南水北调暗涵工程C30F150W8自密实抗冻混凝土的研制与应用1

1、南水北调暗涵工程C30F150W8自密实抗冻混凝土的研制与应用摘要：主要是从C30F150W8自密实抗冻混凝土流变性能需要进行混凝土各原材料组分的选择和配合比的优化。一、工程概况及控制技术难点1、工程概况南水北调是国家重点工程，设计寿命百年以上。南水北调（北京段）西四暗涵是穿越北京市城区的大型建筑物，上接卢沟桥暗渠，下接团城湖明渠，全长12.64km。该工程主体部位暗涵涵身为2-4m浅埋暗挖圆涵结构。埋深15m以上，长10.96km，衬砌后直径为4m，初衬为300mm厚喷射混凝土，二衬为300mm厚模筑混凝土。浅埋暗挖工程是直接与水、土壤接触的潮湿环境中类混凝土结构工程，因其结构直接受流水、土

2、壤侵蚀，因此该混凝土结构绝不允许开裂，万一开裂，难以修复。2、控制技术难点：本工程埋深15m以上，因施工坚井及检修井有限，地下泵送距离均在300m至700m，且本工程为地下结构，根本没有振捣可操作空间，施工非常困难，因此混凝土长距离泵送浇筑的连续性、混凝土工作性即混凝土3h内流动性保持能力、混凝土含气量及裂缝为控制技术难点。二、混凝土控制技术方案根据以上控制技术难点，二衬模筑混凝土采用自密实抗冻混凝土分仓一次性浇注完毕，施工方式采用倒灌顶升泵送施工，混凝土拌合物从圆形管衬砌钢模板台车的顶部预留口通过泵送压力压入，逐渐使整个圆管孔内充满均质的混凝土（示图一）。四环路土壤喷射混凝土自密实混凝土地泵

3、泵管示图一：这就要求混凝土经过长距离泵送后能够保持不离析和均匀性，不需要外加振动完全依靠重力作用充满模板每一个角落，达到充分密实和获得最佳的性能。(一)、自密实混凝土的技术要求1、 满足工程设计强度、防渗、抗冻要求，具有高性能、高耐久性。2、 满足泵送工艺的要求。新拌混凝土减少坍落度经时损失，具有大流动性、和易性好、可泵性能好。3、 新拌混凝土具有较强的均匀性、填充性。骨料均匀分散，悬浮于水泥浆中，不离析、不分层、不泌水。具有自由流动，自密实功能，充实在模板空间，形成致密结构。(二)、自密实混凝土的研究思路根据自密实混凝土大流动性的特点，要达到免振捣的关键是通过掺加高浓效外加剂、粉煤灰、超细矿

4、渣，精心设计配合比，使混凝土拌合物的屈服应力尽量小，实现大流动性。同时又具有一定的塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，实现自密实，同时满足长距离泵送要求。1、掺特殊高浓效减水剂，改善新拌混凝土性能，解决好两对矛盾：粘聚力与流动阻力的矛盾；大坍落与泌水、分层、离析的矛盾。2、以粉煤灰、超细矿渣粉为掺合料，利用其颗粒效应和形态效应，提高拌和物的变形性能，增加粘聚力，增强密实程度，提高抗离析能力。3、确定先进合理的配合比。通过反复试验，解决好水泥、砂、石、水、掺合料、外加剂6种组分的掺量比例，充分发挥各种材料的作用，配制满足施工要求的自密实混凝土。三、配合比的确定（一）、优选原材料基于南水北调工程属于潮

5、湿环境中类混凝土结构工程，其混凝土内总碱量要求不大于2.5kg/m3，为有效预防南水北调工程中发生碱骨料反应，保障混凝土工程的安全和正常运行寿命，我公司对所选混凝土组成材料进行优先选用、严格控制，为保证原材料质量稳定，根据水工规范要求，所使用的砂、石原材均无泥块含量，我公司配制了洗砂机、筛选机，对入场的砂子重新水洗、筛选，另外，我站和水泥、矿渣粉、粉煤灰、外加剂厂家协商，为我们提供专用储存仓位，明确标识南水北调专用，所有混凝土组成材料及混凝土性能指标的检测均送检本公司中心试验室（现已通过计量资质认证）检测。1、水泥：优先使用水化热低的水泥，选用北京兴发水泥有限公司生产的兴发·拉法基P

6、·O42.5水泥，该水泥一直使用用于国家重点工程，C3A和C3S的含量控制稳定，3天水化热为247kJ/kg，7天为303 kJ /kg，碱含量0.53。这种水泥强度富余系数较大，对外加剂适应性较好，均方差比较小，质量稳定。2、粗、细骨料：考虑低水化热混凝土卵碎石比山碎石更为改善混凝土和易性，且能减少用水量，以降低水泥用量。采用涞水鑫源砂石厂供应级配良好的520 mm卵碎石，要求含泥量小于0.5，泥块含量无，超径小于5，逊径小于10；细骨料采用水洗砂，细度模数为2.32.4 的中砂，要求含泥量小于2，泥块含量无，本站料仓设有大棚防护，细骨料的含水保持稳定。3、粉煤灰：粉煤灰是一种活性

7、较好、堆积密度较小的掺合料，且其水化热远低于水泥，在混凝土中主要起到改善混凝土的工作性、降低水化热、节约成本。水化热的降低减少了混凝土的温度变形，并且掺入混凝土中使得混凝土早期弹性模量降低，对混凝土的抗裂是有利的。此外，粉煤灰的加入可以取代部分水泥，从而降低水泥用量，对混凝土的收缩是有利的。粉煤灰的作用随着粉煤灰的等级降低而减少，有时甚至起到相反的作用，在选择粉煤灰时，我站选用内蒙古元宝山级粉煤灰，碱含量1.23，直接取代部分水泥，降低初始水泥用量，以降低混凝土总发热量，改善和易性，利于泵送，另外，粉煤灰的填充效应和化学效应可使混凝土更加密实，减少裂缝，提高耐久性，也可以抑制碱骨料反应。4、掺

8、入适量的矿渣粉，选用北京瑞德S75级矿渣粉，比表面积均在380m2/kg以上，碱含量0.68，矿渣粉代替部分水泥，使砼的微观结构得到进一步改善，混凝土的抗渗性能逐渐提高，也降低水化热。5、外加剂：选择性能稳定，工艺成熟，与水泥适应性好的。（二）、配合比各原材料选用试验及最终参数确定1、砂、石的选用 中砂细度模度2.3和2.8；卵碎石粒径525mm连续级配，520mm连续级配，510mm与1020mm的卵碎石各占不同比例。试验结果表明：细度模数低的中砂新拌混凝土显得更柔软、无泌水情况；510mm与1020mm的卵碎石按照3：2的比例（未考虑砂含石5mm超径），新拌混凝土石子的空隙率少，紧密容重比

9、较大。若考虑砂含石5mm超径15左右，用520mm连续级配较为合适。2、外加剂的选用（萘系高效减水剂、氨基磺酸盐系、聚羧酸减水剂、自配高浓效减水剂）我们采用不同厂家的外加剂进行试验，主要选择外加剂能在低水胶比情况下获得高流动性的保持能力。试验结果表明：（1）萘系高效减水剂掺量低分散能力较差，混凝土的流动性能难以达到，而且混凝土的工作性保持能力极差；掺量过多则离析、泌水，混凝土浆沉降、粘底、石子裸露，通过适量增加用砂量，增加胶凝材料用量或是适量减少高效减水剂用量或用水量，但混凝土拌合物保塑能力及泵送损失大。（2）氨基磺酸盐系对掺量过于敏感，掺量低则效果不明显，掺量高水泥浆的流动度大，浆体稀薄，不

10、足以维持与集料的粘聚，往往会引起混凝土离淅、泌水，掺量很难撑握；且与引气剂复合很难引进含气。（3）聚羧酸减水剂，对水泥的分散能力很强，在较小掺量时就能获得较好的流动性，但对不同品种的水泥，效果差异极大，甚至同一种水泥，在不同时期效果也有差别，使用同一批外加剂的水泥净浆流动度时大时小，其混凝土的坍落度损失有时忽大忽小，甚至有时泌水、有时又不泌水，外加剂与水泥的适应性只能通过不断调整外加剂去掌握，且成本高。（4）自配复合型高浓效外加剂，对萘系高效减水剂与氨基磺酸盐系复配，按照不同组分的掺量比例，加入部分缓凝成分，以实现减水、缓凝，提高流动性及填充性。此外加剂与胶凝材料之间的搭配有其掺量最佳“点”，

11、当找到这一“点”时，混凝土的工作性、坍落度、扩展度将明显改变，且也能使混凝土具有坍落度保持好，拌合物性能好。此外加剂对水泥存放时间短、进仓温度高的适应性稍差，但通过提高掺量可以减少混凝土拌合物流动度保持能力及坍落度损失快现象，偶尔有少量泌水情况，所以只要控制好水泥的存放时间和进仓温度。自配复合型高浓效外加剂试拌混凝土非常柔软，还具有较高的流动性能，良好的粘聚性、稳定性和匀质性，不分层、不离析、不泌水。此类外加剂使用条件及性能撑握比聚羧酸减水剂成熟，也能很好地与引气剂复合，且总成本价格低于聚羧酸减水剂。（5）对由于砼的含气量受多种因素的影响，引气剂我们采用单掺，这样可在保持减水剂掺量不变的条件下

12、，通过单独调整引气剂的掺量对混凝土含气量进行范围内的调整，以减小混凝土含气量波动，保证含气量稳定。通过引气剂引入大量微小密闭气泡，从而改善混凝土和易性，减小拌合物的离析、泌水，提高混凝土的耐久性、抗冻性、抗渗性、耐侵蚀性。3、掺合料的掺量在混凝土中加入优质的级粉煤灰，取代20以上初始水泥用量，提高超量系数（1.21.5），超细矿渣粉取代10以上初始水泥用量。试验结果表明：粉煤灰取代率超过20，混凝土强度偏低，由于粉煤灰的比重远远小于水泥的比重，通过提高超量系数增加胶结用量，混凝土的浆体体积也相应的增加，所以混凝土具有良好的粘稠性，也减少了泌水，混凝土的和易性得到明显改善；超细矿渣粉取代部分水泥

13、，不仅具有物理填充效应，而且因为巨大的表面积产生较大的内表面力而提高混凝土的粘聚性，有利于硬化混凝土的耐久性，但超过15混凝土较粘稠，扩展度降低，流下时间增长。4、砂率、水灰比的确定自密实混凝土能够自流平，就是因为浆体具有很好的流动性和粘聚性，能够有效的包裹石子流动，达到自密实效果，这就要（与同标号非自密实混凝土相比）增加胶凝材料，提高砂率，降低水灰比。试验结果表明：砂率在42%以下时，碎石、砂浆明显分层，和易性不好。砂率值过大会影响混凝土的弹性模量和抗压强度以及导致裂缝的出现，应控制在44%48%之间较好。凝胶材料总量决定流动性，浆体增加，变形能力增加，扩展度增加，流下时间缩短，但浆体过高粗

14、骨料低，会造成强度下降，应从流动性和力学性能综合考虑，两者不可偏废。经计算优选，水灰比应控制在0.40左右为最好。5、配合比确定根据经上提供的参数，试验室依据JGJ/T55-2000配合比设计规程，参考水工有关标准以及施工技术要求，在反复对比试配取得试验数据的基础上，最终选用细度模数为2.3的中砂；石子为520mm卵碎石；粉煤灰取代20初始水泥用量，超量系数1.5；超细矿渣粉取代10初始水泥用量；外加剂掺量3.2。确定最优配合比如下：单位：kg/m3水胶比水灰比砂率水水泥砂子石子粉煤灰矿渣粉外加剂总碱含量0.360.40461602807709901204014.082.36说明：本配合比水用

15、量以骨料饱和面干状态为准，使用本配合比应根据骨料的表面含水率（以饱和面干为标准）相应地增加骨料用量，并在使用水量中相应扣去骨料表面含水量。本配合比通过抑制骨料碱活性效能试验，对骨料碱活性有抑制效能。四、最终优化配合比试验结果示图二示图二：按照以上配合比试拌拌混凝匀质性良好、不离析、不分层、石子分布均匀。用坍落度筒倒置混凝土（示图二），即将混凝土装入坍落度筒，测试坍落度筒提起后混凝土流动至50cm的流空时间（T50）和落下后的坍落度、最终扩展度（D）值及中边差（中间与边部的高度差）。1、新拌混凝土工作性试验结果如下：测试时间T50流空时间（s）坍落度（mm）最终扩展度D值（mm）中边差（mm）含

16、气量（）初始4265730×720105.51h后4265720×720105.02h后5260710×700154.83h后6255680×670184.82、混凝土限制膨胀率及限制干缩率试验结果 单位：×10-4纵向限制膨胀率纵向限制干缩率水中3d水中7d水中14d水中14d转空气中28d1.051.782.61-0.393、抗压、抗冻、抗渗试验结果： 抗压强度（MPa）抗冻性能3d7d28d相对动弹模量失重率F50次F100次F150次19.827.341.297.494.389.70.8抗渗性能试验结果：抗渗等级达到W12时，劈开混凝土

17、抗渗试件，侧面最高渗水高度15mm。充分说明掺合料双掺下，可以从微观上改善混凝土的孔结构特征，增强其抗侵蚀的能力。抗冻混凝土具有良好的密实性，虽然该工程混凝土所在部位处于非受冻部位、也不抵抗外界温度环境的反复冻融，但为保证混凝土有良好的密实性，防流水、土壤侵蚀，用抗冻性指标来控制和保证该工程的耐久性是很有必要的。五、工程应用从06年6月至今，我单位为西四暗涵供应C30F150W8自密混凝土已有6000方，总体效果良好。在施工过程中，我单位通过严格的混凝土质量控制，保证了混凝土各方面性能的稳定。施工单位根据混凝土浇注距离的长短，无论采取一次泵送，还是通过二次接力泵送。只要我单位做到混凝土供应连续，施工单位做到泵送设备运行良好，以保证整个泵送过程的连续性。同时，在浇注过程中，必须保证砂浆与混凝土及每车混凝土前后泵送的连续性，且混凝土泵送浇筑速度不宜过快，否则台车钢模上浮造成圆涵结构变形。通过以上措施，拆模后，混凝土外表面光滑、无蜂窝、无麻面、也无水线，所有浇注标段的混凝土未发现裂纹。混凝土28天标养和施工现场同条件养护强度及抗冻、抗渗性能均合格。六、结语1、通过材料优选，不但可以配制出自密实性良好的抗混凝土，更能预防潮湿环境中类混凝土结构工程和碱骨料反应。2、低水泥用量高掺合料配制自密实抗冻混凝土，能有效地减