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 400074)

1 前言

自密实混凝土(Self—Compacting Concrete，简称SCC)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20世纪80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，如日本的三室川等大坝。

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:

(1)高流动性。保证混凝土能够绕过密集的钢筋，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C25～C40。船闸混凝土的强度范围一般在C20～C30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0．25水胶比情况下，掺入4%的硅粉和20%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38．1GPa，比普通C50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，相对常规混凝土而言，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入手，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混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自密实混凝土的关键。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10%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30%，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)初期通水是降低混凝土水化热升温的措施之一。

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混凝土、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1500MW，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90dC25，抗渗等级为W10，抗冻等级为F100。

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 0．40，0．38，0．35。1-3 号配合比的水工自密实混凝土中使用30%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20%，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20%的双掺料。各配合比自密实混凝土性能见表2。

表1 水工自密实混凝土原材料用量 kg/m3

表2 自密实混凝土性能

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6m3自密实混凝土的生产性试验。混凝土为长方体，尺寸为3m×2m×1m，底部有2层间距为200mm的钢筋网。水工自密实混凝土采用5号配合比，水胶比为0．38，掺加30%粉煤灰和20%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3．6m，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2300kg/m3，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，适宜采用自密实混凝土进行局部浇筑。

(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混凝土，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。

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