摘 要: 优选砼施工配合比是改善砼施工性能,使砼降温收缩变形与MgO 微膨胀变形相协调,达到外掺MgO 砼应力补偿设计的效果,保证工程质量的关键措施。广东已建的几个外掺MgO 砼筑坝的工程,经过大量试验,在砼施工配合比设计中的原材料、水灰比、坍落度、粗骨料级配、外加剂品种和砂率的选择、混合材掺量、MgO 掺量和外加剂掺量的确定等方面取得一定成果,在此通过总结予以阐述。
关键词: 外掺MgO 砼;配合比;优化选择
中图分类号: TV431 文献标识码: B 文章编号: 100820112 (2003) 0620008204
1 前言
外掺MgO 混凝土快速筑坝技术的基本出发点是利用MgO所独具的延迟性微膨胀性能,补偿大体积混凝土降温收缩受约束引起的温度应力,从而达到简化温控措施,加快施工进度,提高工程投资效益的目的。
工程实践证明,优选混凝土施工配合比是改善混凝土施工性能,使混凝土降温收缩变形与MgO 微膨胀变形相协调,达到外掺MgO 砼应力补偿设计的效果,保证工程质量的关键措施。
2 混凝土配合比设计原则
外掺MgO 混凝土配合比设计的原则是就地取材和经济合理,与普通混凝土工程基本一致。通常需根据工程特点、设计要求、施工方法和现场环境等条件,充分考虑外掺MgO 混凝土快速筑坝技术特点,在满足混凝土的综合变形性能、强度、耐久性、和易性等的前提下,尽可能的降低混凝土的单方造价,以节约工程费用。
3 混凝土配合比设计步骤
外掺MgO 混凝土的性能涉及到3 个方面的要求,一是满足补偿设计要求的综合变形性能,二是掺量必须保证工程运行的安全可靠,三是具有良好的施工性能。混凝土施工配合比设计要考虑的因素主要有原材料、水灰比、坍落度、粗集料级配和砂率的选择,以及混合材掺量、外加剂的掺量和MgO 掺量的确定等。为了减少试验的工作量,一般分两个阶段进行,首先根据工程特点、设计要求、施工方法、环境条件和原材料供应情况,进行常规大体积混凝土配合比试验,经优化初步选定常规混凝土配合比;在初选配合比的基础上,进行外掺MgO 混凝土的安定性试验和自生体积变形试验,并根据试验结果和设计部门要求的补偿变形值,选择适宜的MgO 掺量,经试配调整确定施工配合比。
3. 1 MgO 混凝土配合的设计程序
设计程序如下: 设计要求v 原材料选择v 粗集料级配v坍落度选择v 确定水灰比v 确定混合材掺量v 确定砂率v初选配合比v 施工配合比确定v 现场试配调整。
3. 2 原材料选择
3. 2. 1 水泥
外掺MgO 混凝土一般采用收缩性小、脆性系数低的中低热32. 5～42. 5 普通硅酸盐水泥较合适,其质量应符合现行标准要求,同时要求供应厂家生产过程稳定,水泥组分和力学性能波动小。为了降低水泥水化热、减少混凝土温升值,一般要求水泥中的C3S 含量控制在50 %以下,C2S 的含量控制在20 %以上,C3A能控制在6 %以下较好;7 d 的水化热一般控制在250～290 J / g ,水泥的初凝时间以3 h 左右较适合。
3. 2. 2 混合材
混合材一般采用Ⅰ- Ⅱ级优质粉煤灰较多,其质量需符合现行标准要求。粉煤灰的细度是影响混凝土的强度的关键因素,多孔碳粒会增加混凝土的需水量,降低混凝土的物理力学性能,降低外掺MgO 砼的微膨胀,因此,粉煤灰的细度和烧失量指标要从严控制。
3. 2. 3 外加剂
外加剂的种类对混凝土的需水量影响很大,应充分重视,其质量应符合有关的规程规范要求,适宜的掺量可通过对比试验确定。一般要求选择适应性好、保水性好、减水率高的复合型减水剂,以降低混凝土用水量、降低水泥用量,从而降低混凝土的干缩变形、降低坝体混凝土温升,提高MgO 混凝土的补偿效果。
3. 2. 4 砂子
砂子的质量应符合有关的规程规范要求,一般采用细度模数2. 2～3. 0 级配良好的中砂较合适。砂子过细,比表面积大,需水量大,混凝土拌合料容易产生泌水和离析;砂子太粗,混凝土拌合料干涩,降低混凝土的和易性,会增加施工难度。不同种类砂,不同细度模数砂对压蒸试验结果的影响可参阅《水科院外掺MgO 砼材料试验研究报告资料》。
采用新、旧标准砂,工程用砂进行试验,试体水灰比W/ C =0. 5 ,粉煤灰掺量为30 % ,灰砂比为1∶3 ,MgO 掺量6 % ,不掺外加剂,试验结果见表1 。
同种砂,细度模数小,压蒸膨胀率小。细度模数相同时, ISO标准砂比天然河砂压蒸膨胀率小。说明砂品质、细度模数对压蒸膨胀率影响较大。
3. 2. 5 粗骨料
粗骨料的质量应符合现行的有关规程规范要求,一般要求采用抗压强度大于2 倍的混凝土设计强度的新鲜石料。目前,工程中使用的粗骨料主要是碎石,卵石由于料源限制已很少使用。
一般而言,集料的弹模愈高,配制的混凝土的弹模也高。采用MgO 混凝土快速筑坝施工技术的拱坝,混凝土温升值一般都有15～25 ℃,为了避免产生过大的温度应力,选择弹模中等线膨胀系数小的粗骨料较合适,砼骨料的岩性对砼线膨胀系数的影响较大,一般是硅酸质骨料最大,火成岩质次之,石灰岩质最小。此外,材料用量和砼的干湿状态对砼线膨胀系数也有影响,砼线膨胀系数随骨料的增加而减小,随水泥用量的增加而增大,干燥状态大于潮湿状态。因此可以认为材料用量和骨料性质是决定砼线膨胀系数的主要因素。同时要求配合比,应保证相应一致的水灰比、灰砂比及砂浆与粗骨料之间的比例,使砼内的砂浆体线性膨胀与所选用的岩体碎石尽量一致,从而增加骨料界面的粘结强度,利于砼的抗裂。粗集料中针片状颗粒含量较多时,对混凝土的和易性、强度和耐久性均有不良影响,要求从严控制。
已建的外掺MgO 混凝土工程,青溪电站、飞来峡水利枢纽和长沙拱坝粗骨料采用花岗岩,贵州沙老河拱坝采用砂岩,乳源坝美拱坝采用灰岩,从工程实施效果来看都是合适的。
3. 2. 6 MgO
MgO 材料品质应符合《水利水电工程轻烧MgO 材料品质技术要求》规定的控制指标。MgO 的颗粒细度和活性指标是影响MgO 混凝土膨胀特性的关键因素,要求从严控制。广东已建的几个工程采用的轻烧MgO 材料是由辽宁海城生产的水工专用轻烧MgO 粉剂,质量还是比较稳定的。
3. 3 粗集料级配
广东水电二局股份有限公司在大埔青溪电站和清远飞来峡水利枢纽工程基础块混凝土施工中采用四级配,最大粒径为150mm;在阳春长沙拱坝、乳源坝美拱坝采用三级配,最大粒径80mm;在贵州沙老河拱坝采用四级配,最大粒径150 mm。根据工程施工经验,外掺MgO 混凝土对重力坝采用四级配较合适,在坍落度不变的情况下,可以减少单位用水量和降低砂率,从而达到减少水泥用量,减少收缩变形,减少混凝土温升的效果。对薄拱坝,由于抗渗对混凝土的浇筑密实度要求较高;同时由于拱坝对拉应力要求较严,设计时一般都有极限拉伸变形值指标要求,以采用三级配混凝土较合适。
3. 4 混凝土坍落度
目前,随着高频振动器、振动器组和混凝土外加剂的采用,混凝土施工坍落度逐渐减小,坍落度每减少1 cm ,用水量约减少2～3 kg ,水泥用量约减少5 kg ,采用低坍落度混凝土对减少用水量和水泥用量效果是显著的。根据外掺MgO 混凝土施工实践,人工平仓振捣坍落度以采用3～5 cm 为宜,机械平仓振捣坍落度可以采用2～4 cm ,夏秋两季采用上限,冬春两季采用下限。
3. 5 水灰比
广东水电二局股份有限公司施工的长沙拱坝、沙老河拱坝和坝美拱坝,混凝土施工配合比的水灰比为0. 48～0. 55 ;青溪重力坝基础混凝土0. 6 ,内部混凝土0. 7 ;飞来峡水利枢纽工程闸室、坝体基础和内部、重力坝、厂房基础等采用0. 6 。采用较小的水灰比,可减少混凝土的收缩变形,但会增加水泥用量,提高混凝土温升值。对外掺MgO 混凝土,水灰比的选择应综合考虑强度等级、保证率、耐久性、补偿变形要求、规程规范要求、设计要求和施工要求等因素,通过试验比较确定。
3. 6 粉煤灰掺量
混合材一般采用Ⅰ- Ⅱ级优质粉煤灰。掺粉煤灰可改善混凝土的和易性,增加混凝土粘性以减少离析和泌水,延长混凝土的凝结时间;用粉煤灰代替部分水泥可降低混凝土的温升值,改善水泥的安定性;掺粉煤灰可提高混凝土的后期强度和耐久性能。大体积混凝土掺粉煤灰对改善混凝土施工性能,降低水化热效果非常明显(表2 是坝美拱坝所用水泥水化热试验成果) 。
表3 是长沙拱坝所做的水泥净浆膨胀变形试验成果。试验结果表明,试体膨胀值随着粉煤灰掺量的增加而减小,随着MgO的掺量增加而加大,这说明粉煤灰掺量与MgO 掺量具有相互影响的作用,掺量应有一个合适的范围。
图1 是广东省水利水电科学研究院试验的坝美拱坝粉煤灰掺量～压蒸膨胀率关系曲线,试验用水泥砂浆试体,新标准砂。图中反映,MgO 砂浆试体压蒸膨胀率与粉煤灰掺量之间的关系,具有近似阶梯形的变化。当粉煤灰掺量超过35 %时,膨胀率急剧降低。因此,掺用粉煤灰时应注意这一特点,同时,应符合《水工砼掺用粉煤灰技术规范》,对不同水泥品种和坝型有不同规定。
3. 7 砂率
影响砂率的因素主要有石料的品种和级配,水泥用量,砂子本身的级配和细度模数等。初选时可按估算的最优砂率采用,再根据试验比较确定。根据工程经验,外掺MgO 混凝土与常规混凝土所采用的砂率基本一致,四级配混凝土砂率为21 %～25 % ,三级配混凝土砂率为25 %～30 % ,对抗拉性能要求高的,砂率可适当增加。
3. 8 初选配合比
根据工程选定的原材料及其特点,设计、施工方法和环境条件等要求,初步拟定几个配合比方案,进行比较试验,选择力学性能好、收缩变形小、徐变度大和极限拉伸值大的组合作为初选配合比。根据实践经验,MgO 在安定掺量范围内,对混凝土的力学性能影响不大。表4 是坝美拱坝根据初选混凝土配合比所作的力学性能对比试验结果,表中5 # 配比为经优化后选定的初步配合比,减少G8 用量、增加G4 和G2 的用量,主要目的是提高混凝土的极限拉伸值和改善徐变性能。
3. 9 施工配合比确定
MgO 的安定掺量和自生体积变形试验应按《氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定》(试行) 要求及有关标准进行,通过试验确定MgO 的允许掺量,再根据设计的补偿要求选择合理的MgO 掺量(表5 是已实施的几个外掺MgO 工程采用的基准配合比) 。
3. 10 现场试配调整
由于施工现场各种原材料、拌和系统性能、拌和工艺和环境条件等与室内存在差异,因此,由室内试验确定的设计配合比一般需在施工现场进行试拌验证,并根据实际情况进行调整,调整的原则是保证选定的水灰比不变,掺用的MgO 量不变,保证骨料的比表面积与浆体的比例,确定符合要求的施工配合比。
4 适合广东地区的MgO 砼配合比
根据施工经验和统计分析,对广东地区可供参考的筑坝MgO 砼配合比见表6 (采用普通硅酸盐水泥) 。
5 结语
外掺MgO 混凝土施工配合比的优化选择涉及的因素多,与原材料试验,应力补偿设计,环境条件和施工时段等有关。目前,对原材料的试验仍然不够系统、全面,原材料试验、补偿设计和工程施工是一个关联的过程,需要统筹兼顾;由于MgO 混凝土自生体积变形试验需一定龄期才能提供有关设计所需资料,因此,采用外掺MgO 混凝土筑坝技术最好从项目的初步研究阶段开始着手,只有通过充分的试验研究,才能设计出技术可行、经济合理的MgO 混凝土配合比,更好地实现设计的补偿要求,提高工程质量。
