自密实混凝土性能及其在三峡三期工程中的应用

    胡竟贤，纪建林
    （西北勘测设计研究院 三峡工程建设监理中心 湖北 宜昌 443133）

    [摘要] 自密实混凝土虽然在建筑工程中已有应用，但在水电工程中很少见到应用的实例，本文介绍了水工自密实混凝土的性能以及在三峡三期工程中的应用。随着材料科学的发展，各种类型的新型外加剂投入生产，使对于无法振捣的一些形状复杂、高密配筋或封闭的特殊结构部位采用免振自密实混凝土施工成为可能。自密实混凝土具有大流动性及良好的粘聚性，使混凝土在自身重力作用下自行流动但不会发生骨料分离，从而实现自密实。经过试验得到符合施工要求的自密实混凝土配合比，各项性能均达到设计要求，与常态混凝土比较具有较高的轴拉强度和极限拉伸值，由于自密实混凝土的优良性能，成功的应用在三峡工程无法用常规方法施工的部位。

    [关键词] 自密实混凝土；扩散度；流动性；填充性；力学性能；应用
The Property of SCC concrete and it applies in 3rd Stage Dam at Three Gorges Project
By Mr. Hu Jingxian and Mr. Ji Jianlin
(From: Northwest Designing Institute   Three Gorges Engineers Corp.
Yichang, Hubei  443133)
(Abstract: Although the SCC concrete has numbers of examples applying in build 
Construction field, it has few applying examples in Hydropower projects. The 
herewith article gives the introduction of the property of Scc in hydropower and 
the applying in 3rd Stage Dam at Three Gorges Project. Accompanying with the 
development of new materials, the new sort of admixtures make this into 
possibility that to use scc concrete in concretepouring in the complicated 
geometrical and high-collocated reinforced formwork or some special location in which is blocked out. 
The SCC concrete has the property of high flowability and high consistency, it 
can flow flat under it’s own gravity without any segregation and it is compacted 
by itself. After the indoor lab test, we decide the mix design which can meet all 
the requirement for concrete-construction, the properties meet the designing specification and it has higher 
axis tensile strength and higher ultimate tensile strength. Due to the excellent 
properties of scc concrete, it is successfully used in some special location at 
Three Gorges Project where the ordinary way for concretepouring can not fulfill 
the construction.)

(Keywords):SCC concrete; Spread Table; Flowability; Ability for fill; 
                    Mechanic property; Applying.      
    1  概述
    水工建筑物大体积混凝土绝大部分使用三、四级配低塑性混凝土，只在地下洞室混凝土衬砌或断面尺寸较小的二期混凝土（如闸门槽回填）才采用大流动度的泵送混凝土。就自密实混凝土而言，虽然在建筑工程中已有应用，但在水电工程中很少见到应用的实例。这里所指的自密实混凝土区别于一般的大流动度混凝土，它除了具有高流动性外，还应具有良好的粘聚性，使混凝土在自身重力作用下自行流动但不会发生骨料分离，从而实现自密实。随着材料科学的发展，各种类型的新型外加剂投入生产，使对于无法振捣的一些形状复杂、高密配筋或封闭的特殊结构部位采用免振自密实混凝土施工成为可能。

    1999年，青云公司试验室最早开展了三峡二期工程自密实混凝土的试验研究，三七八联总试验室也相继开展这方面的研究工作，并分别在三峡二期工程大坝压力钢管槽回填及电站厂房三期坑中应用[1]。但早期施工选用萘系缓凝高效减水剂，混凝土粘聚性较差，以致在混凝土入仓处发生骨料堆积。后来改用JM-Ⅱ萘系泵送剂加ZNJ增粘剂联合掺用的办法，克服了骨料分离的问题，使混凝土具有高流态、抗分离和粘聚性好的优良性能，但需人工添加增粘剂，生产程序较为复杂。在三期工程中经过几个试验单位的反复对比试验，确定选用新型的聚羧酸系的Glenium SP8cr-hc超高效减水剂。以下主要介绍自密实混凝土的性能以及在三峡三期工程中的应用情况。

    2  混凝土原材料
    水泥：在水工建筑物中，为减小水泥水化热温升，宜选用中热硅酸盐或低热硅酸盐水泥，在三峡三期工程中，自密实混凝土采用石门42.5中热、石门42.5低热硅酸盐水泥，水泥28天抗压强度分别达到53.8MPa、53.3 MPa，7天水泥水化热分别为273kj/kg、208kj/kg。

    粉煤灰：采用襄樊Ⅰ级粉煤灰，需水量比92%，细度3.0%。

    骨料：下岸溪料场生产的人工砂、人工碎石，表观密度为2650kg/m3，粗骨料最大粒径选用40mm，人工砂细度模数2.50-2.60，石粉含量10%-14%。

    外加剂：采用上海麦斯特生产的聚羧酸系Glenium SP8cr-hc超高效减水剂及AIR202引气剂。SP8cr-hc和传统的高效减水剂的作用机理不同，在聚羧酸谜主分子上复合着很长的侧链，极大地提高了对水泥颗粒的离散能力，混凝土拌和过程中，主分子之间静电排斥产生离散，在主分子背侧的侧链会产生位阻现象，进一步提高水泥颗粒之间的距离保持能力。聚合物分子用特殊的合成技术合成“时间释放”效应，可延长混凝土的可工作时间，但不造成混凝土凝结的延缓，有助于提高混凝土工作度的保持能力和混凝土的早期工作强度。

    3  混凝土配合比设计
    适合于工程施工需要的混凝土配合比，最直接的办法是通过试验确定，在试验前，应根据已有工程资料对试验进行指导。自密实混凝土各种材料组成可按绝对体积法计算，其各参数间的关系，笔者根据文献资料及现场施工情况，归纳如下几条考虑原则：

    ⑴ 混凝土水胶比。除了与常态混凝土一样，混凝土水胶比选择应满足混凝土各项性能外，还必须考虑大流动度混凝土为保持良好的粘聚性需要对最大水胶比的限量。减小水胶比，可以增加混凝土的粘聚性，由试验结果得到，当水胶比在0.35-0.40之间时，骨料可以随着浆体通过多层钢筋网，当水胶比大于0.40时，骨料通过钢筋网的能力减弱，因此当钢筋比较密集时，水胶比以不大于0.40为佳。但对于较大的浇筑块体，相对钢筋较少时，亦可适当增大水胶比，根据施工经验，浇筑强度等级较低的混凝土，采用0.48水胶比，混凝土仍能保持良好性能。

    ⑵ 混凝土胶凝材料用量。为了达到大流动和保持混凝土良好的粘聚性，混凝土胶凝材料不应过低。在水工混凝土中，不希望用过高的胶凝材料用量，这样会增大水泥水化温升，而过低胶凝材料用量，又会使混凝土粘聚性变差，根据三峡工程经验，胶凝材料用量大致在350kg/m3-450 kg/m3之间选定。

    ⑶ 混凝土单位用水量。增加单位用水量，可以增大混凝土流动度，但混凝土易发生分离析，增大混凝土泌水，影响到混凝土的和易性，要得到优质的混凝土，在保证混凝土流动度前提下，应采用较小的单位用水量，为此在配制自密实混凝土时，应选用减水率高的且能保持混凝土结构稳定的外加剂，对自密实混凝土而言，外加剂选择成为决定自密实混凝土性能的关键因素。

    混凝土的水胶比、胶凝材料用量及用水量三者之间是互相关联的一个整体，需进行综合比较后确定，为了得到流变性好的自密实混凝土配合比，应采用较低的骨料含量和足够粘度的砂浆。根据美国P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授的观点，水泥浆与骨料的体积比应为35:65[2]，三峡工程的试验结果中水泥浆体积（包括掺和料及含气量体积）与骨料体积比例与上述结果比例很接近。

    ⑷ 混凝土掺和料。掺入细磨粉煤灰的微珠效应和复合高效减水剂作用叠加，赋予混凝土良好的免振自密实性能[3]，而且掺入粉煤灰可以减低水泥水化热温升。为了满足最低胶凝材料用量，在胶材总量不变的情况下，合适选取粉煤灰掺量，可以满足各种强度等级混凝土要求。

    ⑸ 混凝土砂率。有资料认为，自密实混凝土的砂率大小，影响着免振与振捣强度比的大小，并提出自密实混凝土砂率应在普通混凝土的基础上提高3%-5%[4]。根据三峡工程应用的结果，自密实混凝土砂率比泵送混凝土砂率提高4%-5%。

    ⑹ 骨料粒径及级配。为了减小骨料分离，也为了能采用混凝土泵输送入仓，骨料最大粒径应不超过40mm，且中石与小石比例采用50:50或40:60为宜。

    4  混凝土拌和物性能

    ⑴ 流动性
自密实混凝土属于高流态混凝土，不宜单一采用坍落度评价其流动性，依据《水工砼试验规程》（DL/T5150-2001）中的混凝土拌和物扩散度试验方法测定混凝土拌和物扩散度，以此来评价自密实混凝土拌和物流动性能。当试验采用粗骨料最大粒径20mm，水胶比0.37，用水量180kg/m3时，掺0.5%的SP8cr-hc超高效减水剂混凝土扩散度约为50cm，在30min内还有增长，30min后趋于稳定，60min无损失；当采用粗骨料最大粒径40mm，水胶比0.40，用水量160kg/m3时，混凝土扩散度亦达到50cm。上述混凝土表观性好，在扩散度测试过程中骨料无离析现象。由于SP8cr-hc外加剂的二次释放功能，提高了混凝土扩散度保持能力，有利于混凝土浇筑。
 

    ⑵ 通过钢筋栅间隙能力
    为评价混凝土拌和物通过钢筋间隙的能力，使用图1试验装置进行试验。使拌和物从A向B水平流动通过两层间距为8cm的钢筋栅（钢筋直径25mm），分别检测a、b两处的混凝土容重和高差，通过混凝土容重和高差比较评价混凝土通过钢筋间隙的能力。试验结果表明，在混凝土参数基本相同情况下，水胶比为 0.37时，a、b两处的容重差为0，高差0.3cm-0.5cm；水胶比增大到0.40时，容重差为4%，高差有所增大，表明混凝土拌和物通过钢筋栅能力与混凝土水胶比有很大关系，当建筑物钢筋密集时，水胶比不宜大于0.40。
    ⑶ 填充性 
 
    填充能力是衡量自密实混凝土工作性的一个重要指标，一般采用BOX模型试验来检验，考虑到BOX模型太小，难以反映拌和物通过多层钢筋后的填充能力，根据实际情况对BOX模型进行了改良，改良后的试验装置为一长×宽×高=2m×0.3m×0.5m的木制“U”型槽，内置多层钢筋网，示意图见图2。试验时混凝土从一端倒入，流经布有钢筋网的中部，从另一端翻出。观察拌和物在流经钢筋网后是否发生分离，待混凝土硬化后，拆模观察混凝土对整个试验装置的填充情况和表面是否有缺陷。试验结果采用如上所述的最大粗骨料粒径为20mm、水胶比为0.37的混凝土，流经钢筋网后混凝土无分离现象，拆模后“U”型槽试模边角填充饱满，试件外观无缺陷。
    5  混凝土力学性能及耐久性能
    自密实混凝土的抗压强度在水胶比及粉煤灰掺量相同情况下，与常规混凝土基本相同，但自密实混凝土具有较高的的轴拉强度和极限拉伸值，同时自密实混凝土也具有良好的抗冻和抗渗性能，表1及表2中列出了混凝土抗压强度、轴拉强度、极限拉伸以及混凝土抗冻、抗渗性能试验值。 
 

表1    混凝土抗压强度

表2    混凝土力学性能

    6  工程应用实例
    实例一：右岸电站厂房肘管底部二期回填 

    右岸电站厂房肘管底部二期回填第一层因施工振捣困难，采用下部为大坍落度泵送混凝土、上部为自密实混凝土的施工方法，其中自密实混凝土由下至上分别分别采用二、一级配，仓号结构示意图见图3，混凝土施工配合比主要参数见表3。单仓沿坝轴线方向长约为35m，混凝土浇筑方量约830m3，其中自密实混凝土约660m3，浇筑历时约22小时，混凝土浇筑采用泵送，在肘管上开孔灌注，现场浇筑情况良好。仓内埋设两层冷却水管通制冷水以降温削减混凝土内部最高温度峰值，进水温度8℃-10℃，浇筑即开始通水，24小时换向一次，混凝土内部出现最高温度前通水流量35L/min-40L/min，最高温度出现后通水流量降至18L/min-25L/min。根据经验公式推算出一、二级配混凝土的3天水泥水化热温升分别为37℃和34℃，预冷混凝土出机口温度约8℃，浇筑温度约15℃，混凝土内部3天左右达到约40℃的最高温升，冷却水管的埋设削减最高温度约9℃-12℃。 
 

表3    自密实混凝土施工配合比主要参数

    备注：一级配混凝土开始采用0.37水胶比，后因温控要求水胶比改为0.40。
    
    图4 引水压力钢管槽剖面图

    实例二：右岸大坝引水压力管道槽回填
    右岸大坝引水压力钢管直径12.4m，管道槽底部先使用常规混凝土回填，浇筑至钢管附近因振捣困难改用二级配自密实混凝土，结构示意图见表4，混凝土施工配合比主要参数见表3，混凝土温控措施类似于实例一。
实例三：泄洪坝段导流底孔封堵
    
    导流底孔结构示意图见图5，混凝土施工配合比主要参数见表4。单孔沿坝轴线方向长为5.4m，封堵分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三段，混凝土浇筑方量分别约为2200 m3、1700 m3和1500 m3，其中Ⅰ、Ⅲ段采用中热42.5硅酸盐水泥，Ⅱ段采用低热42.5硅酸盐水泥。每段分4层浇筑，1-3层使用泵送混凝土，顶部第4层使用二级配自密实混凝土（Ⅰ、Ⅱ段从▽66.0m开始，Ⅲ段从▽64.5m开始），单孔自密实混凝土浇筑总量约1200m3，浇筑强度约10 m3/h，混凝土温控措施类似于实例一。  

表4    自密实混凝土施工配合比主要参数

    备注：带“*”的使用低热42.5硅酸盐水泥。
    7  结论
    自密实混凝土具有大流动性及良好的粘聚性，依靠自重充填密实，经过试验得到符合施工要求的自密实混凝土配合比，各项性能均达到设计要求，与常态混凝土比较具有较高的轴拉强度和极限拉伸值，由于自密实混凝土优良的工作性能，成功的应用在三峡工程无法用常规方法施工的部位。
外加剂的选择，是决定自密实混凝土性能的一项关键因素，工程中采用的SP8cr-hc外加剂是具有延时释放的高效减水剂，同时具有侧链的位阻效应，增加了混凝土的粘聚性，在自密实混凝土中应用是比较理想的外加剂。
    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，由此也增加了水泥水化热温升，在水工建筑物上应用，应采用一定温控措施，以减低混凝土浇筑块体最终温升。

    [参考文献]
    [1] 方志勇，自流平混凝土在三峡二期工程中的应用，《科技进步与对策》第234页，科学出版社，2003年12月。
    [2] 杨树桐、吴智敏，自密实混凝土力学性能的试验研究，《混凝土》2005年第1期。
    [3] 谢友均、周士琼、尹健、刘宝举，免振高性能混凝土力学性能及耐久性研究，建筑材料科学报，第3卷第2期，2000年6月。
    [4] 张长清，免振捣自密实混凝土与振捣混凝土的对比，武汉城市建设学院学报，第16卷第3期，1999年9月。