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,達到外摻MgO 砼應力補償設計的效果,保證工程質量的關鍵措施。廣東已建的幾個外摻MgO 砼筑壩的工程,經(jīng)過大量試驗,在砼施工配合比設計中的原材料、水灰比、坍落度、粗骨料級配、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,在此通過總結予以闡述。
關鍵詞: 外摻MgO 砼;配合比;優(yōu)化選擇
中圖分類號: TV431 文獻標識碼: B 文章編號: 100820112 (2003) 0620008204
1 前言
外摻MgO 混凝土快速筑壩技術的基本出發(fā)點是利用MgO所獨具的延遲性微膨脹性能,補償大體積混凝土降溫收縮受約束引起的溫度應力,從而達到簡化溫控措施,加快施工進度,提高工程投資效益的目的。
工程實踐證明,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,達到外摻MgO 砼應力補償設計的效果,保證工程質量的關鍵措施。
2 混凝土配合比設計原則
外摻MgO 混凝土配合比設計的原則是就地取材和經(jīng)濟合理,與普通混凝土工程基本一致。通常需根據(jù)工程特點、設計要求、施工方法和現(xiàn)場環(huán)境等條件,充分考慮外摻MgO 混凝土快速筑壩技術特點,在滿足混凝土的綜合變形性能、強度、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,以節(jié)約工程費用。
3 混凝土配合比設計步驟
外摻MgO 混凝土的性能涉及到3 個方面的要求,一是滿足補償設計要求的綜合變形性能,二是摻量必須保證工程運行的安全可靠,三是具有良好的施工性能?；炷潦┕づ浜媳仍O計要考慮的因素主要有原材料、水灰比、坍落度、粗集料級配和砂率的選擇,以及混合材摻量、外加劑的摻量和MgO 摻量的確定等。為了減少試驗的工作量,一般分兩個階段進行,首先根據(jù)工程特點、設計要求、施工方法、環(huán)境條件和原材料供應情況,進行常規(guī)大體積混凝土配合比試驗,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上,進行外摻MgO 混凝土的安定性試驗和自生體積變形試驗,并根據(jù)試驗結果和設計部門要求的補償變形值,選擇適宜的MgO 摻量,經(jīng)試配調整確定施工配合比。
3. 1 MgO 混凝土配合的設計程序
設計程序如下: 設計要求v 原材料選擇v 粗集料級配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)場試配調整。
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,其質量應符合現(xiàn)行標準要求,同時要求供應廠家生產(chǎn)過程穩(wěn)定,水泥組分和力學性能波動小。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級優(yōu)質粉煤灰較多,其質量需符合現(xiàn)行標準要求。粉煤灰的細度是影響混凝土的強度的關鍵因素,多孔碳粒會增加混凝土的需水量,降低混凝土的物理力學性能,降低外摻MgO 砼的微膨脹,因此,粉煤灰的細度和燒失量指標要從嚴控制。
3. 2. 3 外加劑
外加劑的種類對混凝土的需水量影響很大,應充分重視,其質量應符合有關的規(guī)程規(guī)范要求,適宜的摻量可通過對比試驗確定。一般要求選擇適應性好、保水性好、減水率高的復合型減水劑,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MgO 混凝土的補償效果。
3. 2. 4 砂子
砂子的質量應符合有關的規(guī)程規(guī)范要求,一般采用細度模數(shù)2. 2～3. 0 級配良好的中砂較合適。砂子過細,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,會增加施工難度。不同種類砂,不同細度模數(shù)砂對壓蒸試驗結果的影響可參閱《水科院外摻MgO 砼材料試驗研究報告資料》。
采用新、舊標準砂,工程用砂進行試驗,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,試驗結果見表1 。
同種砂,細度模數(shù)小,壓蒸膨脹率小。細度模數(shù)相同時, ISO標準砂比天然河砂壓蒸膨脹率小。說明砂品質、細度模數(shù)對壓蒸膨脹率影響較大。
3. 2. 5 粗骨料
粗骨料的質量應符合現(xiàn)行的有關規(guī)程規(guī)范要求,一般要求采用抗壓強度大于2 倍的混凝土設計強度的新鮮石料。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,砼骨料的巖性對砼線膨脹系數(shù)的影響較大,一般是硅酸質骨料最大,火成巖質次之,石灰?guī)r質最小。此外,材料用量和砼的干濕狀態(tài)對砼線膨脹系數(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)。因此可以認為材料用量和骨料性質是決定砼線膨脹系數(shù)的主要因素。同時要求配合比,應保證相應一致的水灰比、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強度,利于砼的抗裂。粗集料中針片狀顆粒含量較多時,對混凝土的和易性、強度和耐久性均有不良影響,要求從嚴控制。
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,從工程實施效果來看都是合適的。
3. 2. 6 MgO
MgO 材料品質應符合《水利水電工程輕燒MgO 材料品質技術要求》規(guī)定的控制指標。MgO 的顆粒細度和活性指標是影響MgO 混凝土膨脹特性的關鍵因素,要求從嚴控制。廣東已建的幾個工程采用的輕燒MgO 材料是由遼寧海城生產(chǎn)的水工專用輕燒MgO 粉劑,質量還是比較穩(wěn)定的。
3. 3 粗集料級配
廣東水電二局股份有限公司在大埔青溪電站和清遠飛來峽水利樞紐工程基礎塊混凝土施工中采用四級配,最大粒徑為150mm;在陽春長沙拱壩、乳源壩美拱壩采用三級配,最大粒徑80mm;在貴州沙老河拱壩采用四級配,最大粒徑150 mm。根據(jù)工程施工經(jīng)驗,外摻MgO 混凝土對重力壩采用四級配較合適,在坍落度不變的情況下,可以減少單位用水量和降低砂率,從而達到減少水泥用量,減少收縮變形,減少混凝土溫升的效果。對薄拱壩,由于抗?jié)B對混凝土的澆筑密實度要求較高;同時由于拱壩對拉應力要求較嚴,設計時一般都有極限拉伸變形值指標要求,以采用三級配混凝土較合適。
3. 4 混凝土坍落度
目前,隨著高頻振動器、振動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 混凝土施工實踐,人工平倉振搗坍落度以采用3～5 cm 為宜,機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、壩體基礎和內(nèi)部、重力壩、廠房基礎等采用0. 6 。采用較小的水灰比,可減少混凝土的收縮變形,但會增加水泥用量,提高混凝土溫升值。對外摻MgO 混凝土,水灰比的選擇應綜合考慮強度等級、保證率、耐久性、補償變形要求、規(guī)程規(guī)范要求、設計要求和施工要求等因素,通過試驗比較確定。
3. 6 粉煤灰摻量
混合材一般采用Ⅰ- Ⅱ級優(yōu)質粉煤灰。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,延長混凝土的凝結時間;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度和耐久性能。大體積混凝土摻粉煤灰對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成果) 。
表3 是長沙拱壩所做的水泥凈漿膨脹變形試驗成果。試驗結果表明,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,摻量應有一個合適的范圍。
圖1 是廣東省水利水電科學研究院試驗的壩美拱壩粉煤灰摻量～壓蒸膨脹率關系曲線,試驗用水泥砂漿試體,新標準砂。圖中反映,MgO 砂漿試體壓蒸膨脹率與粉煤灰摻量之間的關系,具有近似階梯形的變化。當粉煤灰摻量超過35 %時,膨脹率急劇降低。因此,摻用粉煤灰時應注意這一特點,同時,應符合《水工砼摻用粉煤灰技術規(guī)范》,對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配,水泥用量,砂子本身的級配和細度模數(shù)等。初選時可按估算的最優(yōu)砂率采用,再根據(jù)試驗比較確定。根據(jù)工程經(jīng)驗,外摻MgO 混凝土與常規(guī)混凝土所采用的砂率基本一致,四級配混凝土砂率為21 %～25 % ,三級配混凝土砂率為25 %～30 % ,對抗拉性能要求高的,砂率可適當增加。
3. 8 初選配合比
根據(jù)工程選定的原材料及其特點,設計、施工方法和環(huán)境條件等要求,初步擬定幾個配合比方案,進行比較試驗,選擇力學性能好、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)實踐經(jīng)驗,MgO 在安定摻量范圍內(nèi),對混凝土的力學性能影響不大。表4 是壩美拱壩根據(jù)初選混凝土配合比所作的力學性能對比試驗結果,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應按《氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術暫行規(guī)定》(試行) 要求及有關標準進行,通過試驗確定MgO 的允許摻量,再根據(jù)設計的補償要求選擇合理的MgO 摻量(表5 是已實施的幾個外摻MgO 工程采用的基準配合比) 。
3. 10 現(xiàn)場試配調整
由于施工現(xiàn)場各種原材料、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)試驗確定的設計配合比一般需在施工現(xiàn)場進行試拌驗證,并根據(jù)實際情況進行調整,調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)驗和統(tǒng)計分析,對廣東地區(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,應力補償設計,環(huán)境條件和施工時段等有關。目前,對原材料的試驗仍然不夠系統(tǒng)、全面,原材料試驗、補償設計和工程施工是一個關聯(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需一定齡期才能提供有關設計所需資料,因此,采用外摻MgO 混凝土筑壩技術最好從項目的初步研究階段開始著手,只有通過充分的試驗研究,才能設計出技術可行、經(jīng)濟合理的MgO 混凝土配合比,更好地實現(xiàn)設計的補償要求,提高工程質量。
