回填微膨脹自密實(shí)混凝土配制及單軸膨脹試驗(yàn)

劉偉寶,陸采榮,王 珩,梅國(guó)興,戈雪良,楊 虎

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

回填微膨脹自密實(shí)混凝土配制及單軸膨脹試驗(yàn)

劉偉寶,陸采榮,王 珩,梅國(guó)興,戈雪良,楊 虎

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

某水電站采用平壓水箱平衡蝸殼內(nèi)水壓力,雖已安全運(yùn)行了數(shù)十年,但水箱內(nèi)產(chǎn)生了嚴(yán)重銹蝕,檢修條件困難,存在安全隱患。為研究回填微膨脹自密實(shí)混凝土替代水箱方案的可行性,開(kāi)展了回填微膨脹自密實(shí)混凝土的配制及其單軸膨脹模擬試驗(yàn)研究。根據(jù)替代方案的設(shè)計(jì)要求,回填微膨脹自密實(shí)混凝土應(yīng)具有合適的膨脹量,無(wú)需振搗即可將水箱充填密實(shí)。采用工程當(dāng)?shù)卦牧?通過(guò)拌和物性能試驗(yàn)及水膠比-強(qiáng)度試驗(yàn),確定了水膠比、砂率等混凝土配合比參數(shù)。通過(guò)限制膨脹試驗(yàn)和模擬單軸膨脹試驗(yàn)研究了膨脹劑摻量與變形的關(guān)系。提出的微膨脹自密實(shí)混凝土流變參數(shù)在合理范圍以內(nèi)。提出的回填低熱微膨脹自密實(shí)混凝土配合比及單軸膨脹模擬試驗(yàn)方法可供相關(guān)研究和工程參考。

回填;微膨脹;自密實(shí)混凝土;混凝土配制;流變性能;單軸膨脹

某設(shè)計(jì)水頭18 m的閘墩式電站,在電站機(jī)組段兩側(cè)的溢流壩寬縫內(nèi)設(shè)置了與上游水庫(kù)相連通的平壓水箱,以抵消和平衡蝸殼的內(nèi)水壓力,減少蝸殼外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力。該方案使電站安全運(yùn)行了數(shù)十年,但水箱內(nèi)嚴(yán)重的銹蝕增加了安全隱患。而且水箱內(nèi)存在支撐鋼架,檢修工作因空間小而實(shí)施困難,為此提出了采用回填微膨脹自密實(shí)混凝土的替代方案。

該方案需要研究滿足混凝土限制膨脹率、自生體積膨脹變形、蝸殼補(bǔ)加力等要求的最優(yōu)配合比。同時(shí),混凝土須滿足自密實(shí)、緩凝、可泵性好等特點(diǎn)。由于自密實(shí)混凝土通常含有較多膠凝材料且水膠比較低,其自收縮和干縮也較大,配制微膨脹自密實(shí)混凝土需要摻加適量的膨脹劑。通過(guò)三維有限元分析,蝸殼放空,在平壓水箱的水壓力作用下,蝸殼外圍混凝土向蝸殼方向產(chǎn)生0.15～0.25 mm的法向變形;平壓水箱放空,在蝸殼充水的水壓力作用下,蝸殼外圍混凝土向平壓水箱方向產(chǎn)生0.30～0.50 mm的法向變形?；靥罨炷了椒较蜷L(zhǎng)度為1 m,對(duì)其水平方向的變形上下限要求可認(rèn)為是:當(dāng)混凝土膨脹量不大于200×10-6、收縮量不大于400×10-6時(shí),混凝土的變形在安全范圍內(nèi)。

通常通過(guò)限制膨脹率試驗(yàn)和自生體積變形試驗(yàn)來(lái)優(yōu)選膨脹劑摻量。但在室內(nèi)試驗(yàn)中,混凝土的限制膨脹和收縮是在飽水條件和干燥條件下的狀態(tài),并不能代表實(shí)際工況。實(shí)際工況下,混凝土處于相對(duì)密閉狀態(tài),與外界沒(méi)有水氣交換。因此對(duì)于平壓水箱內(nèi)的微膨脹混凝土,從長(zhǎng)期來(lái)看,其理想狀態(tài)是在模擬的相對(duì)封閉狀態(tài)下,混凝土早期膨脹且膨脹量在水平方向?yàn)?00×10-6左右(還應(yīng)考慮溫度變形對(duì)水平方向的影響),后期允許有部分收縮,但最大不能超過(guò)400×10-6。

1 混凝土配制方案

根據(jù)對(duì)回填設(shè)計(jì)方案的技術(shù)需求分析,該混凝土特點(diǎn)是微膨脹性、自密實(shí)性及低發(fā)熱量,而填充部位無(wú)配筋,因此建議該混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為:強(qiáng)度等級(jí)C20,抗凍等級(jí)F100,抗?jié)B等級(jí)W4,坍?dāng)U度(600±50)mm。

取28 d齡期的強(qiáng)度保證率為95%,概率度系數(shù)為1.65,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為4.0 MPa,計(jì)算可得混凝土配制強(qiáng)度為26.6 MPa[1]。Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量可按重力壩常態(tài)內(nèi)部混凝土考慮,因此在摻用粉煤灰時(shí),最大摻量可選50%。自密實(shí)混凝土是可以在自身重力作用下填充密實(shí)的混凝土,因此需要足夠的漿體來(lái)滿足流動(dòng)性需求,要達(dá)到600 mm左右的坍?dāng)U度。一般來(lái)說(shuō)自密實(shí)混凝土的水膠比在0.35～0.45之間,如果骨料的粒型不夠理想,就需要更多的膠材和用水量。水膠比必須同時(shí)滿足混凝土強(qiáng)度和耐久性的要求。因此自密實(shí)混凝土的單位粉體量宜為0.16～0.23 m3,大致相當(dāng)于450～650 kg/m3的膠材用量[2]。對(duì)于自密實(shí)混凝土,用水量一般為155～180 kg/m3,砂率一般為50%左右,因?yàn)樵诖罅鲃?dòng)性時(shí),混凝土的穩(wěn)定性非常重要,高砂率有利于混凝土的穩(wěn)定。另外,自密實(shí)混凝土的骨料最大粒徑一般不大于25 mm,粗骨料體積一般為0.28～0.33 m3,相當(dāng)于粗骨料用量750～900 kg/m3,所以,砂用量較一般常態(tài)混凝土高?；炷梁瑲饬靠刂茷?%左右,含氣量與混凝土的塑性黏度呈反比關(guān)系,有一定的微小氣泡可以提高混凝土的流動(dòng)性。綜上所述,提出主要配制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土的主要配制參數(shù)Tab.1 Main parameters of concrete preparation

2 混凝土配合比試驗(yàn)

試驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、水電站附近砂場(chǎng)的天然砂和人工碎石,細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.62,粗骨料粒徑5～20 mm和20～40 mm共2個(gè)粒級(jí)。外加劑采用了低堿型膨脹劑和自密實(shí)混凝土專用的緩凝型減水劑和引氣劑。

考慮到骨料堿活性抑制、28 d抗凍等級(jí)和混凝土低熱性的要求,對(duì)比4個(gè)水膠比(0.33,0.35,0.37和0.39),調(diào)整砂率找到滿足工作性要求的水膠比;再選取2個(gè)粉煤灰摻量(30%和50%),2個(gè)膨脹劑用量(5%和10%)進(jìn)行試驗(yàn),找到滿足配制強(qiáng)度要求和限制膨脹率要求的配合比。

根據(jù)砂率試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)砂率為50%時(shí),混凝土的坍?dāng)U度最大,整體穩(wěn)定性較好;而砂率較小時(shí),混凝土粗骨料明顯包裹不足,流動(dòng)性變差;當(dāng)砂率較大時(shí),混凝土顯得較干,流動(dòng)性也不足。砂率為50%時(shí),粗骨料用量為803 kg/m3,體積為297 L,此時(shí)混凝土流動(dòng)性滿足要求。

選擇4個(gè)水膠比,50%粉煤灰用量對(duì)混凝土水膠比進(jìn)行試拌,配合比及工作性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。粗骨料采用小石:中石=70:30。

表2 混凝土水膠比試驗(yàn)配合比Tab.2 Concrete mix proportion of water-cementitious ratio tests

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)水膠比0.35時(shí),用水量165 kg/m3,膠材用量472 kg/m3,坍?dāng)U度620 mm,滿足工作性要求;當(dāng)水膠比大于0.35時(shí),膠材用量不足,流動(dòng)性不夠;而當(dāng)水膠比小于0.35時(shí),膠材用量較高,不夠經(jīng)濟(jì);而在較高用水量,較大水膠比時(shí),容易出現(xiàn)漿骨分離現(xiàn)象。因此綜合分析,選擇水膠比為0.35。

對(duì)表2中QBS3組進(jìn)行不同中小石比例的混凝土自密實(shí)工作性能試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。表中的T500指混凝土坍?dāng)U度試驗(yàn)中擴(kuò)展到500 mm時(shí)需要的時(shí)間,此值越小,說(shuō)明混凝土流動(dòng)性越好,黏度越小。H2/H1是指在L型儀中,混凝土下落流淌后兩端高度的比,此值越接近1,表明混凝土流動(dòng)性和通過(guò)性越好。振動(dòng)離析率反映的是混凝土內(nèi)部粗骨料的分離難易程度,此值越小說(shuō)明越不容易離析,一般不允許超過(guò)10%[2]。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)全部選用小石(5～20 mm)時(shí),混凝土流動(dòng)性和穩(wěn)定性最好,因此骨料方案推薦全部采用小石。

表3 混凝土初選配合比流變性Tab.3 Rheology property of concrete mix

3 限制膨脹及收縮試驗(yàn)

選擇0.35水膠比,50%粉煤灰用量,5%和10%兩種膨脹劑摻量,按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2001)進(jìn)行強(qiáng)度和限制膨脹及收縮試驗(yàn)。配合比及強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4,限制變形試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和圖1。可見(jiàn),在此試驗(yàn)條件下?lián)郊?0%膨脹劑的混凝土膨脹量超過(guò)了200×10-6,可能會(huì)對(duì)蝸殼混凝土造成額外的壓力,而采用5%膨脹劑摻量時(shí)膨脹量和收縮量都在安全范圍以內(nèi)。不過(guò),此試驗(yàn)條件是在飽水狀態(tài)下膨脹14 d后進(jìn)入干燥環(huán)境進(jìn)行,所以膨脹量和收縮量均與實(shí)際工況存在差別。

圖1 混凝土限制變形試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of concrete restrained deformation

表4 混凝土限制變形試驗(yàn)配合比及強(qiáng)度Tab.4 Concrete mix proportion and strength of restrained deformation tests

表5 混凝土限制變形試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of concrete restrained deformation

4 單軸膨脹模擬試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,平壓水箱靠溢流壩一面為固定面板,板厚9 mm;靠電站邊墻一面為活動(dòng)面板,板厚9 mm,活動(dòng)面板四周為厚度4.5 mm的“Ω”形伸縮節(jié)與相鄰四塊面板連接。根據(jù)平壓水箱布置和工況分析,充填到平壓水箱內(nèi)的膨脹混凝土形成六面體,其中五面受到較強(qiáng)約束,在蝸殼方向存在變形空間,因此近似認(rèn)為該混凝土是單軸變形模式。根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)出一種膨脹力測(cè)定單軸模型,如圖2所示。圓柱形試模采用45#厚壁無(wú)縫鋼管,形成較強(qiáng)環(huán)向約束,軸向采用直徑12 mm的A3鋼筋限制變形,頂端設(shè)置千分表測(cè)定在膨脹力作用下的鋼筋變形,根據(jù)約束鋼筋截面積和彈性模量,可以計(jì)算得出此條件下的膨脹力。單軸膨脹應(yīng)力采用以下公式計(jì)算:

式中:FE為單軸膨脹應(yīng)力(MPa);Ag為A3限制鋼筋截面積(113 mm2);Ac為混凝土試件截面積(13 990 mm2);ε為A3限制鋼筋變形(mm);L為A3限制鋼筋長(zhǎng)度(280 mm);E為A3限制鋼筋彈性模量(200 GPa)。

模具準(zhǔn)備好后,內(nèi)部涂抹黃油,襯入一層塑料袋,然后將混凝土灌入,將塑料袋封口,以保證混凝土為絕濕狀態(tài),然后蓋上頂板,將其放置在20℃恒溫環(huán)境下。混凝土的膨脹作用在底部鋼板和頂部活動(dòng)板上,頂部活動(dòng)板將此膨脹力傳遞到限制鋼筋上產(chǎn)生變形。混凝土初凝后測(cè)初長(zhǎng),隨后每隔一段時(shí)間測(cè)量中心的鋼筋變形,就可以計(jì)算出混凝土在膨脹劑的作用下對(duì)鋼筋施加的膨脹力。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和圖3。

圖2 膨脹應(yīng)力測(cè)定單軸模型效果Fig.2 Renderings of uniaxial stress expansion model

圖3 混凝土配筋約束變形測(cè)試結(jié)果Fig.3 Reinforcement constraint deformation test results of concrete

表6 膨脹應(yīng)力測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of expansion stress

經(jīng)計(jì)算,摻加5%和10%膨脹劑的自密實(shí)混凝土在模擬單軸約束條件下,14 d可產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力為0.076 MPa和0.100 MPa,未超出最大0.2 MPa的安全限值,且84 d的變形仍穩(wěn)定。

5 流變參數(shù)

圖4 混凝土流變參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of concrete rheological parameters test

對(duì)摻用5%膨脹劑的配合比QPS1,采用流變儀進(jìn)行流變參數(shù)測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表7和圖4。流變參數(shù)主要為混凝土剪切屈服應(yīng)力和塑性黏度,前者可衡量混凝土在流動(dòng)時(shí)需要克服的阻力,后者可衡量混凝土的黏稠度及流動(dòng)速度。在90 min內(nèi),該混凝土的流變參數(shù)坐標(biāo)均落在O.H.Wallevik[3]提出的自密實(shí)混凝土推薦區(qū)域(五角星圍成的框內(nèi))。表明該混凝土在90 min內(nèi),即使靜置,仍然能夠保持良好的工作性和自密實(shí)性,有利于施工的連續(xù)性和有序性。

需要說(shuō)明的是,這個(gè)工作性保持時(shí)間代表的是理論上混凝土從出機(jī)到泵送澆筑的最大時(shí)間間隔。在實(shí)際施工中,由于攪拌車會(huì)對(duì)混凝土進(jìn)行持續(xù)攪拌,混凝土的工作性保持時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。另外這個(gè)工作性保持時(shí)間也并非指整個(gè)混凝土澆筑一定要在90 min內(nèi)完成,控制澆筑時(shí)間間隔的是混凝土的初凝時(shí)間這個(gè)參數(shù),該時(shí)間一般為幾小時(shí)到十幾小時(shí),混凝土的澆筑間隔只要不大于此初凝時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)混凝土的無(wú)縫對(duì)接。另外,初凝時(shí)間可通過(guò)外加劑等手段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)整。

表7 混凝土流變參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of concrete rheological parameters test

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)回填混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)該考慮使用條件對(duì)力學(xué)性能、流動(dòng)性、變形性能的要求,特別是膨脹或收縮的限制范圍做出明確要求。

(2)限制膨脹和收縮試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、自生體積變形試驗(yàn)均是在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下開(kāi)展的,與回填混凝土實(shí)際使用工況可能存在差異,針對(duì)實(shí)際工況開(kāi)展模擬試驗(yàn)是必要的。

(3)提出的單軸膨脹模擬試驗(yàn)符合平壓水箱回填混凝土的實(shí)際工況,通過(guò)該模擬試驗(yàn)可以評(píng)估回填混凝土的膨脹量和收縮是否滿足安全限值要求。

(4)提出的自密實(shí)微膨脹混凝土配合比的拌合物坍?dāng)U度為635 mm,含氣量為4.0%,流變參數(shù)中剪切屈服應(yīng)力為10 Pa,塑性黏度為55 Pa·s。鋼筋間隙通過(guò)性優(yōu)良,振動(dòng)離析率為3.0%,流變參數(shù)在合理范圍內(nèi)。

[1]DL/T 5330-2005,水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].(DL/T 5330-2005,Code for mix design of hydraulic concrete[S].(in Chinese))

[2]CECS 203:2006,自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].(CECS 203:2006,Technical specifications for self compacting concrete application[S].(in Chinese))

[3]WALLEVIK O H,WALLEVIK J E.Rheology as a tool in concrete science:the use of rheographs and workability boxes[J]. Cement and Concrete Research,2011,41(12):1279-1288.

[4]陳小成.膨脹劑在高性能混凝土中的應(yīng)用研究[J].科技信息,2008(2l):101-103.(CHEN Xiao-cheng.Research of expanding agent application in high-performance concrete[J].Science&Technology Information,2008(21):101-103.(in Chinese))

[5]陳春月.試析混凝土膨脹劑的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2008(6):67-69.(CHEN Chun-yue.Attempting analysis of concrete expanding agent application[J].Water Resources Planning and Design,2008(6):67-69.(in Chinese))

[6]陸采榮,劉偉寶,梅國(guó)興,等.呼和浩特抽水蓄能電站水道系統(tǒng)鋼管外回填微膨脹混凝土配合比及性能試驗(yàn)研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2008.(LU Cai-rong,LIU Wei-bao,MEI Guo-xing,et al.Experimental studies of mix proportion and performance of micro-expansion backfill concrete of outside waterway system pipe of Hohhot pumped storage power station [R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2008.(in Chinese))

[7]NEVILLE A M.混凝土的性能[M].劉數(shù)華,冷發(fā)光,李新宇,等,譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.(NEVILLE A M.Properties of concrete[M].Translated by LIU Shu-hua,LENG Fa-guang,LI Xin-yu,et al.Beijing:China Architecture& Building Press,2011.(in Chinese))

[8]李寧,葉燕華,杜艷靜,等.膨脹劑摻量對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性能的影響[J].建筑技術(shù),2011,42(12):1114-1117. (LI Ning,YE Yan-hua,DU Yan-jing,et al.Influence of expanding agent content on shrinkage performance of self-compacting concrete[J].Architecture Technology,2011,42(12):1114-1117.(in Chinese))

Experimental studies on preparation and uniaxial expansion simulation of back-fill micro-expansive self-compacting concrete(SCC)

LIU Wei-bao,LU Cai-rong,WANG Heng,MEI Guo-xing,GE Xue-liang,YANG Hu
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

Pressure-balanced water tank is applied to balance the water pressure in concrete volute at a hydroelectric power station which has operated safely for decades.However,corrosion occurred in the tanks in these years.It is too difficult to repair and there is a safety problem in the power station.In order to study the feasibility of backfilling micro-expansion SCC as substitution for pressure water,experiments of preparation and performance have been carried out according to the design requirements.By adopting the site raw materials,mix parameters such as water-cement ratio and sand rate are determined by a series of fresh concrete tests and strength tests.The relationships between the dosage of swelling agent and deformation of concrete have been studied by restricted expansion experiments,autogenous volume deformation tests and uniaxial expansion experiments.The filling ability of this type of SCC is verified by rheological experiments and a simulative self-filling test.The mix proportion and the performance of backfilling micro-expansion SCC can provide a reference for relative researches and similar works of hydraulic engineering.

back-fill;micro-expansion;self-compacting concrete(SCC);concrete preparation;rheological properties;uniaxial expansion

TU528.55

A

1009-640X(2014)06-0016-06

2014-05-27

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目(201301052)

劉偉寶(1975-),男,寧夏中衛(wèi)人,高級(jí)工程師,博士研究生,主要從事水工混凝土材料及耐久性研究。E-mail:wbliu@nhri.cn