混凝土原材料与施工缝处理

混凝土原材料与施工缝处理 陈福厚 （中国三峡总公司） 摘要：选用水泥应根据混凝土设计要求而定；掺加Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，可以改善混凝土性能、节约水泥和减少水泥水化热；混凝土中必须掺加适量外加剂，同样可以改善混凝土性能和减少用水量等；对水泥、骨料、掺合剂和外加剂都必须控制含碱量，可以提高混凝土的耐久性和防裂能力。为简化混凝土施序和适应大型施工机械化的需要，研究和采用混凝土施工缝不打砂浆，取而代之的是施工缝面第一层浇筑二级配混凝土或三级配富浆混凝土。从国内外试验和工程实践看，不打砂浆在技术上是可行的，但必须精心组织和精心施工。 混凝土施工缝面的处理是：去掉乳皮，微露粗砂，表面粗糙。用25～50MPa高压水冲毛的施工缝面质量可靠并可取得明显的经济效益。 关键词：水工混凝土施工； 混凝土原材料； 施工缝处理     在混凝土坝枢纽工程中，用于混凝土工程施工的各种费用约占整个工程总投资的60%～70%，这充分表明混凝土工程关系到整个工程建设的质量、工期、投资和效益。     现就DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》（简称《规范》）涉及到的混凝土原材料和施工缝处理，进行综述。 1 混凝土原材料    近代科学技术的进步使筑坝技术对混凝土工程有新的更高的要求，如水工混凝土应满足抗压、抗拉、抗渗、抗冻、抗裂、抗冲耐磨和抗侵蚀等要求。     《规范》中要求采用新技术、新工艺、新材料和新设备。很多方面要通过原材料的选用和控制来达到设计要求。 1.1 水泥     水工混凝土选择水泥品种的原则主要是根据工程部位、技术要求和环境条件。对水位变化区外部混凝土、有抗冲耐磨和抗冻要求的混凝土，宜选用中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，也可选用普通硅酸盐水泥。选用中热硅酸盐水泥，既可满足混凝土各项性能要求，又可降低混凝土发热量，减少温度裂缝。内部混凝土，宜选用中热硅酸盐水泥，也可选用低热矿渣硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥...等。环境水对混凝土有硫酸盐侵蚀时，应选择抗硫酸硅酸盐水泥。为防止碱活性骨料膨胀，水泥碱含量≤0.6%，熟料碱含量≤0.5%。 熟料中氧化镁含量不超过5%，宜在3.5%~5%范围。抗硫酸盐水泥中SO3含量不得超过2.5%，矿渣硅酸盐水泥中SO3含量为4%～7%，其他水泥品种中SO3含量不得超过3.5%。     特别强调每一个工程所用水泥品种以1～2种为宜，并应固定供应厂家。     《规范》中还强调应优先使用散装水泥。散装水泥的运输可以用散装水泥罐、散装水泥车、集装箱等。规定水泥进入工地的储罐温度不宜超过65℃，特殊情况下，允许放宽到70℃。 1.2 骨料     水工混凝土可选用天然骨料、人工骨料，或两者互相补充。选用人工骨料时，有条件的地方宜选用石灰岩质的料源。     特别强调如骨料供应发生变化时，应按照现行建筑材料规程进行详细的补充勘察和碱活性成分含量试验，未经专门论证，不得使用碱活性骨料。有潜在的碱骨料反应时，限制水泥、外加剂、掺合料中的碱含量是防止碱骨料反应的主要。     细骨料应质地坚硬、清洁、级配良好；人工砂的细度模数宜控制在2.4～2.8范围内。有条件时，细骨料可分两级使用。细骨料应采取脱水、排水、遮盖和加强管理等综合措施，保持含水率稳定，人工砂饱和面干的含水率不宜超过6%。细骨料的含水率稳定，仍然是控制水胶比和混凝土出机口坍落度稳定的重要措施之一。 1.3 掺合料     目前混凝土掺合料有粉煤灰、硅粉、凝灰岩粉、磷渣粉加凝灰岩粉等。     我国的Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰，特别是Ⅰ级灰，具有明显的减水增强和显著改善混凝土多种性能的效果，并可降低混凝土水化热温升。《规范》提出宜优先选用Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰。三峡二期工程全部使用了Ⅰ级粉煤灰。 1.4 外加剂     水工混凝土常用的外加剂有：引气剂、普通减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂、高效减水剂、缓凝高效减水剂、缓凝剂、泵送剂等。     一个工程掺用同种类外加剂的品种宜选用1～2种，并由专门生产厂家供应，以保证混凝土质量。 混凝土掺入适量引气剂，能产生分布均匀的细微气泡，含气量控制在4.5%～5.5%范围内，可以改善混凝土和易性，显著提高硬化混凝土抗冻性。     三峡工程设计时选取花岗岩人工骨料，但试验表明：花岗岩人工骨料粒形较差，颗粒表面粗糙，需水量增加，相应增加水泥用量和水泥水化热，对混凝土耐久性和干缩等不利。通过试验研究，原材料方面采取优化配比等综合措施，采用了减水率大于18%的缓凝高效减水剂，掺用需水量比为90%左右的Ⅰ级粉煤灰和优质引气剂，使减水率达到30%以上。 1.5 混凝土总含碱量控制     为了提高混凝土的耐久性和使用年限，必须提高混凝土密实程度和抗冻、抗渗及抗侵蚀的能力，为此，除了优化混凝土配比以外，还应控制混凝土组成材料的总含碱量。国内外对混凝土总含碱量的规定可供参考：美国≤3.3kg/m3,英、日≤3.0kg/m3，澳大利亚≤2kg/m3，三峡工程人工骨料没有潜在的碱活性成分，为了确保工程安全，规定人工骨料混凝土碱总含量≤2.5kg/m3，这是非常严格的，也是可靠的。 2 施工缝处理    大坝混凝土分层分块浇筑产生的水平施工缝，缝面一般有水泥浮浆所形成的乳皮，严重影响了层间结合，降低抗剪和抗拉强度，采取措施处理好施工缝面是确保大坝混凝土施工质量的关键问之一。 2.1施工缝面处理标准     混凝土缝面处理标准：“去掉乳皮，微露粗砂，表面粗糙”。为此，需在浇筑前清扫缝面上的污物和灰尘并排除积水。 2.2 施工缝面处理方法     ①人工凿毛：劳动强度大，工效低；     ②高压水冲毛：冲毛水压力达25～50MPa，效率高，间歇期超过2周，冲毛效果差；     ③低压水冲毛：在混凝土终凝后，用0.3～0.6MPa的水压冲毛，可能会冲掉2～3cm厚的表层混凝土；     ④利用风砂枪冲毛：对龄期长的混凝土冲毛有效，但费工费时费料，施工干扰大；     ⑤钢丝刷机械刷毛：工效高、效果好、费用大；     ⑥喷洒缓凝剂：可促使混凝土表面缓凝，延长冲毛时间。     以上6种方法，采用高压水冲毛较为经济合理。 2.3 施工缝铺设砂浆问题     混凝土施工缝面处理的常规方法是铺设2～3cm厚砂浆。但从仔细观察和中可以看出，铺设砂浆并不很理想，譬如打砂浆增加了拌和和运输的很多环节，特别是铺设砂浆后会因间歇时间过长而晒干，反而影响施工缝面的结合。为了加快施工速度和简化施工程序，多年来就盼望在保证质量的前提下，找到能取代打砂浆的方法和措施。 2.4 施工缝处理的试验和应用 2.4.1 德沃夏克坝施工缝处理试验     美国陆军工程兵团在德沃夏克坝专门做了铺砂浆和不铺砂浆的对比试验。试验仓面面积186m2，浇筑块厚1.5m，施工缝用28MPa水压冲毛。骨料最大粒径152mm，水灰比0.66，水泥含量104kg/m3 ，粉煤灰45kg/m3，砂率21.5%，含气量6%，平均坍落度5cm。砂浆水灰比0.66，砂浆水泥含量288kg/m3，粉煤灰125kg/m3，砂1680 kg/m3。混凝土养护后，钻取了直径240mm、总长55延米的垂直与水平的混凝土芯样，作了直观检查和弯曲、剪切、渗透等试验，直观检查很难分辨出接缝是否铺设砂浆。试验后，他们认为这两种接缝的效果都是好的。因此，大坝后期施工就不再铺设水泥砂浆。水平施工缝处理方法对比试验成果表，见表1。 表1　水平施工缝处理方法对比试验成果表 混凝土芯类别 项目 　(kg/cm2) 有接缝的混凝土芯 大体积的混凝土芯样 铺砂浆 不铺砂浆 42d抗弯强度 20.0 16.5 22.5 垂直的 49d抗压强度 - - 148.0 60d抗压强度 - - 159.0 90d抗压强度 - - 180.0 水平的 56d抗剪强度 24.0 27.5 28.0 表2　施工缝不同处理方法的抗剪强度比较 28d抗剪强度 施工处理方法 kg/cm2 (%) 整体混凝土 52.1 00 喷涂柠檬酸 47.9 91.9 人工凿毛 47.2 90.6 低压水冲毛 43.1 82.7 高压水冲毛 49.1 94.2 光面（未除乳皮） 25.81 49.2 2.4.2 乌江渡工程施工缝处理试验     我国乌江渡工程对施工缝的各种处理方法也作了对比试验，施工缝不同处理方法的抗剪强度见表2。 从试验成果看，高压水冲毛的接缝胶结强度最高。使用高压水冲毛，仅要求缝面露出砂子不露出石子，冲毛深度很浅，平均深度约1～3mm，混凝土损耗率少，经济效益明显。     乌江渡工程从1976年起，对坝体混凝土水平施工缝已不再铺设砂浆（坝体迎水面5～7m范围除外）。接缝混凝土一般厚50cm，增加砂率2%～3%，坍落度增加1～2cm，根据振捣条件，总的混凝土坍落度不宜小于5cm。     上述施工方法，是在室内和现场试验的基础上取得的。从现场的钻孔取样得知，不铺砂浆的混凝土施工缝面，肉眼已不易分辨。实测87 d龄期的抗弯强度为60.6kg/cm2,不低于整体混凝土的抗弯强度，其抗压、劈裂抗拉、抗剪强度分别为：265kg/cm2、16.4kg/cm2、51.9kg/cm2，均不低于整体混凝土。抗渗标号大于B12，亦不低于整体混凝土。 2.4.3 葛洲坝工程施工缝面处理试验     ①室内试验  室内试验项目为：抗压、劈裂抗拉、抗弯及抗渗。混凝土标号为R28200号，一级配，水泥用量249kg/m3，砂率，木钙掺量为水泥用量的0.25%，水灰比0.55，水泥品种：荆门矿渣大坝水泥425号。试验成果见表3。 表3　试　验　成　果　表 抗压强度/105Pa劈拉强度/105Pa P 抗弯强度/105Pa 抗渗（B） 备注 试样类型 7d 28d 90d 7d 28d 90d 整　体 122 253 377 11.9 21.3 34.2 49.1 ≥23 水平缝面 铺砂浆 148 301 362 10.5 21.0 30.1 40.9 5 缝面未见渗水 不铺砂浆 129 270 357 4.4 13.4 19.6 43.7 4 个别试件沿缝面渗水     从室内试验成果看，水平施工缝铺不铺砂浆的抗压强度均能满足设计要求，两者的指标尤其是后期（90d）相差甚微；抗弯强度指标，不铺砂浆优于铺砂浆；但两者劈裂抗拉强度相差较大，不铺砂浆28d劈拉强度仅13.4×105 Pa，达不到设计要求，90d龄期强度有所增加，但仍偏低，为前者的65%。     ②现场试验 现场试验结合生产进行，混凝土200号，三级或四级配。每个试验仓半边仓铺砂浆，另半边不铺砂浆，浇筑28d后，用直径219mm钻头取样，室内锯切加工进行力学性能试验。芯样的接缝用肉眼很难辨认。     芯样力学性能试验成果见表4。 表4　芯样力学性能试验成果表 力学强度/105Pa 层面 劈拉 轴拉 抗弯 抗压 数量 （个） 最大/最小 平均 数量 （个） 最大/最小 平均 个数 最大/最小 平均 整体 436 7 42/7.9 26.7 5 17.8/12.6 14.7 6 88.2/24 54.2 铺砂浆 8 31.4/11.9 23.7 9 25.5/10.9 15.3 6 67.2/30.0 45.0 不铺砂浆 6 21.7/1.8 13.3 8 20.1/2.1 13.0 4 57.3/37.2 42.8     表4所示，缝面不铺砂浆的力学强度较铺砂浆的偏低。室内试验和现场取样试验资料都表明：整体混凝土优于有缝面的混凝土；相同施工条件下，缝面铺砂浆优于不铺砂浆。     ③从现场混凝土芯样获取率看施工缝处理这次现场钻孔取样，共有120个接缝面，48个缝面在取芯样过程中断裂，占缝面总数的40%，其中铺砂浆的断裂22个，未铺砂浆的断裂26个，分别占各自接缝面60个的36.7%和43.3%。     总起来看，断裂数少的情况有以下几种：缝面坑洼不平、石子外露者，缝面用风砂枪冲毛者，混凝土为三级配者，这与一般的概念相同，说明缝面断裂数与缝面处理质量和混凝土浇筑质量密切相关。混凝土骨料粒径越大，水泥用量越少，对上下层结合不利，铺砂浆或增加砂率的必要性越大。二级配混凝土仓位，特别是高标号二级配混凝土，可以不铺砂浆。 2.4.4 三峡工程对施工缝不铺砂浆的试验和措施     三峡工程泄洪坝段使用塔带机浇筑混凝土，施工缝面铺砂浆存在较大困难，为了确保浇筑质量又要方便施工，1998年11月-1999年1月，进行了水平施工缝铺砂浆与富浆混凝土对比试验。试验块长39m，宽21m，试验层浇筑后，暂不上升，待混凝土达到28d龄期以后，进行原位抗剪试验。试验条件为：混凝土200号，二级配、三级配、四级配，坍落度为5～7㎝。二级配混凝土采用原设计配合比，三级配和四级配混凝土分铺砂浆和不铺砂浆浇筑，铺砂浆采用原设计配合比，不铺砂浆混凝土分两种形式：一种采用原配合比，另一种增加3%砂率和6kg/m3的用水量（保持坍落度及水胶比不变）。试验取得大量成果，仅以抗剪强度为例，详见表5。 表5　抗 剪 试 验 成 果 表 抗剪断强度 残余强度 摩擦值 组号 200号混凝土特性 f′ C′/MPa f C/MPa f C/MPa Ⅰ 三级配，不铺砂浆 1.57 1.17 1.09 0.23 1.15 0.07 Ⅱ 三级配，不铺砂浆，增加砂率 1.28 1.68 1.29 0.21 1.12 0.19 Ⅲ 三级配，铺砂浆 1.40 1.68 0.97 0.23 1.00 0.10 Ⅳ 四级配，铺砂浆 1.32 1.74 1.14 0.34 0.96 0.29 Ⅴ 四级配，不铺砂浆，增加砂率 1.29 1.21 0.97 0.25 0.96 0.29 Ⅵ 四级配，不铺砂浆 1.37 1.83 0.72 0.74 1.00 0.25 Ⅶ 二级配，不铺砂浆 1.38 2.07 0.99 0.47 0.90 0.34 　　试验成果表明：施工缝面铺不铺砂浆其抗剪强度均大于1MPa，可以满足层面结合质量要求；不铺砂浆的层面结合质量，只要施工正常，是可以达到与铺砂浆的层面相近效果，而采用富浆混凝土也可以改善不铺砂浆的层面结合质量；采用二级配混凝土比采用其他层面处理方法的结合质量较好。     根据国内外关于施工缝试验和处理措施，三峡工程决定施工缝采用迎水面6～7m范围浇筑20cm厚的同标号二级配混凝土，其余施工缝面浇筑40～50cm厚的三级配富浆混凝土。从大量钻取的混凝土芯样观察，肉眼很难看出不打砂浆的混凝土施工缝缺陷，说明施工缝不打砂浆而采取替代措施是有效和成功的，值得推广应用。很重要的一点，好的施工方法，还要靠精心组织和精心施工来保证，在平仓振捣上狠下功夫，确保混凝土施工缝面的质量。