【工程檔案】自密實混凝土在南水北調二襯結構中的應用
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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第3期
自密實混凝土在南水北調二襯結構中的應用
陳龍，李洪萍，郭強
［摘 要］本文主要以北京市南水北調配套工程東干渠亦莊調節池擴建工程第四標段工程項目二襯結構為例，通過優化混凝土配合比，使其具備混凝土流動度 2 小時無損失、免振搗澆筑的工作性能來解決從出口至澆筑點約 550m，因運距長需采取小罐車二次倒運泵送施工的難題。依據自密實混凝土的主要技術指標，制定出使用優選原材料進行生產，來提高混凝土工作性和減少澆筑時間保證質量的技術路線。經過原材料選優和嚴格的反復比對試驗最終配制的自密實混凝土完全滿足設計和施工現場的要求。優化后的自密實混凝土配合比在南水北調二襯結構中進行應用，保質保量地順利完成了四標段二襯結構工程任務，為以后在建筑工程中自密實混凝土的應用積累了寶貴的實踐經驗。
［關鍵詞］自密實混凝土；二襯；抗凍抗滲；南水北調；施工技術
0 引言
隨著近幾十年來我國經濟的快速發展，出現了很多更具規模和功能性的建筑工程。對我國民生有較大影響力的建筑工程中，南水北調工程所起的作用毋庸置疑。在南水北調的工程建設中，自密實混凝土得到了深度擴展，其中主要應用了大量的抗凍抗滲自密實混凝土。為了保證水利工程主要輸水線路結構的密實度，提高長期抗凍抗滲等耐久性，延長使用壽命起到了至關重要作用，同時對自密實混凝土的工作性提出了新的要求，需要同時解決混凝土流動性、抗離析性、填充性與二次倒運坍落度損失快而容易造成實體外觀質量缺陷的矛盾。在南水北調這類水利工程中不僅從混凝土配合比設計上進行優化，還需盡可能的通過外加劑調整降低混凝土坍落度損失，來實現自密實混凝土的良好工作性和長期耐久性。本文通過自密實混凝土在南水北調水利工程中的應用實踐，進一步豐富自密實混凝土在建筑工程中的應用經驗。
1 工程概述
北京市南水北調配套工程東干渠亦莊調節池擴建工程施工第四標段位于北京市東南部南海子郊野公園東側，調節池總調節容積260萬 m
第四標段主要包括調節池池體工程、池體擋墻工程、2#退水溢流口工程、2#退水溢流管工程（分為管線明挖段和淺埋暗挖段）、2#退水溢流管出口結構、灌溉工程等施工內容。經研究決定，在淺埋暗挖段澆筑自密實混凝土來滿足施工技術要求和進度周期。
2 南水北調自密實混凝土的主要性能和配合比設計技術路線
2.1 自密實混凝土主要性能
在我國混凝土高速發展的過程中，具有功能性的混凝土建筑日漸突出，自密實混凝土更是得到了廣泛應用，其本身具有均勻性、密實性和免振搗的特點，方便了有較大施工難度的結構工程。混凝土的性能是決定施工質量效果的內在因素和前提條件。根據我公司以往生產自密實混凝土的經驗，結合南水北調的工程施工特點，滿足二次倒運、免振搗的自密實混凝土主要性能如下：
（1）工作性能：混凝土出機坍落度220～260mm；擴展度650～750mm；T50坍落擴展時間3～20s；V漏斗通過時間7～25s；U型箱320mm。要求混凝土具有良好的保水性、抗離析性、填充性，黏聚性適中，富有光澤感，呈現均勻、大流動性狀態，易于泵送，保證在免振搗狀態下混凝土的自流、密實性。
（2）倒運性能：要求2h內混凝土沒有損失，2～3h擴展度不小于650mm。自密實混凝土通過大罐車自卸3m3進入小罐車，小罐車進入隧洞行駛450mm（隨著工程進度會逐步縮短），通過小型泵車進行泵送（倒運時間5～8分鐘），混凝土未出現石子下沉現象，流動性良好。
（3）力學性能：滿足C30W6F150自密實混凝土配制強度38.2MPa的要求。
（4）耐久性能：含氣量控制在(5.0±1.0)%內，混凝土氯離子含量＜0.06%，單方混凝土堿含量3.0kg；硬化混凝土的電通量＜1000C，混凝土的體積收縮小，達到結構防水抗滲等級W6要求，耐久性良好。
2.2 自密實混凝土配合比設計技術路線
根據現場施工特點和圖紙技術要求，配制的混凝土精心選擇了高品質混凝土原材料。配合比設計采用優質礦物摻合料粉煤灰、礦渣粉+聚羧酸高性能減水劑+引氣劑的方法，提高單位用水量，降低外加劑摻量，高水粉比改善了混凝土流動性、提高了混凝土的耐久性，通過試驗對比選定合適的水膠比，確定聚羧酸高性能減水劑和引氣劑的最佳摻量，以及粉煤灰和礦渣粉的合理摻量，使之滿足自密實混凝土現場施工要求和質量保證。
3 原材料的選擇和配合比的設計及選定
3.1 原材料選用
依據《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T 283—2012要求優選原材料，結合我公司以往生產自密實混凝土的經驗，需要各項原材料的性能穩定、適應性良好，才能保證自密實混凝土的良好工作性及實體拆模光滑密實。
（1）水泥
選用水泥需要顏色均勻穩定、堿含量小于 0.6%，CA含量、游離的CaO和MgO量較低，符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175—2017的現行國家標準，可提高混凝土的延伸性和控制堿含量。水泥要求強度富余系數大、活性好、標準稠度用水量低并且與外加劑的適應性良好。本工程選用的是唐山弘也水泥有限公司的PO42.5普通硅酸鹽低堿水泥。
（2）減水劑
聚羧酸減水劑是迄今為止技術性能最好的減水劑，對混凝土的工作性能起到可調節的作用，能防止混凝土坍落度損失快而出現快速初凝的現象，低摻量下發揮較高的塑化效果，流動性保持性好，能降低混凝土收縮，具有良好的綜合技術性能優勢及環保特點。本工程外加劑更需要具備包坍性好、與水泥適應性強、混凝土收縮小等特點。選用了YG-1聚羧酸高性能減水劑標準型。
（3）引氣劑
特殊混凝土中摻入適量引氣劑，可改善混凝土拌合物和易性、保水性和黏聚性，提高混凝土流動性。其中引入的大量小氣泡均勻分布在混凝土結構中，因其結構好、半徑小、抗凍指標高，可提高混凝土的耐久性，同時混凝土的強度和耐磨性會有所降低。自密實混凝土中摻入適量引氣劑，可減少混凝土泌水和離析現象，提高混凝土的勻質性，延長工程使用壽命。但對混凝土含氣量的控制很重要。選用了北京市建筑工程研究院有限公司的ANI型引氣劑。
（4）摻合料
優質的摻合料在配制特殊混凝土過程中是必不可少的重要原材料。優質的F類I級粉煤灰，不僅可以減少混凝土中水泥用量及減少水化熱、熱能膨脹性，而且可以改善混凝土的和易性，增強混凝土的可泵性，減少混凝土的徐變，提高混凝土的抗滲能力。粉煤灰中的微珠顆粒具有較強的潤滑作用可改善自密實混凝土的流動性，提高密實度，填充在水泥顆粒之間，減少填充水增加混凝土的強度。出于對節能環保的考慮，選用天津軍糧城發電有限公司生產的F類I級粉煤灰。
較好的礦渣粉活性可提高混凝土的抗滲性能和抗氯離子擴散性能，并可提高混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能，降低混凝土水化熱，抑制混凝土堿骨料反應，這對于有抗滲抗凍要求的混凝土很重要。本工程優選三河興達開元建材有限責任公司生產的S95級礦渣粉。
（5）骨料
依據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ 52—2006的現行標準，粗骨料優先選用5～16mm的低堿連續級配的山碎石。含泥量不大于 0.3%，泥塊含量為0%，針狀和片狀顆粒含量不大于10%。因考慮到混凝土的流動性，所以所選用的石子形狀圓潤均勻最好。細骨料選用質地堅硬、級配良好的B類低堿活性天然中砂。通過0.300mm篩孔的砂不少于 15%，其含泥量不大于2.8%，泥塊含量為0%，氯離子含量不大于0.06%，細度模數：2.3～3.1。這些指標對混凝土的流動性和耐久性至關重要。
（6）拌合用水
來自生活用自來水廠的飲用水，符合《混凝土用水標準》JGJ 63—2006 規定和要求。
3.2 配合比的設計及選定
北京市南水北調配套工程的主要特點是蓄水量大對混凝土抗滲性能有很高的要求，實體表面不能出現裂縫。自密實混凝土具有良好的穩定性，澆筑前后均不離析、不泌水，粗細骨料均勻分布，保持了混凝土結構的勻質性，使水泥石與骨料、混凝土與鋼筋具有良好的黏結，保持混凝土的耐久性。本文主要是針對自密實混凝土免振搗的特點，從材料和混凝土和易性及較好的流動密實度相關技術指標來選用最佳配合比。要保持混凝土具有良好的穩定性，粉體含量是關鍵。水膠比控制上，增加用水量，雖然會增大流動度，但黏性降低。混凝土的用水量應控制在150～200kg/m之間。具體配合比見表1。依據《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T 283—2012和《水工混凝土配合比設計規程》DL/T 5330—2015，我們從材料本身性質和已有經驗考慮，對水膠比0.40、0.42和0.44，不同的膠材總量，不同的粉煤灰、礦渣粉摻量，進行對比試驗，砂率根據工作性調整，調整減水劑用量使出機擴展度保持在650～750mm，并監測損失情況，結果見表2。
從表2可以看出，3組配合比都具有很好的流動性，但是從整體性能上看A1的填充性能弱，混凝土底部有粘黏，不利于混凝土流動，對自密實混凝土的外觀質量會有影響；A3出機狀態不錯，但是2h經時損失嚴重，相對現場2～3小時的施工時間，混凝土工作性不好，實體質量無法保證。最后優選出水膠比0.42的A2配合比作為自密實的基準配合比。
4 自密實混凝土在二襯中的質量控制
南水北調配套工程第四標段的淺埋暗挖段隧洞二襯在模板頂部、斜上方45預留澆筑口。施工分為兩部分，先澆筑二襯中上部，待另一邊45預留小口出漿后，關閉兩端澆筑預留口，接著澆筑頂部，待頂部預留口出漿后停止澆筑。二襯結構鋼筋剖析圖見圖1所示。在整個澆筑過程中混凝土入模后的坍落度控制在240～ 260mm，擴展度控制在 650～750mm， 流動快、流面廣，澆筑全過程免振搗，在底部和中部用橡膠棒適當敲打模板，以使整個二襯的光滑、密實。若坍落度太小，混凝土容易堆積在兩邊，造成底部不密實，形成孔洞。所以混凝土的流動性、填充的密實性，以及坍落度損失小顯得格外重要，成為澆筑過程的核心。
混凝土質量生產控制：首先試驗員對砂石及粉料進行批量入場檢查；其次由質檢開盤和試驗員進行首盤自密實混凝土的工作性能試驗，為了節省時間可同時進行兩項或三項試驗，在此過程中發現混凝土工作性指標不能滿足要求時，及時進行調整并反饋給質檢部長，性能試驗合格后出廠，整個試驗過程控制在10～15分鐘完成。
現場施工主要分三部分：首先混凝土到達現場進行混凝土性能試驗（圖2），記錄試驗數據為后期配合比優化和施工程序簡化都有重要的指導作用，現場混凝土試驗過程中發現試驗項目嚴重未達到技術指標范圍需進行退場，并通知攪拌站進行調整。其次小罐車裝載混凝土，需倒車進入隧道。小型罐車到達指定泵送位置用小型車載泵進行澆筑，需轉罐15～20s，防止運輸過程中因道路不平而導致石子有部分下沉。混凝土進入料斗后，技術人員觀察工作狀態并記錄運輸時間。最后從斜上方45澆筑，另一側預留口出漿后，關閉澆筑預留口，同時現場施工人員用橡皮錘分段進行敲打，防止局部有大氣泡。在澆筑過程中要觀察臺車是否上浮偏移，控制澆筑速度，通過端頭模滲水情況判斷倉內液面高度，流動情況。隨后接著澆筑頂部，待頂部預留口出漿后，停止澆筑，監督混凝土灌注飽滿度，并要注意止水帶附近的混凝土振搗。
從現場實體拆模后的情況看，表面未出現大量氣泡，實體表面平整度12mm，蜂窩孔洞深度不超過20mm，未出現漏筋現象，鋼筋保護層均在規定范圍內，混凝土結構重要部位未出現缺損掉角現象。實體部分圖見圖 3。
5 結論
（1）在自密實混凝土大坍落度、免振搗的施工過程中，將混凝土黏聚性和流動性做到平衡是配合比設計中的另一個特殊指標，有利于提高施工效率，降低生產成本。
（2）自密實混凝土在現代建筑中的廣泛應用，對其工作性要求越來越高，應通過嚴格反復試驗來確定最優配合比，并根據現場施工的特殊性，對混凝土工作性能進行調整，才能保證實體質量。
（3）從技術和經濟角度來看，優質原材料滿足工程的高標準要求，在工程施工中還需要各環節保持同等匹配的高品質施工，才能實現創精品工程的目標。
參考文獻
[1] JGJ 52—2011．普通混凝土配合比設計規程[S]．
[2] DL/T 5330—2015．水工混凝土配合比設計規程[S]．
[3] JGJ/T 283—2012．自密實混凝土應用技術規程[S]．
[4] DL/T 5144—2015．水工混凝土施工規范[S]．
[5] JGJ 52—2006．普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準[S]．
供稿人：陳龍，李洪萍，郭強
編輯員：李海亮
審核人：孫繼成，寧夏
【標準規范】
【會議培訓】
第十屆全國建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會
2025第二十一屆全國商品混凝土可持續發展論壇暨2025中國商品混凝土年會
【咨詢服務】
預拌混凝土質量追溯研究
高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢
課題研究
研發中心建設
[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等
【建材“雙碳”業務】
低碳膠凝材料研發與制備
復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備
建筑垃圾處置與資源化利用
建筑垃圾再生砂粉應用技術
建筑垃圾再生輕粗骨料技術
碳化再生骨料制備技術
【期刊著作】
《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書
《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書
混凝土技術發展中心（以下簡稱“中心”）隸屬建筑材料工業技術情報研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國內外混凝土行業科技前沿動態，為全國混凝土行業開展技術服務工作，包括出版技術期刊、研究制定標準、開展技術咨詢、舉辦技術會議、承擔行業培訓、從事認證評價和開發研究等，中心是建材情報所主要業務部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業協會分支機構包括中國散裝水泥推廣發展協會混凝土專業委員會、中國散裝水泥推廣發展協會預制建筑產業專業委員會、中國砂石協會建筑固廢利用分會、建筑材料工業技術情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預拌混凝土質量追溯公共服務平臺、混凝土行業數字化服務平臺、中國商品混凝土行業企業專家委員會（擁有200余名行業一線專家）、北京砼享未來工程技術研究院（會員制技術和管理服務）。
中心每年參與多個混凝土技術咨詢和技術服務項目，包括雄安新區混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術咨詢、固廢基膠凝材料和再生復合摻合料研發和制備技術，以及數十個混凝土企業的技術服務工作。開展預拌混凝土綠色產品認證和科技成果評價工作。
咨詢電話：孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915
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