抗漂浮重混凝土的配合比設計及應用

嚴新華

（臨沂天元混凝土工程有限公司，山東 臨沂 276000）

1 項目研究的意義

重混凝土以其自身抗浮、防輻射的特點在一些結構部位中有著不可替代的作用。目前重混凝土的容重基本都在 3500kg/m3以下，容重更高的混凝土生產(chǎn)難度較大，給工程設計施工帶來很大難度，因此不得不采用抗浮錨桿來做抗浮設計或者采用鉛板、鋇砂板等作為防輻射設計，增加了工程的施工工序，延長了施工工期，甚至提高了工程造價。通過本技術可以解決容重設計不準確，及容重高出現(xiàn)分層離析的情況。

2 研究方案的設計思想及論證

重混凝土的研究及應用較普通混凝土相比主要難點有兩個：（1）如何根據(jù)設計容重進行配合比設計；（2）重混凝土的施工工藝。在配合比設計上根據(jù)容重進行原材料選擇，先行對混凝土進行試拌，觀測拌合物的性能，測得相關指標作為依據(jù)再進行配合比設計；重混凝土的施工工藝按照分層施工方法進行澆筑施工。

3 研究內容、路線及方法

3.1 鋼渣混凝土的主要技術特征

（1）利用經(jīng)過加工成顆粒級配合適的鋼渣作為骨料，與水泥等膠凝材料拌合而成的容重超過 2800kg/m3的混凝土為鋼渣混凝土。根據(jù)需要研究應用的鋼渣混凝土容重達 4500kg/m3。

（2）鋼渣混凝土應滿足施工對拌合物性能的要求，其力學性能應滿足設計要求。

（3）鋼渣混凝土容重高，多用于結構配重或者建筑物抗浮設計。

（4）鋼渣混凝土可在抗浮設計的建筑結構中取代抗浮錨桿等結構，減少施工工序，縮短工期。

3.2 材料選用

（1）骨料選用比重合適的鐵礦石，結合比重較大的篩選鋼渣砂組成合適的級配。

（2）水泥：沂州水泥集團產(chǎn) P·O42.5 水泥，性能指標見表1。

（3）莒南金源膨脹劑，水中 28d 限制膨脹率0.036%，空氣中 21d 限制膨脹率 0.018%。

（4）拌合用水為飲用水。

如無特殊說明本方案所進行的試驗均采用以上材料。

3.3 試驗試配

3.3.1 配制原則

為保證 4.5 噸鋼渣混凝土的順利施工，本工程提出了如下混凝土配制原則：

（1）鋼渣混凝土容重必須滿足設計要求，該條為基本原則須嚴格遵守。

（2）鋼渣混凝土抗壓強度應滿足設計要求，該條為基本原則須嚴格遵守。

（3）鋼渣混凝土的工作性能應滿足施工要求，其坍落度應在 120～160mm。

（4）鋼渣混凝土的配制應有保證混凝土密實度及抗裂的措施。

表1 水泥的技術指標

3.3.2 配合比設計難點

根據(jù)以上配制原則，在本鋼渣混凝土的配合比設計中的難點有三個：（1）如何保證混凝土的設計容重達到 4500kg/m3，并以此選擇合適的原材料；（2）如何確定鋼渣合適的級配，使鋼渣密實度達到最佳狀態(tài)；（3）如何搭配不同比重的骨料，避免重混凝土在運輸、施工過程中出現(xiàn)分層離析。

經(jīng)過反復試驗最終選定以赤鐵礦石作為粗骨料，篩選鋼渣砂作為細骨料。

赤鐵礦石（圖1）：粒徑為 5～31.5mm，表觀密度為 4200kg/m3，堆積密度為 2520kg/m3。

赤鐵礦屑（圖2）：粉末狀，細度約為 200 目，表觀密度 4200kg/m3，堆積密度為 2610kg/m3。

篩選鋼渣砂（圖3）：表觀密度 6200kg/m3，堆積密度為 3530kg/m3，細度模數(shù)為 3.0。

圖1 赤鐵礦石

圖2 鐵礦石粉

圖3 篩選鋼渣砂

3.3.3 配合比設計

因為本重混凝土的配合比設計所選用的骨料在混凝土拌合物中表現(xiàn)的工作性能未知，因此在配合比設計前對重混凝土進行試拌，以便對該混凝土拌合物的工作性能有一個初步的了解，作為配合比設計的依據(jù)。

（1）重混凝土的試拌。根據(jù)普通混凝土配合比設計規(guī)程中的要求，普通 C30 混凝土經(jīng)計算水泥用量為310kg，用水量為 170kg，重混凝土試拌中水泥用量和用水量采用普通混凝土的用量；采用鋼渣砂 2500kg，赤鐵礦石 1000kg，礦屑 520kg，礦屑礦石比例為1∶1.92。具體試拌配合比見表2。

表2 試拌配合比

測得該試拌混凝土坍落度為 160mm，容重為4090kg/m3，坍落度滿足施工要求。經(jīng)振動、插搗使其密實后，清理浮漿 6.1kg，烘干后為 3.62kg，浮漿中水的含量為 2.48kg，初步分析鋼渣砂、鐵礦石、赤鐵礦屑比重大，大量自由水被“擠出”混凝土，因此該自由水體積不能計入重混凝土，經(jīng)計算實際存在于混凝土中的水為 70.8kg。按照混凝土的實際配合比試拌（詳見表3），對該重混凝土進行含氣量檢測試驗，其含氣量為5.9%。

（2）配合比設計方案的選擇。

本鋼渣混凝土的容重達到 4500kg/m3，骨料成分特殊，屬于特種混凝土，在配合比設計上與普通混凝土不同，考慮其容重指標為首先必須滿足的要素，因此采用絕對體積法作為配合比設計方法。

為保證重混凝土內部密實，采用摻加膨脹劑的方法，增強其體積穩(wěn)定性，防止完成的重混凝土部位出現(xiàn)微裂縫，使可能含有酸性離子或其他有腐蝕性成分的廢水滲入混凝土內部，產(chǎn)生體積變形。

（3）以重混凝土含氣量為 6%，水泥用量 310kg、實際含水 70kg 計算，推定以絕對體積法進行配合比設計，則設計容重 mcp=4500/(1-6%)=4787(kg/m3)。

式中：

mcp——設計容重，kg/m3；

mss——每立方混凝土中鋼渣砂的質量，kg；

mio——每立方混凝土中鐵礦石和赤鐵礦屑的質量，kg；

mw——每立方混凝土中水的質量，kg。

（4）由于赤鐵礦石和赤鐵礦屑表觀密度均為4200kg/m3，兩者共同質量作為 mio，篩選鋼砂表觀密度 6200kg/m3，P·O42.5 水泥、UEA 膨脹劑表觀密度3100kg/m3，

聯(lián)立形成方程式：

表3 試拌混凝土實際配合比及指標

由 ① 式和 ② 式聯(lián)合解得

（5）根據(jù)以上求得赤鐵礦石和赤鐵礦屑總量為1409kg，按照試拌配合比中的礦石和礦屑比例 1.92 為基準，各上下浮動 0.05、0.10、0.15 進行配合比試驗，拌合用水量按照 170kg 進行試配。

表4 試驗配合比 kg/m3

通過表4 配合比進行混凝土制備，得出混凝土拌合物工作性能、實際用水量及其抗壓強度，結果見表5（混凝土養(yǎng)護條件為標養(yǎng)，成型方式為振動結合插搗成型）。

表5 混凝土拌合物試驗結果

根據(jù)實際檢測容重對原配合比進行修正，實際配合比見表6。

表6 實際配合比 kg/m3

試驗表明，以上各配合比其力學性能、工作性能均能滿足要求，考慮原材料成本，選擇配合比 7 作為施工配合比。

3.4 施工工藝

3.4.1 重混凝土的生產(chǎn)

赤鐵礦石、赤鐵礦屑及篩選鋼砂的儲料倉、上料倉應清潔無其余雜質。

由于重混凝土的容重高，混凝土生產(chǎn)攪拌方量不應超過攪拌主機設計攪拌方量的 50%，每盤攪拌時間不應低于 90s，確保攪拌質量良好。

3.4.2 混凝土的運輸

（1）重混凝土每車運輸量不應按照運載體積計算，應根據(jù)重混凝土體積換算成質量，不得超過運輸車的載重。

（2）混凝土在運輸過程中應該保持罐體轉速在4～8r/min，保持重混凝土的勻質性。

（3）混凝土運輸車運輸速度不得超過 60km/h，確保行車安全。

3.4.3 混凝土的施工

（1）重混凝土的轉運工具不得超過額定載重，如三輪翻斗車、吊斗等應在額定允許范圍內進行運輸施工。

（2）澆筑前插入式振搗器若干，表面振動器若干及蛙式打夯機，接入水管備用，澆筑基底清理干凈。

（3）混凝土的模板支設應經(jīng)設計驗算，并充分固定，防止出現(xiàn)漲?，F(xiàn)象。

（4）應進行分層澆筑，每層澆筑厚度不宜超過300mm，每層振搗時間不宜小于 10min，以表面不再返漿為準，并輔以表面振動器進行振搗。

（5）每層振搗完成后應清除上浮泥漿，然后進行下一層的施工，可有效保證混凝土的容重。

（6）夯實：分層鋼渣混凝土的厚度要嚴格控制，必須進行夯實，且夯實時不得漏夯，尤其是結構的死角，若不能用打夯機施工，現(xiàn)場制作一混凝土夯塊，人工手夯。填到最上層時，進行加密夯實，增加鋼渣混凝土的強度和壓實度。

3.4.4 混凝土的養(yǎng)護

（1）混凝土澆筑完畢，應及時養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不得少于 14d。

（2）澆筑后的重混凝土應采用覆蓋、灑水、噴霧、噴養(yǎng)護劑或用薄膜保濕等養(yǎng)護措施。

3.4.5 混凝土的結構檢查

（1）重混凝土的結構檢查一般以對結構的變形、裂縫觀測檢查為主，確保結構的整體完整性。

（2）重混凝土試塊的留置不應使用 100mm×100mm×100mm 的試件，建議使用 200mm×200mm×200mm 的試件，以提高其準確度。

4 數(shù)據(jù)分析及解決的關鍵問題

在本技術的配合比設計中選用的配合比為水泥266kg、膨脹劑 26kg、篩選鋼砂 2824kg、赤鐵礦石887kg、赤鐵礦屑 439kg、水 160kg；拌合物總重為4602kg，實際完成施工其容重為 4510kg。究其原因，就是一大部分的自由水在高密度的原材料中經(jīng)過振搗被“擠出”，因此其最終容重與設計不同，在配合比設計時考慮到這一問題，因此通過試拌確定了兩個不同用水量的大概范圍，然后通過配合比試驗最終確定混凝土的配合比。

5 總體性能指標與國內外同類先進技術的比較

目前國內容重大于 2800kg/m3的混凝土均可稱為重混凝土，在容重 3500kg/m3以下的重混凝土技術相對來說比較成熟，可采用重晶石、鋼渣粉等材料進行生產(chǎn)。但是當混凝土容重超過 3500kg/m3時，通常采用鐵球結合重晶砂的辦法進行配制，這種方法的缺點是很容易出現(xiàn)骨料分層，導致重混凝土的容重與配合比設計時的容重存在較高誤差。在容重 4500kg/m3的重混凝土配合比設計選擇的篩選鋼砂作為容重的“主要貢獻者”，鐵礦石粉彌補膠凝材料較少導致混凝土和易性稍差的缺陷，鐵礦石作為調整容重，并承擔混凝土骨架的作用，很好地解決了容重超過 3500kg/m3時出現(xiàn)的離析分層問題。

6 技術創(chuàng)新點及成熟度及推廣應用前景

6.1 技術創(chuàng)新點

6.1.1 先行試拌確定大概配合比

通過先行試拌可確定重混凝土中實際用水量的范圍，重混凝土中的水分很容易隨著混凝土的振搗密實而流失，而這一部分水在重混凝土中還占著很大一部分的體積，這給確定重混凝土的用水量帶來了很大的困難，往往使設計的容重與最終容重存在較大差距，先行試拌確定大概配合比和實際用水量很好地解決了這一問題。

6.1.2 利用較細的赤鐵礦屑提高重混凝土的和易性

重混凝土骨料本身強度大、密實度高，膠凝材料用量比同強度等級的普通混凝土要少。另外，如果其膠凝材料用量過高必然會影響整體容重，因此重混凝土中膠凝材料用量一般偏低，這就導致重混凝土的和易性往往較差，從而出現(xiàn)離析分層的情況。利用較細的赤鐵礦屑增加混凝土中漿體的含量，改善了混凝土的和易性，不僅使工作性能得到了改善，還有效地保證了重混凝土的容重指標。

6.1.3 利用膨脹劑的微膨脹效應改善了重混凝土的耐久性

重混凝土的骨料中含有大量鐵元素，容易受周圍環(huán)境酸堿度變化的影響，加入膨脹劑可以使整個重混凝土內部產(chǎn)生膨脹應力，抑制混凝土在使用過程中產(chǎn)生的裂縫及變形，從而提高混凝土的耐久性。

6.1.4 分層澆筑法確?；炷撩軐?/p>

以每層澆筑厚度不超過 300mm 為原則，分層澆筑、分層振搗確?；炷恋拿軐嵍葷M足容重要求。

6.2 技術成熟度

臨沂市頤高上海街二期地下車庫抗浮設計采用 C30重混凝土，設計容重 4500kg/m3，施工后經(jīng)檢測，混凝土容重為 4510kg/m3，混凝土抗壓強度為 35.4MPa，整體性良好，無裂縫變形情況。

6.3 推廣應用前景

重混凝土在抗浮、防輻射領域有著突出的優(yōu)勢，是一種不可代替的高性能混凝土。通過本項目，在重混凝土的配合比設計及施工方面均有了較好地經(jīng)驗和完善的配合比設計體系，改變了傳統(tǒng)的重混凝土配合比設計不斷摸索并且很難達到容重設計要求的方法。本設計充分考慮了混凝土實際用水和拌合用水的差異，使重混凝土的配合比設計更加準確，為重混凝土在結構中的應用提供了條件。

7 存在的問題

（1）重混凝土由于其本身骨料與普通混凝土骨料存在一定的差異，但是受生產(chǎn)條件的限制，一般都按照普通混凝土生產(chǎn)工序進行生產(chǎn)，對機械設備的磨損嚴重，影響機械設備正常的使用壽命。

（2）重混凝土在容重超過 4500kg/m3時經(jīng)過長距離運輸容易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象，僅依靠攪拌運輸車的旋轉攪拌，對其工作性能的改善不大。

8 研究結論

在重混凝土的設計、施工中容重的核準是其中的難點，往往在施工完成后檢測其容重都略低于設計容重，本技術在充分考慮重混凝土的配合比設計、混凝土生產(chǎn)、施工等整個過程，認為混凝土的拌合用水和實際用水存在較大差距，并通過大量試驗得到了驗證。因此通過試拌確定實際用水量和拌合用水量的關系，在配合比設計中作為依據(jù)。

通過本技術可以系統(tǒng)地對不同容重的重混凝土進行配合比設計，并且根據(jù)使用部位、條件制定出合理的施工方案。

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