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 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；（3）如何搭配不同比重的骨料，避免重混凝土在運輸、施工過程中出現分層離析。

經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。

（1）重混凝土的試拌。根據普通混凝土配合比設計規程中的要求，普通 C30 混凝土經計算水泥用量為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，增強其體積穩定性，防止完成的重混凝土部位出現微裂縫，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 式聯合解得

（5）根據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（混凝土養護條件為標養，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

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設計驗算，并充分固定，防止出現漲模現象。

（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 混凝土的養護

（1）混凝土澆筑完畢，應及時養護，養護時間不得少于 14d。

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

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 數據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。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時出現的離析分層問題。

6 技術創新點及成熟度及推廣應用前景

6.1 技術創新點

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生膨脹應力，抑制混凝土在使用過程中產生的裂縫及變形，從而提高混凝土的耐久性。

6.1.4 分層澆筑法確保混凝土密實

以每層澆筑厚度不超過 300mm 為原則，分層澆筑、分層振搗確保混凝土的密實度滿足容重要求。

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驗和完善的配合比設計體系，改變了傳統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，但是受生產條件的限制，一般都按照普通混凝土生產工序進行生產，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時經過長距離運輸容易出現分層離析現象，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、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。

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

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