嚴(yán)新華

（臨沂天元混凝土工程有限公司，山東 臨沂 276000）

1 項(xiàng)目研究的意義

重混凝土以其自身抗浮、防輻射的特點(diǎn)在一些結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)施工帶來(lái)很大難度，因此不得不采用抗浮錨桿來(lái)做抗浮設(shè)計(jì)或者采用鉛板、鋇砂板等作為防輻射設(shè)計(jì)，增加了工程的施工工序，延長(zhǎng)了施工工期，甚至提高了工程造價(jià)。通過(guò)本技術(shù)可以解決容重設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，及容重高出現(xiàn)分層離析的情況。

2 研究方案的設(shè)計(jì)思想及論證

重混凝土的研究及應(yīng)用較普通混凝土相比主要難點(diǎn)有兩個(gè)：（1）如何根據(jù)設(shè)計(jì)容重進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；（2）重混凝土的施工工藝。在配合比設(shè)計(jì)上根據(jù)容重進(jìn)行原材料選擇，先行對(duì)混凝土進(jìn)行試拌，觀測(cè)拌合物的性能，測(cè)得相關(guān)指標(biāo)作為依據(jù)再進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；重混凝土的施工工藝按照分層施工方法進(jìn)行澆筑施工。

3 研究?jī)?nèi)容、路線及方法

3.1 鋼渣混凝土的主要技術(shù)特征

（1）利用經(jīng)過(guò)加工成顆粒級(jí)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(guò) 2800kg/m3的混凝土為鋼渣混凝土。根據(jù)需要研究應(yīng)用的鋼渣混凝土容重達(dá) 4500kg/m3。

（2）鋼渣混凝土應(yīng)滿足施工對(duì)拌合物性能的要求，其力學(xué)性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）鋼渣混凝土容重高，多用于結(jié)構(gòu)配重或者建筑物抗浮設(shè)計(jì)。

（4）鋼渣混凝土可在抗浮設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)中取代抗浮錨桿等結(jié)構(gòu)，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(jié)合比重較大的篩選鋼渣砂組成合適的級(jí)配。

（2）水泥：沂州水泥集團(tuán)產(chǎn) P·O42.5 水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)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(wú)特殊說(shuō)明本方案所進(jìn)行的試驗(yàn)均采用以上材料。

3.3 試驗(yàn)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(shè)計(jì)要求，該條為基本原則須嚴(yán)格遵守。

（2）鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，該條為基本原則須嚴(yán)格遵守。

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

（4）鋼渣混凝土的配制應(yīng)有保證混凝土密實(shí)度及抗裂的措施。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)

3.3.2 配合比設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)以上配制原則，在本鋼渣混凝土的配合比設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)有三個(gè)：（1）如何保證混凝土的設(shè)計(jì)容重達(dá)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(jí)配，使鋼渣密實(shí)度達(dá)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(yùn)輸、施工過(guò)程中出現(xiàn)分層離析。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)最終選定以赤鐵礦石作為粗骨料，篩選鋼渣砂作為細(xì)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(xì)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(xì)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(shè)計(jì)

因?yàn)楸局鼗炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)前對(duì)重混凝土進(jìn)行試拌，以便對(duì)該混凝土拌合物的工作性能有一個(gè)初步的了解，作為配合比設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（1）重混凝土的試拌。根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中的要求，普通 C30 混凝土經(jīng)計(jì)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(jiàn)表2。

表2 試拌配合比

測(cè)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(dòng)、插搗使其密實(shí)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(jì)入重混凝土，經(jīng)計(jì)算實(shí)際存在于混凝土中的水為 70.8kg。按照混凝土的實(shí)際配合比試拌（詳見(jiàn)表3），對(duì)該重混凝土進(jìn)行含氣量檢測(cè)試驗(yàn)，其含氣量為5.9%。

（2）配合比設(shè)計(jì)方案的選擇。

本鋼渣混凝土的容重達(dá)到 4500kg/m3，骨料成分特殊，屬于特種混凝土，在配合比設(shè)計(jì)上與普通混凝土不同，考慮其容重指標(biāo)為首先必須滿足的要素，因此采用絕對(duì)體積法作為配合比設(shè)計(jì)方法。

為保證重混凝土內(nèi)部密實(shí)，采用摻加膨脹劑的方法，增強(qiáng)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(nèi)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(shí)際含水 70kg 計(jì)算，推定以絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)容重 mcp=4500/(1-6%)=4787(kg/m3)。

式中：

mcp——設(shè)計(jì)容重，kg/m3；

mss——每立方混凝土中鋼渣砂的質(zhì)量，kg；

mio——每立方混凝土中鐵礦石和赤鐵礦屑的質(zhì)量，kg；

mw——每立方混凝土中水的質(zhì)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(zhì)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(shí)際配合比及指標(biāo)

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(zhǔn)，各上下浮動(dòng) 0.05、0.10、0.15 進(jìn)行配合比試驗(yàn)，拌合用水量按照 170kg 進(jìn)行試配。

表4 試驗(yàn)配合比 kg/m3

通過(guò)表4 配合比進(jìn)行混凝土制備，得出混凝土拌合物工作性能、實(shí)際用水量及其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表5（混凝土養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)養(yǎng)，成型方式為振動(dòng)結(jié)合插搗成型）。

表5 混凝土拌合物試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)容重對(duì)原配合比進(jìn)行修正，實(shí)際配合比見(jiàn)表6。

表6 實(shí)際配合比 kg/m3

試驗(yàn)表明，以上各配合比其力學(xué)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(chǔ)料倉(cāng)、上料倉(cāng)應(yīng)清潔無(wú)其余雜質(zhì)。

由于重混凝土的容重高，混凝土生產(chǎn)攪拌方量不應(yīng)超過(guò)攪拌主機(jī)設(shè)計(jì)攪拌方量的 50%，每盤攪拌時(shí)間不應(yīng)低于 90s，確保攪拌質(zhì)量良好。

3.4.2 混凝土的運(yùn)輸

（1）重混凝土每車運(yùn)輸量不應(yīng)按照運(yùn)載體積計(jì)算，應(yīng)根據(jù)重混凝土體積換算成質(zhì)量，不得超過(guò)運(yùn)輸車的載重。

（2）混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)該保持罐體轉(zhuǎn)速在4～8r/min，保持重混凝土的勻質(zhì)性。

（3）混凝土運(yùn)輸車運(yùn)輸速度不得超過(guò) 60km/h，確保行車安全。

3.4.3 混凝土的施工

（1）重混凝土的轉(zhuǎn)運(yùn)工具不得超過(guò)額定載重，如三輪翻斗車、吊斗等應(yīng)在額定允許范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸施工。

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

（3）混凝土的模板支設(shè)應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，并充分固定，防止出現(xiàn)漲模現(xiàn)象。

（4）應(yīng)進(jìn)行分層澆筑，每層澆筑厚度不宜超過(guò)300mm，每層振搗時(shí)間不宜小于 10min，以表面不再返漿為準(zhǔn)，并輔以表面振動(dòng)器進(jìn)行振搗。

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

（6）夯實(shí)：分層鋼渣混凝土的厚度要嚴(yán)格控制，必須進(jìn)行夯實(shí)，且夯實(shí)時(shí)不得漏夯，尤其是結(jié)構(gòu)的死角，若不能用打夯機(jī)施工，現(xiàn)場(chǎng)制作一混凝土夯塊，人工手夯。填到最上層時(shí)，進(jìn)行加密夯實(shí)，增加鋼渣混凝土的強(qiáng)度和壓實(shí)度。

3.4.4 混凝土的養(yǎng)護(hù)

（1）混凝土澆筑完畢，應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于 14d。

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

3.4.5 混凝土的結(jié)構(gòu)檢查

（1）重混凝土的結(jié)構(gòu)檢查一般以對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、裂縫觀測(cè)檢查為主，確保結(jié)構(gòu)的整體完整性。

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

4 數(shù)據(jù)分析及解決的關(guān)鍵問(wèn)題

在本技術(shù)的配合比設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)振搗被“擠出”，因此其最終容重與設(shè)計(jì)不同，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮到這一問(wèn)題，因此通過(guò)試拌確定了兩個(gè)不同用水量的大概范圍，然后通過(guò)配合比試驗(yàn)最終確定混凝土的配合比。

5 總體性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)的比較

目前國(guó)內(nèi)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(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，可采用重晶石、鋼渣粉等材料進(jìn)行生產(chǎn)。但是當(dāng)混凝土容重超過(guò) 3500kg/m3時(shí)，通常采用鐵球結(jié)合重晶砂的辦法進(jìn)行配制，這種方法的缺點(diǎn)是很容易出現(xiàn)骨料分層，導(dǎo)致重混凝土的容重與配合比設(shè)計(jì)時(shí)的容重存在較高誤差。在容重 4500kg/m3的重混凝土配合比設(shè)計(jì)選擇的篩選鋼砂作為容重的“主要貢獻(xiàn)者”，鐵礦石粉彌補(bǔ)膠凝材料較少導(dǎo)致混凝土和易性稍差的缺陷，鐵礦石作為調(diào)整容重，并承擔(dān)混凝土骨架的作用，很好地解決了容重超過(guò) 3500kg/m3時(shí)出現(xiàn)的離析分層問(wèn)題。

6 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及成熟度及推廣應(yīng)用前景

6.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

6.1.1 先行試拌確定大概配合比

通過(guò)先行試拌可確定重混凝土中實(shí)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(shí)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(lái)了很大的困難，往往使設(shè)計(jì)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(shí)際用水量很好地解決了這一問(wèn)題。

6.1.2 利用較細(xì)的赤鐵礦屑提高重混凝土的和易性

重混凝土骨料本身強(qiáng)度大、密實(shí)度高，膠凝材料用量比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土要少。另外，如果其膠凝材料用量過(guò)高必然會(huì)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(dǎo)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(xì)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(biāo)。

6.1.3 利用膨脹劑的微膨脹效應(yīng)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(gè)重混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，抑制混凝土在使用過(guò)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 分層澆筑法確保混凝土密實(shí)

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

6.2 技術(shù)成熟度

臨沂市頤高上海街二期地下車庫(kù)抗浮設(shè)計(jì)采用 C30重混凝土，設(shè)計(jì)容重 4500kg/m3，施工后經(jīng)檢測(cè)，混凝土容重為 4510kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度為 35.4MPa，整體性良好，無(wú)裂縫變形情況。

6.3 推廣應(yīng)用前景

重混凝土在抗浮、防輻射領(lǐng)域有著突出的優(yōu)勢(shì)，是一種不可代替的高性能混凝土。通過(guò)本項(xiàng)目，在重混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工方面均有了較好地經(jīng)驗(yàn)和完善的配合比設(shè)計(jì)體系，改變了傳統(tǒng)的重混凝土配合比設(shè)計(jì)不斷摸索并且很難達(dá)到容重設(shè)計(jì)要求的方法。本設(shè)計(jì)充分考慮了混凝土實(shí)際用水和拌合用水的差異，使重混凝土的配合比設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，為重混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了條件。

7 存在的問(wèn)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(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損嚴(yán)重，影響機(jī)械設(shè)備正常的使用壽命。

（2）重混凝土在容重超過(guò) 4500kg/m3時(shí)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸容易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象，僅依靠攪拌運(yùn)輸車的旋轉(zhuǎn)攪拌，對(duì)其工作性能的改善不大。

8 研究結(jié)論

在重混凝土的設(shè)計(jì)、施工中容重的核準(zhǔn)是其中的難點(diǎn)，往往在施工完成后檢測(cè)其容重都略低于設(shè)計(jì)容重，本技術(shù)在充分考慮重混凝土的配合比設(shè)計(jì)、混凝土生產(chǎn)、施工等整個(gè)過(guò)程，認(rèn)為混凝土的拌合用水和實(shí)際用水存在較大差距，并通過(guò)大量試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。因此通過(guò)試拌確定實(shí)際用水量和拌合用水量的關(guān)系，在配合比設(shè)計(jì)中作為依據(jù)。

通過(guò)本技術(shù)可以系統(tǒng)地對(duì)不同容重的重混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，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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