自密實(shí)混凝土及其在大壩工程中的應(yīng)用技術(shù)

焦陽太

(山西省水利建筑工程局 太原 030006)

1 引言

自密實(shí)混凝土于20世紀(jì)80年代在日本及歐洲等國(guó)家先行研究開發(fā)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也已應(yīng)用10多年，主要應(yīng)用于薄壁、鋼筋密集和振搗困難的結(jié)構(gòu)工程中。近幾年自密實(shí)混凝土在我國(guó)應(yīng)用速度加快，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步拓展，2003年清華大學(xué)水利系金峰教授和安雪暉教授發(fā)明堆石混凝土之后，將自密實(shí)混凝土進(jìn)一步應(yīng)用于大體積混凝土施工中，用堆石混凝土替代漿砌石筑壩，給傳統(tǒng)漿砌石壩設(shè)計(jì)、施工帶來突破性革命。山西省近幾年來先后建起了幾座堆石混凝土大壩，在自密實(shí)混凝土技術(shù)應(yīng)用中取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 自密實(shí)混凝土性能

2.1 自密實(shí)混凝土定義

自密實(shí)混凝土是指具有高流動(dòng)度、不離析、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)依靠其自重流動(dòng)，無需振搗而達(dá)到密實(shí)的混凝土。

2.2 混凝土自密實(shí)原理

通過高效減水劑、粉體材料及粗細(xì)骨料的合理選擇搭配和配合比設(shè)計(jì)，混凝土拌和料具有粘滯阻力小和一定的粘度系數(shù)，使骨料懸浮于膠凝體中，能夠自由流動(dòng)充分填充模板內(nèi)的空間，并且不出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)。

2.3 工作性能及檢測(cè)方法

自密實(shí)性能是指混凝土在不發(fā)生骨料離析的條件下具有較高的流動(dòng)性，在澆筑過程中不需要施加任何振動(dòng)搗實(shí)，憑借其自重能完全填充鋼筋間隙及模板內(nèi)各個(gè)角落的能力。其工作性能包括流動(dòng)性、抗離析性和填充性。

檢測(cè)方法主要有:坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、V形漏斗試驗(yàn)(或T50試驗(yàn))、U形箱試驗(yàn)。坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)用于檢驗(yàn)其流動(dòng)性，擴(kuò)展度為將坍落度筒提起后混凝土拌和物坍落擴(kuò)展終止后擴(kuò)展面相互垂直的兩個(gè)直徑的平均值，一般控制在500～700mm之間;V形漏斗試驗(yàn)(或T50試驗(yàn))用于檢驗(yàn)其粘稠性和抗離析性;U形箱試驗(yàn)用于檢驗(yàn)其填充性，即新拌混凝土通過鋼筋間隙與自行填充至模板角落的能力。

2.4 材料及配合比

2.4.1 材料

a.粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配或2個(gè)單粒徑級(jí)配的石子，最大粒徑不宜大于20mm;石子含泥量不大于1.0%，泥塊含量不大于0.5%，針片狀含量不大于8%;石子空隙率宜小于40%。

b.細(xì)骨料。細(xì)骨料宜選用中砂，砂的含泥量不大于3.0%，泥塊含量不大于1.0%。

c.水泥。普通泵送混凝土所用水泥一般均可用于自密實(shí)混凝土，可選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥。不宜采用凝結(jié)速度較快的水泥，因?yàn)檫@類水泥配制的混凝土流動(dòng)性損失很快，一般無法實(shí)現(xiàn)自密實(shí)施工。在大體積混凝土中適宜選用低熱水泥和中熱水泥，其水化放熱量小，配置的混凝土流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失也小，與外加劑的形容性也較好。

d.礦物摻合料。自密實(shí)混凝土漿體比例較大，單用水泥會(huì)產(chǎn)生早期水化放熱大、硬化收縮較大現(xiàn)象，宜摻入粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅粉、沸石粉、復(fù)合礦物摻合粉等活性礦物摻合料以及惰性摻合料，改善拌和物的工作性。

e.外加劑。聚羧酸系高性能減水劑具有摻量低、減水率高、混凝土拌和物坍落度損失小、拌和物粘滯阻力小、混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)快等優(yōu)點(diǎn)，十分適宜配制自密實(shí)混凝土，宜優(yōu)先選用。

2.4.2 配合比

配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)條件、施工條件及環(huán)境條件所需要的自密實(shí)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在綜合強(qiáng)度、耐久性和其他性能要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行，宜采用絕對(duì)體積法。

主要采用增加粉體材料用量和選用優(yōu)質(zhì)高效減水劑或高性能減水劑，提高漿體的粘性和流動(dòng)性，形成良好的自密實(shí)性能。

在調(diào)整配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮水膠比對(duì)自密度混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響和水粉比對(duì)自密實(shí)性能的影響。

3 自密實(shí)混凝土應(yīng)用實(shí)例

龍華口水電站碾壓混凝土重力壩沖沙底孔斷面3m×3m，樁號(hào)泄0+5.8～泄0+35.53采用12mm厚鋼板內(nèi)襯，其鋼襯周邊為C25F250混凝土。鋼襯底部若采用常態(tài)混凝土施工，除在鋼襯兩側(cè)入倉振搗外，還需在鋼襯底部鋼板上每隔2m左右割開一個(gè)50cm×50cm的孔口，用于混凝土入倉和振搗，由于鋼襯為矩形結(jié)構(gòu)，其下部混凝土無法填滿、振搗密實(shí)，還需采取回填灌漿措施，增加填補(bǔ)孔口焊接工序。對(duì)此我們提出采用自密實(shí)混凝土澆筑建議并征得設(shè)計(jì)單位同意，在鋼襯兩側(cè)用泵送自密實(shí)混凝土入倉方式施工，減少了開口、振搗、灌漿等工序，澆筑之后經(jīng)用回彈儀檢測(cè)，其鋼襯下部無空鼓現(xiàn)象，表明混凝土完全填充滿其空間，解決了鋼襯底部混凝土澆筑的技術(shù)難題，取得了自密實(shí)混凝土的成功應(yīng)用。

4 堆石混凝土應(yīng)用實(shí)例

堆石混凝土是指在澆筑倉內(nèi)堆放一定粒徑的塊石，形成具有空隙的堆石體，然后灌注自密實(shí)混凝土，利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)抗分離性能，使自密實(shí)混凝土依靠自重自動(dòng)填充到堆石體的空隙中，形成完整、密實(shí)和具有一定強(qiáng)度及耐久性能的混凝土。

2007年山西省實(shí)施興水戰(zhàn)略，建設(shè)35個(gè)新水源工程，其中有四五座水庫大壩均采用新型堆石混凝土技術(shù)。

恒山水庫于1958年興建，大壩為混凝土雙曲薄拱壩，是我國(guó)第一座實(shí)驗(yàn)性拱壩，最大壩高69m，壩頂寬度2.5m，壩底寬度15m，壩頂軸線長(zhǎng)度146.2m。2009年對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，加固高度69m，壩頂加固厚度2m，壩體加固厚度11.4m，壩體加固采用堆石混凝土，共澆筑堆石混凝土4.5萬m3。設(shè)計(jì)、施工單位在施工期間進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究工作，為其他幾座堆石混凝土壩的推廣應(yīng)用提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

清峪水庫在施工前經(jīng)過專家論證會(huì)對(duì)原漿砌石重力壩設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，大壩全部采用堆石混凝土，壩頂高程856.50m，最大設(shè)計(jì)壩高42.3m，壩頂寬度5.5m，壩底設(shè)計(jì)最大寬度36.18m，共澆筑堆石混凝土7萬m3。

圍灘水電站漿砌石重力壩，最大壩高53.5m，壩頂長(zhǎng)116m，壩頂寬8m;五馬水庫漿砌石重力壩，最大壩高43.1m，壩頂長(zhǎng)248m，壩頂寬6m。兩座大壩原設(shè)計(jì)均為漿砌石壩，施工前期按原設(shè)計(jì)進(jìn)行，在漿砌石施工中由于人為因素較大，砂漿往往很難將塊石縫隙填充密實(shí)，運(yùn)料機(jī)械難免在壩面上行駛，對(duì)砌筑不久的塊石產(chǎn)生松動(dòng)，壩體質(zhì)量不能得到較好保證，有些部位還需增加灌漿工序予以填充。同時(shí)漿砌石砌筑主要依靠人工操作，工人承受繁重體力勞動(dòng)，工效較低，機(jī)械化施工水平低，大體積漿砌石壩的工期很難保證。為了保證工程質(zhì)量和進(jìn)度，經(jīng)專家論證，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，大壩后期施工由漿砌石改為堆石混凝土。圍灘水電站大壩437～472m高程采用堆石混凝土，共澆筑5.6萬m3;五馬水庫大壩636～671.8m高程采用堆石混凝土，共澆筑6.1萬m3。兩個(gè)工程均已提前完工。

5 堆石混凝土施工工藝

在堆石混凝土施工中，施工單位同設(shè)計(jì)等參建單位一起積極探索和研究相關(guān)課題，不斷改進(jìn)施工工藝，熟悉掌握施工技術(shù)，在工程實(shí)踐中積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)和應(yīng)用的堆石混凝土施工工藝如下。

5.1 基礎(chǔ)及層面處理

將壩基開挖至弱風(fēng)化或新鮮基巖面，清除松動(dòng)巖塊及石渣，用高壓水槍或沖毛機(jī)對(duì)壩基進(jìn)行沖洗。

對(duì)上、下層結(jié)合面一般只需清除表面浮渣及積水即可，無需鑿毛，但對(duì)表面積大于0.5m2的堆石混凝土平整面要進(jìn)行鑿毛或沖毛，清除其表面乳皮，并將外露塊石上的水泥漿清除干凈。

5.2 塊石入倉填筑

a.塊石料應(yīng)新鮮、完整、質(zhì)地堅(jiān)硬，其最小粒徑不應(yīng)小于20cm，最大粒徑根據(jù)運(yùn)輸、入倉能力，盡可能采用較大值，但應(yīng)小于層厚的80%。塊石開采時(shí)采取二次轉(zhuǎn)運(yùn)方式，除去石渣、遜徑和超徑料，將塊石集中堆放備用。

b.采用人工或挖掘機(jī)裝料，自卸汽車運(yùn)輸。入倉前用清水將運(yùn)輸車內(nèi)的塊石沖洗干凈，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa以上時(shí)方可進(jìn)倉堆石。在條件允許時(shí)盡量采用裝載機(jī)或自卸汽車直接入倉，可以提高工效，無條件時(shí)也可采用塔吊、門機(jī)等垂直運(yùn)輸設(shè)備入倉。

c.大面積堆石采用挖掘進(jìn)行平倉，局部堆石可利用人工擺放平整。對(duì)入倉時(shí)帶入的泥土和粒徑較小的塊石，以及卸料、平倉時(shí)產(chǎn)生的碎石等應(yīng)及時(shí)清除掉。宜將粒徑較大的塊石置于倉面的中下部，粒徑較小的塊石置于倉面中上部或模板附近。堆石應(yīng)盡量避免大石或小石集中現(xiàn)象，將堆石的空隙率控制在40%左右。

d.堆石過程中應(yīng)防止碰撞模板，且離開模板30～50cm距離。

e.堆石厚度一般按1.0～1.5m控制。

5.3 自密實(shí)混凝土拌和

a.對(duì)混凝土原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，嚴(yán)格按配合比料單進(jìn)行配料。

b.采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌和。嚴(yán)格計(jì)量，粉劑的稱量誤差不得超過±1%，骨料的稱量誤差不得超過±2%。當(dāng)含水率有顯著變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)和調(diào)整用水量。攪拌機(jī)投料順序?yàn)橄韧度牍橇虾头蹌└砂?，再加入水和外加劑拌和，攪拌時(shí)間約90s。

c.對(duì)出機(jī)口拌和物的流動(dòng)度和擴(kuò)展度經(jīng)測(cè)試達(dá)到要求后方可卸料運(yùn)輸。

5.4 自密實(shí)混凝土運(yùn)輸

當(dāng)拌和站距結(jié)構(gòu)物較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用混凝土攪拌車運(yùn)輸，盡量縮短運(yùn)輸時(shí)間，宜在45min內(nèi)卸料完畢。

當(dāng)拌和站在建筑物附近時(shí)，可以在攪拌機(jī)出料口下安裝混凝土輸送泵，將拌和料卸入泵內(nèi)將自密實(shí)混凝土料直接壓入倉內(nèi)，輸送管道可能會(huì)長(zhǎng)些，但減少了二次運(yùn)輸環(huán)節(jié)。

5.5 自密實(shí)混凝土澆筑

a.自密實(shí)混凝土可采用泵送、溜槽、吊罐或挖掘機(jī)控斗等方式入倉。

b.在入倉時(shí)應(yīng)采取多點(diǎn)澆筑，其間距不大于3m，保證澆筑點(diǎn)連續(xù)布置，在一個(gè)澆筑點(diǎn)的自密實(shí)混凝土填滿后再移至下一個(gè)澆筑點(diǎn)。

c.在澆至層面頂部時(shí)，應(yīng)使自密實(shí)混凝土面低于堆石面5～20cm，形成突出塊石，以利上、下層面間結(jié)合。

d.澆筑中應(yīng)嚴(yán)禁不合格料入倉，禁止在倉內(nèi)加水，發(fā)現(xiàn)混凝土料和易性較差時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查拌和及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)措施保證混凝土拌和物質(zhì)量。

e.混凝土澆筑之后的靜停過程中，因氣泡溢出可能形成澆筑層面沉陷，需在澆筑時(shí)適當(dāng)提高澆筑標(biāo)高，或者在混凝土初凝前補(bǔ)澆至規(guī)定標(biāo)高，局部低凹處也可適當(dāng)用較小塊石填補(bǔ)。

5.6 堆石混凝土養(yǎng)護(hù)

每層堆石混凝土澆筑完畢6～18h內(nèi)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)應(yīng)保持混凝土表面濕潤(rùn)。

6 結(jié)語

自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)、免振搗等特性，給混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工帶來很大的變革，它解決了鋼筋密、空間窄小等結(jié)構(gòu)部位的澆筑困難，而且成功應(yīng)用于堆石混凝土筑壩工程，具有很好的推廣價(jià)值。但其中存在的一些缺陷仍需進(jìn)一步解決，如:外加劑屬專利產(chǎn)品，價(jià)格偏高;自密實(shí)混凝土對(duì)用水量非常敏感，其波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致離析泌水或流動(dòng)性降低;為達(dá)到良好的自密實(shí)性能，會(huì)使用較高的水泥用量，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)后期容易產(chǎn)生干縮或裂縫。隨著工程中問題的出現(xiàn)和不斷解決、工藝的改進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)的積累，以及科研水平、施工技術(shù)水平的不斷提高，自密實(shí)混凝土技術(shù)將會(huì)取得進(jìn)一步的發(fā)展，并應(yīng)用于更廣闊的建筑領(lǐng)域。