选用灵宝郊区河砂，根据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）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2.65g/cm3。

d.石子。选用灵宝地区的豆石，为5～10mm的连续粒级，石子的表观密度平均值为2.75g/cm3，堆积密度为1456kg/m3。

e.外加剂。选用HS—T堆石混凝土专用外加剂，性能满足《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119—2003）要求。

4.2 配合比设计计算过程

a.粗骨料用量：

式中 mg——粗骨料用量；

α——粗骨料的固定体积分数，该工程中取51%；

ρ′g——粗骨料的堆积密度。

计算粗骨料用量为0.51×1456=743kg；则砂浆体积Vm为1000-（743／2.75）=730L。

b.砂子用量：

式中 ms——砂子用量；

β——砂浆中砂子的固定体积分数，该工程取44%；

Vm——砂浆体积；

ρs——砂子的表观密度。

计算砂子用量为0.44×730×2.65=850kg。浆体体积Ve=730×0.56=408.8L。

c.混凝土配制强度：

式中 fcu，o——混凝土强度等级，该工程为C40；

σ——混凝土强度标准差，由表3取值。

表3 σ的取值

通常取 fcu，p=fcu，o+10（MPa）；该工程 fcu，p=40+10= 50MPa。

d.胶水比:

式中 m（c+f）/m（w）——胶水比；

fcu，p——混凝土配制强度；

fce——水泥28d抗压强度实测值；

A，B——回归系数，对碎石混凝土，A=0．48，B= 0．52，对卵石混凝土A=0 5O．B=0．61。

该工程胶水比m（c+f）/m（w）=（50/0.48×44.5）+0.52= 2.86，则水胶比w/b为1/2.86=0.35。

e.水用量。根据陈建奎教授提出的全计算法并给出的公式计算：

W=（Ve-Va）/{1+［（fcu.p/A fce）+B］∕［（1-φ）ρc+φρf］}；式中 Ve——浆体体积；

Va——含气量，该工程取3.8%；

φ——粉煤灰体积掺量（体积分数），取25%；

ρc——水泥密度；

ρf——粉煤灰密度。将上面几步算出的结果代入水用量公式可得W= 190kg。

f.胶凝材料用量。由水灰比可知m（c+f）=W/（w/b）= 190/0.35=542kg。

式中 x——粉煤灰掺料（质量分数，下同），该工程取23%；

m（c），m（f）——水泥、粉煤灰用量。

计算得m（c）=415kg，m（f）=125kg。

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1.3%。

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：kg/m3

4.3 自密实混凝土性能检测

根据中国土木学会标准《自密实混凝土设计与施工指南》（CECS02—2004）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》（CECS203—2006），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SCC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700±50mm，V形漏斗试验满足通过时间10～25s，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，C40等级SCC28天龄期抗压强度，分别委托国家建筑工程质量监督检测中心和工地第三方试验室进行检测，结果见表6。

表5 C40等级SCC自密实性能检测 单位：kg/m3

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15m一段进行施工，待前述工序完成后即绑扎钢筋，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［14槽钢。横向支撑间距设计为0.9m，竖向支撑设计为0.6m，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》（DL5017—93）的规定，该工程由于洞径小，安装困难，压力钢管制造成厚12mm、长2.5m、半径1.6m，预留回填灌浆孔、接触灌浆孔、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。

表6 专用自密实混凝土（C40）28d抗压强度 单位：MPa

5.2 自密实混凝土生产及施工

该工程采用2台0.5m3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90~120s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C40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C40自密实混凝土回弹法检测混凝土强度检测结果 单位：MPa

6 结语

SCC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,但是在掺入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C15等级SCC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，SCC在水利工程上的应用和推广等问题也值得探讨。