摘 要: 優(yōu)選砼施工配合比是改善砼施工性能,使砼降溫收縮變形與MgO 微膨脹變形相協(xié)調(diào),達(dá)到外摻MgO 砼應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)的效果,保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵措施。廣東已建的幾個(gè)外摻MgO 砼筑壩的工程,經(jīng)過大量試驗(yàn),在砼施工配合比設(shè)計(jì)中的原材料、水灰比、坍落度、粗骨料級(jí)配、外加劑品種和砂率的選擇、混合材摻量、MgO 摻量和外加劑摻量的確定等方面取得一定成果,在此通過總結(jié)予以闡述。
關(guān)鍵詞: 外摻MgO 砼;配合比;優(yōu)化選擇
中圖分類號(hào): TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 100820112 (2003) 0620008204
1 前言
外摻MgO 混凝土快速筑壩技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是利用MgO所獨(dú)具的延遲性微膨脹性能,補(bǔ)償大體積混凝土降溫收縮受約束引起的溫度應(yīng)力,從而達(dá)到簡(jiǎn)化溫控措施,加快施工進(jìn)度,提高工程投資效益的目的。
工程實(shí)踐證明,優(yōu)選混凝土施工配合比是改善混凝土施工性能,使混凝土降溫收縮變形與MgO 微膨脹變形相協(xié)調(diào),達(dá)到外摻MgO 砼應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)的效果,保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵措施。
2 混凝土配合比設(shè)計(jì)原則
外摻MgO 混凝土配合比設(shè)計(jì)的原則是就地取材和經(jīng)濟(jì)合理,與普通混凝土工程基本一致。通常需根據(jù)工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、施工方法和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等條件,充分考慮外摻MgO 混凝土快速筑壩技術(shù)特點(diǎn),在滿足混凝土的綜合變形性能、強(qiáng)度、耐久性、和易性等的前提下,盡可能的降低混凝土的單方造價(jià),以節(jié)約工程費(fèi)用。
3 混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟
外摻MgO 混凝土的性能涉及到3 個(gè)方面的要求,一是滿足補(bǔ)償設(shè)計(jì)要求的綜合變形性能,二是摻量必須保證工程運(yùn)行的安全可靠,三是具有良好的施工性能?；炷潦┕づ浜媳仍O(shè)計(jì)要考慮的因素主要有原材料、水灰比、坍落度、粗集料級(jí)配和砂率的選擇,以及混合材摻量、外加劑的摻量和MgO 摻量的確定等。為了減少試驗(yàn)的工作量,一般分兩個(gè)階段進(jìn)行,首先根據(jù)工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、施工方法、環(huán)境條件和原材料供應(yīng)情況,進(jìn)行常規(guī)大體積混凝土配合比試驗(yàn),經(jīng)優(yōu)化初步選定常規(guī)混凝土配合比;在初選配合比的基礎(chǔ)上,進(jìn)行外摻MgO 混凝土的安定性試驗(yàn)和自生體積變形試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)部門要求的補(bǔ)償變形值,選擇適宜的MgO 摻量,經(jīng)試配調(diào)整確定施工配合比。
3. 1 MgO 混凝土配合的設(shè)計(jì)程序
設(shè)計(jì)程序如下: 設(shè)計(jì)要求v 原材料選擇v 粗集料級(jí)配v坍落度選擇v 確定水灰比v 確定混合材摻量v 確定砂率v初選配合比v 施工配合比確定v 現(xiàn)場(chǎng)試配調(diào)整。
3. 2 原材料選擇
3. 2. 1 水泥
外摻MgO 混凝土一般采用收縮性小、脆性系數(shù)低的中低熱32. 5～42. 5 普通硅酸鹽水泥較合適,其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)要求供應(yīng)廠家生產(chǎn)過程穩(wěn)定,水泥組分和力學(xué)性能波動(dòng)小。為了降低水泥水化熱、減少混凝土溫升值,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 %以下較好;7 d 的水化熱一般控制在250～290 J / g ,水泥的初凝時(shí)間以3 h 左右較適合。
3. 2. 2 混合材
混合材一般采用Ⅰ- Ⅱ級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰較多,其質(zhì)量需符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。粉煤灰的細(xì)度是影響混凝土的強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,多孔碳粒會(huì)增加混凝土的需水量,降低混凝土的物理力學(xué)性能,降低外摻MgO 砼的微膨脹,因此,粉煤灰的細(xì)度和燒失量指標(biāo)要從嚴(yán)控制。
3. 2. 3 外加劑
外加劑的種類對(duì)混凝土的需水量影響很大,應(yīng)充分重視,其質(zhì)量應(yīng)符合有關(guān)的規(guī)程規(guī)范要求,適宜的摻量可通過對(duì)比試驗(yàn)確定。一般要求選擇適應(yīng)性好、保水性好、減水率高的復(fù)合型減水劑,以降低混凝土用水量、降低水泥用量,從而降低混凝土的干縮變形、降低壩體混凝土溫升,提高M(jìn)gO 混凝土的補(bǔ)償效果。
3. 2. 4 砂子
砂子的質(zhì)量應(yīng)符合有關(guān)的規(guī)程規(guī)范要求,一般采用細(xì)度模數(shù)2. 2～3. 0 級(jí)配良好的中砂較合適。砂子過細(xì),比表面積大,需水量大,混凝土拌合料容易產(chǎn)生泌水和離析;砂子太粗,混凝土拌合料干澀,降低混凝土的和易性,會(huì)增加施工難度。不同種類砂,不同細(xì)度模數(shù)砂對(duì)壓蒸試驗(yàn)結(jié)果的影響可參閱《水科院外摻MgO 砼材料試驗(yàn)研究報(bào)告資料》。
采用新、舊標(biāo)準(zhǔn)砂,工程用砂進(jìn)行試驗(yàn),試體水灰比W/ C =0. 5 ,粉煤灰摻量為30 % ,灰砂比為1∶3 ,MgO 摻量6 % ,不摻外加劑,試驗(yàn)結(jié)果見表1 。
同種砂,細(xì)度模數(shù)小,壓蒸膨脹率小。細(xì)度模數(shù)相同時(shí), ISO標(biāo)準(zhǔn)砂比天然河砂壓蒸膨脹率小。說明砂品質(zhì)、細(xì)度模數(shù)對(duì)壓蒸膨脹率影響較大。
3. 2. 5 粗骨料
粗骨料的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求,一般要求采用抗壓強(qiáng)度大于2 倍的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的新鮮石料。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,集料的彈模愈高,配制的混凝土的彈模也高。采用MgO 混凝土快速筑壩施工技術(shù)的拱壩,混凝土溫升值一般都有15～25 ℃,為了避免產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力,選擇彈模中等線膨脹系數(shù)小的粗骨料較合適,砼骨料的巖性對(duì)砼線膨脹系數(shù)的影響較大,一般是硅酸質(zhì)骨料最大,火成巖質(zhì)次之,石灰?guī)r質(zhì)最小。此外,材料用量和砼的干濕狀態(tài)對(duì)砼線膨脹系數(shù)也有影響,砼線膨脹系數(shù)隨骨料的增加而減小,隨水泥用量的增加而增大,干燥狀態(tài)大于潮濕狀態(tài)。因此可以認(rèn)為材料用量和骨料性質(zhì)是決定砼線膨脹系數(shù)的主要因素。同時(shí)要求配合比,應(yīng)保證相應(yīng)一致的水灰比、灰砂比及砂漿與粗骨料之間的比例,使砼內(nèi)的砂漿體線性膨脹與所選用的巖體碎石盡量一致,從而增加骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度,利于砼的抗裂。粗集料中針片狀顆粒含量較多時(shí),對(duì)混凝土的和易性、強(qiáng)度和耐久性均有不良影響,要求從嚴(yán)控制。
已建的外摻MgO 混凝土工程,青溪電站、飛來峽水利樞紐和長(zhǎng)沙拱壩粗骨料采用花崗巖,貴州沙老河拱壩采用砂巖,乳源壩美拱壩采用灰?guī)r,從工程實(shí)施效果來看都是合適的。
3. 2. 6 MgO
MgO 材料品質(zhì)應(yīng)符合《水利水電工程輕燒MgO 材料品質(zhì)技術(shù)要求》規(guī)定的控制指標(biāo)。MgO 的顆粒細(xì)度和活性指標(biāo)是影響MgO 混凝土膨脹特性的關(guān)鍵因素,要求從嚴(yán)控制。廣東已建的幾個(gè)工程采用的輕燒MgO 材料是由遼寧海城生產(chǎn)的水工專用輕燒MgO 粉劑,質(zhì)量還是比較穩(wěn)定的。
3. 3 粗集料級(jí)配
廣東水電二局股份有限公司在大埔青溪電站和清遠(yuǎn)飛來峽水利樞紐工程基礎(chǔ)塊混凝土施工中采用四級(jí)配,最大粒徑為150mm;在陽春長(zhǎng)沙拱壩、乳源壩美拱壩采用三級(jí)配,最大粒徑80mm;在貴州沙老河拱壩采用四級(jí)配,最大粒徑150 mm。根據(jù)工程施工經(jīng)驗(yàn),外摻MgO 混凝土對(duì)重力壩采用四級(jí)配較合適,在坍落度不變的情況下,可以減少單位用水量和降低砂率,從而達(dá)到減少水泥用量,減少收縮變形,減少混凝土溫升的效果。對(duì)薄拱壩,由于抗?jié)B對(duì)混凝土的澆筑密實(shí)度要求較高;同時(shí)由于拱壩對(duì)拉應(yīng)力要求較嚴(yán),設(shè)計(jì)時(shí)一般都有極限拉伸變形值指標(biāo)要求,以采用三級(jí)配混凝土較合適。
3. 4 混凝土坍落度
目前,隨著高頻振動(dòng)器、振動(dòng)器組和混凝土外加劑的采用,混凝土施工坍落度逐漸減小,坍落度每減少1 cm ,用水量約減少2～3 kg ,水泥用量約減少5 kg ,采用低坍落度混凝土對(duì)減少用水量和水泥用量效果是顯著的。根據(jù)外摻MgO 混凝土施工實(shí)踐,人工平倉振搗坍落度以采用3～5 cm 為宜,機(jī)械平倉振搗坍落度可以采用2～4 cm ,夏秋兩季采用上限,冬春兩季采用下限。
3. 5 水灰比
廣東水電二局股份有限公司施工的長(zhǎng)沙拱壩、沙老河拱壩和壩美拱壩,混凝土施工配合比的水灰比為0. 48～0. 55 ;青溪重力壩基礎(chǔ)混凝土0. 6 ,內(nèi)部混凝土0. 7 ;飛來峽水利樞紐工程閘室、壩體基礎(chǔ)和內(nèi)部、重力壩、廠房基礎(chǔ)等采用0. 6 。采用較小的水灰比,可減少混凝土的收縮變形,但會(huì)增加水泥用量,提高混凝土溫升值。對(duì)外摻MgO 混凝土,水灰比的選擇應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度等級(jí)、保證率、耐久性、補(bǔ)償變形要求、規(guī)程規(guī)范要求、設(shè)計(jì)要求和施工要求等因素,通過試驗(yàn)比較確定。
3. 6 粉煤灰摻量
混合材一般采用Ⅰ- Ⅱ級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰。摻粉煤灰可改善混凝土的和易性,增加混凝土粘性以減少離析和泌水,延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間;用粉煤灰代替部分水泥可降低混凝土的溫升值,改善水泥的安定性;摻粉煤灰可提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性能。大體積混凝土摻粉煤灰對(duì)改善混凝土施工性能,降低水化熱效果非常明顯(表2 是壩美拱壩所用水泥水化熱試驗(yàn)成果) 。
表3 是長(zhǎng)沙拱壩所做的水泥凈漿膨脹變形試驗(yàn)成果。試驗(yàn)結(jié)果表明,試體膨脹值隨著粉煤灰摻量的增加而減小,隨著MgO的摻量增加而加大,這說明粉煤灰摻量與MgO 摻量具有相互影響的作用,摻量應(yīng)有一個(gè)合適的范圍。
圖1 是廣東省水利水電科學(xué)研究院試驗(yàn)的壩美拱壩粉煤灰摻量～壓蒸膨脹率關(guān)系曲線,試驗(yàn)用水泥砂漿試體,新標(biāo)準(zhǔn)砂。圖中反映,MgO 砂漿試體壓蒸膨脹率與粉煤灰摻量之間的關(guān)系,具有近似階梯形的變化。當(dāng)粉煤灰摻量超過35 %時(shí),膨脹率急劇降低。因此,摻用粉煤灰時(shí)應(yīng)注意這一特點(diǎn),同時(shí),應(yīng)符合《水工砼摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》,對(duì)不同水泥品種和壩型有不同規(guī)定。
3. 7 砂率
影響砂率的因素主要有石料的品種和級(jí)配,水泥用量,砂子本身的級(jí)配和細(xì)度模數(shù)等。初選時(shí)可按估算的最優(yōu)砂率采用,再根據(jù)試驗(yàn)比較確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),外摻MgO 混凝土與常規(guī)混凝土所采用的砂率基本一致,四級(jí)配混凝土砂率為21 %～25 % ,三級(jí)配混凝土砂率為25 %～30 % ,對(duì)抗拉性能要求高的,砂率可適當(dāng)增加。
3. 8 初選配合比
根據(jù)工程選定的原材料及其特點(diǎn),設(shè)計(jì)、施工方法和環(huán)境條件等要求,初步擬定幾個(gè)配合比方案,進(jìn)行比較試驗(yàn),選擇力學(xué)性能好、收縮變形小、徐變度大和極限拉伸值大的組合作為初選配合比。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),MgO 在安定摻量范圍內(nèi),對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響不大。表4 是壩美拱壩根據(jù)初選混凝土配合比所作的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,表中5 # 配比為經(jīng)優(yōu)化后選定的初步配合比,減少G8 用量、增加G4 和G2 的用量,主要目的是提高混凝土的極限拉伸值和改善徐變性能。
3. 9 施工配合比確定
MgO 的安定摻量和自生體積變形試驗(yàn)應(yīng)按《氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術(shù)暫行規(guī)定》(試行) 要求及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,通過試驗(yàn)確定MgO 的允許摻量,再根據(jù)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償要求選擇合理的MgO 摻量(表5 是已實(shí)施的幾個(gè)外摻MgO 工程采用的基準(zhǔn)配合比) 。
3. 10 現(xiàn)場(chǎng)試配調(diào)整
由于施工現(xiàn)場(chǎng)各種原材料、拌和系統(tǒng)性能、拌和工藝和環(huán)境條件等與室內(nèi)存在差異,因此,由室內(nèi)試驗(yàn)確定的設(shè)計(jì)配合比一般需在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試拌驗(yàn)證,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整的原則是保證選定的水灰比不變,摻用的MgO 量不變,保證骨料的比表面積與漿體的比例,確定符合要求的施工配合比。
4 適合廣東地區(qū)的MgO 砼配合比
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)廣東地區(qū)可供參考的筑壩MgO 砼配合比見表6 (采用普通硅酸鹽水泥) 。
5 結(jié)語
外摻MgO 混凝土施工配合比的優(yōu)化選擇涉及的因素多,與原材料試驗(yàn),應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì),環(huán)境條件和施工時(shí)段等有關(guān)。目前,對(duì)原材料的試驗(yàn)仍然不夠系統(tǒng)、全面,原材料試驗(yàn)、補(bǔ)償設(shè)計(jì)和工程施工是一個(gè)關(guān)聯(lián)的過程,需要統(tǒng)籌兼顧;由于MgO 混凝土自生體積變形試驗(yàn)需一定齡期才能提供有關(guān)設(shè)計(jì)所需資料,因此,采用外摻MgO 混凝土筑壩技術(shù)最好從項(xiàng)目的初步研究階段開始著手,只有通過充分的試驗(yàn)研究,才能設(shè)計(jì)出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的MgO 混凝土配合比,更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償要求,提高工程質(zhì)量。
