【工程档案】自密实混凝土在南水北调二衬结构中的应用
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第3期
自密实混凝土在南水北调二衬结构中的应用
陈龙，李洪萍，郭强
［摘 要］本文主要以北京市南水北调配套工程东干渠亦庄调节池扩建工程第四标段工程项目二衬结构为例，通过优化混凝土配合比，使其具备混凝土流动度 2 小时无损失、免振捣浇筑的工作性能来解决从出口至浇筑点约 550m，因运距长需采取小罐车二次倒运泵送施工的难题。依据自密实混凝土的主要技术指标，制定出使用优选原材料进行生产，来提高混凝土工作性和减少浇筑时间保证质量的技术路线。经过原材料选优和严格的反复比对试验最终配制的自密实混凝土完全满足设计和施工现场的要求。优化后的自密实混凝土配合比在南水北调二衬结构中进行应用，保质保量地顺利完成了四标段二衬结构工程任务，为以后在建筑工程中自密实混凝土的应用积累了宝贵的实践经验。
［关键词］自密实混凝土；二衬；抗冻抗渗；南水北调；施工技术
0 引言
随着近几十年来我国经济的快速发展，出现了很多更具规模和功能性的建筑工程。对我国民生有较大影响力的建筑工程中，南水北调工程所起的作用毋庸置疑。在南水北调的工程建设中，自密实混凝土得到了深度扩展，其中主要应用了大量的抗冻抗渗自密实混凝土。为了保证水利工程主要输水线路结构的密实度，提高长期抗冻抗渗等耐久性，延长使用寿命起到了至关重要作用，同时对自密实混凝土的工作性提出了新的要求，需要同时解决混凝土流动性、抗离析性、填充性与二次倒运坍落度损失快而容易造成实体外观质量缺陷的矛盾。在南水北调这类水利工程中不仅从混凝土配合比设计上进行优化，还需尽可能的通过外加剂调整降低混凝土坍落度损失，来实现自密实混凝土的良好工作性和长期耐久性。本文通过自密实混凝土在南水北调水利工程中的应用实践，进一步丰富自密实混凝土在建筑工程中的应用经验。
1 工程概述
北京市南水北调配套工程东干渠亦庄调节池扩建工程施工第四标段位于北京市东南部南海子郊野公园东侧，调节池总调节容积260万 m
第四标段主要包括调节池池体工程、池体挡墙工程、2#退水溢流口工程、2#退水溢流管工程（分为管线明挖段和浅埋暗挖段）、2#退水溢流管出口结构、灌溉工程等施工内容。经研究决定，在浅埋暗挖段浇筑自密实混凝土来满足施工技术要求和进度周期。
2 南水北调自密实混凝土的主要性能和配合比设计技术路线
2.1 自密实混凝土主要性能
在我国混凝土高速发展的过程中，具有功能性的混凝土建筑日渐突出，自密实混凝土更是得到了广泛应用，其本身具有均匀性、密实性和免振捣的特点，方便了有较大施工难度的结构工程。混凝土的性能是决定施工质量效果的内在因素和前提条件。根据我公司以往生产自密实混凝土的经验，结合南水北调的工程施工特点，满足二次倒运、免振捣的自密实混凝土主要性能如下：
（1）工作性能：混凝土出机坍落度220～260mm；扩展度650～750mm；T50坍落扩展时间3～20s；V漏斗通过时间7～25s；U型箱320mm。要求混凝土具有良好的保水性、抗离析性、填充性，黏聚性适中，富有光泽感，呈现均匀、大流动性状态，易于泵送，保证在免振捣状态下混凝土的自流、密实性。
（2）倒运性能：要求2h内混凝土没有损失，2～3h扩展度不小于650mm。自密实混凝土通过大罐车自卸3m³进入小罐车，小罐车进入隧洞行驶450mm（随着工程进度会逐步缩短），通过小型泵车进行泵送（倒运时间5～8分钟），混凝土未出现石子下沉现象，流动性良好。
（3）力学性能：满足C30W6F150自密实混凝土配制强度38.2MPa的要求。
（4）耐久性能：含气量控制在(5.0±1.0)%内，混凝土氯离子含量＜0.06%，单方混凝土碱含量3.0kg；硬化混凝土的电通量＜1000C，混凝土的体积收缩小，达到结构防水抗渗等级W6要求，耐久性良好。
2.2 自密实混凝土配合比设计技术路线
根据现场施工特点和图纸技术要求，配制的混凝土精心选择了高品质混凝土原材料。配合比设计采用优质矿物掺合料粉煤灰、矿渣粉+聚羧酸高性能减水剂+引气剂的方法，提高单位用水量，降低外加剂掺量，高水粉比改善了混凝土流动性、提高了混凝土的耐久性，通过试验对比选定合适的水胶比，确定聚羧酸高性能减水剂和引气剂的最佳掺量，以及粉煤灰和矿渣粉的合理掺量，使之满足自密实混凝土现场施工要求和质量保证。
3 原材料的选择和配合比的设计及选定
3.1 原材料选用
依据《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283—2012要求优选原材料，结合我公司以往生产自密实混凝土的经验，需要各项原材料的性能稳定、适应性良好，才能保证自密实混凝土的良好工作性及实体拆模光滑密实。
（1）水泥
选用水泥需要颜色均匀稳定、碱含量小于 0.6%，CA含量、游离的CaO和MgO量较低，符合《通用硅酸盐水泥》GB 175—2017的现行国家标准，可提高混凝土的延伸性和控制碱含量。水泥要求强度富余系数大、活性好、标准稠度用水量低并且与外加剂的适应性良好。本工程选用的是唐山弘也水泥有限公司的PO42.5普通硅酸盐低碱水泥。
（2）减水剂
聚羧酸减水剂是迄今为止技术性能最好的减水剂，对混凝土的工作性能起到可调节的作用，能防止混凝土坍落度损失快而出现快速初凝的现象，低掺量下发挥较高的塑化效果，流动性保持性好，能降低混凝土收缩，具有良好的综合技术性能优势及环保特点。本工程外加剂更需要具备包坍性好、与水泥适应性强、混凝土收缩小等特点。选用了YG-1聚羧酸高性能减水剂标准型。
（3）引气剂
特殊混凝土中掺入适量引气剂，可改善混凝土拌合物和易性、保水性和黏聚性，提高混凝土流动性。其中引入的大量小气泡均匀分布在混凝土结构中，因其结构好、半径小、抗冻指标高，可提高混凝土的耐久性，同时混凝土的强度和耐磨性会有所降低。自密实混凝土中掺入适量引气剂，可减少混凝土泌水和离析现象，提高混凝土的匀质性，延长工程使用寿命。但对混凝土含气量的控制很重要。选用了北京市建筑工程研究院有限公司的ANI型引气剂。
（4）掺合料
优质的掺合料在配制特殊混凝土过程中是必不可少的重要原材料。优质的F类I级粉煤灰，不仅可以减少混凝土中水泥用量及减少水化热、热能膨胀性，而且可以改善混凝土的和易性，增强混凝土的可泵性，减少混凝土的徐变，提高混凝土的抗渗能力。粉煤灰中的微珠颗粒具有较强的润滑作用可改善自密实混凝土的流动性，提高密实度，填充在水泥颗粒之间，减少填充水增加混凝土的强度。出于对节能环保的考虑，选用天津军粮城发电有限公司生产的F类I级粉煤灰。
较好的矿渣粉活性可提高混凝土的抗渗性能和抗氯离子扩散性能，并可提高混凝土耐硫酸盐侵蚀性能，降低混凝土水化热，抑制混凝土碱骨料反应，这对于有抗渗抗冻要求的混凝土很重要。本工程优选三河兴达开元建材有限责任公司生产的S95级矿渣粉。
（5）骨料
依据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52—2006的现行标准，粗骨料优先选用5～16mm的低碱连续级配的山碎石。含泥量不大于 0.3%，泥块含量为0%，针状和片状颗粒含量不大于10%。因考虑到混凝土的流动性，所以所选用的石子形状圆润均匀最好。细骨料选用质地坚硬、级配良好的B类低碱活性天然中砂。通过0.300mm筛孔的砂不少于 15%，其含泥量不大于2.8%，泥块含量为0%，氯离子含量不大于0.06%，细度模数：2.3～3.1。这些指标对混凝土的流动性和耐久性至关重要。
（6）拌合用水
来自生活用自来水厂的饮用水，符合《混凝土用水标准》JGJ 63—2006 规定和要求。
3.2 配合比的设计及选定
北京市南水北调配套工程的主要特点是蓄水量大对混凝土抗渗性能有很高的要求，实体表面不能出现裂缝。自密实混凝土具有良好的稳定性，浇筑前后均不离析、不泌水，粗细骨料均匀分布，保持了混凝土结构的匀质性，使水泥石与骨料、混凝土与钢筋具有良好的黏结，保持混凝土的耐久性。本文主要是针对自密实混凝土免振捣的特点，从材料和混凝土和易性及较好的流动密实度相关技术指标来选用最佳配合比。要保持混凝土具有良好的稳定性，粉体含量是关键。水胶比控制上，增加用水量，虽然会增大流动度，但黏性降低。混凝土的用水量应控制在150～200kg/m之间。具体配合比见表1。依据《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283—2012和《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330—2015，我们从材料本身性质和已有经验考虑，对水胶比0.40、0.42和0.44，不同的胶材总量，不同的粉煤灰、矿渣粉掺量，进行对比试验，砂率根据工作性调整，调整减水剂用量使出机扩展度保持在650～750mm，并监测损失情况，结果见表2。
从表2可以看出，3组配合比都具有很好的流动性，但是从整体性能上看A1的填充性能弱，混凝土底部有粘黏，不利于混凝土流动，对自密实混凝土的外观质量会有影响；A3出机状态不错，但是2h经时损失严重，相对现场2～3小时的施工时间，混凝土工作性不好，实体质量无法保证。最后优选出水胶比0.42的A2配合比作为自密实的基准配合比。
4 自密实混凝土在二衬中的质量控制
南水北调配套工程第四标段的浅埋暗挖段隧洞二衬在模板顶部、斜上方45预留浇筑口。施工分为两部分，先浇筑二衬中上部，待另一边45预留小口出浆后，关闭两端浇筑预留口，接着浇筑顶部，待顶部预留口出浆后停止浇筑。二衬结构钢筋剖析图见图1所示。在整个浇筑过程中混凝土入模后的坍落度控制在240～ 260mm，扩展度控制在 650～750mm， 流动快、流面广，浇筑全过程免振捣，在底部和中部用橡胶棒适当敲打模板，以使整个二衬的光滑、密实。若坍落度太小，混凝土容易堆积在两边，造成底部不密实，形成孔洞。所以混凝土的流动性、填充的密实性，以及坍落度损失小显得格外重要，成为浇筑过程的核心。
混凝土质量生产控制：首先试验员对砂石及粉料进行批量入场检查；其次由质检开盘和试验员进行首盘自密实混凝土的工作性能试验，为了节省时间可同时进行两项或三项试验，在此过程中发现混凝土工作性指标不能满足要求时，及时进行调整并反馈给质检部长，性能试验合格后出厂，整个试验过程控制在10～15分钟完成。
现场施工主要分三部分：首先混凝土到达现场进行混凝土性能试验（图2），记录试验数据为后期配合比优化和施工程序简化都有重要的指导作用，现场混凝土试验过程中发现试验项目严重未达到技术指标范围需进行退场，并通知搅拌站进行调整。其次小罐车装载混凝土，需倒车进入隧道。小型罐车到达指定泵送位置用小型车载泵进行浇筑，需转罐15～20s，防止运输过程中因道路不平而导致石子有部分下沉。混凝土进入料斗后，技术人员观察工作状态并记录运输时间。最后从斜上方45浇筑，另一侧预留口出浆后，关闭浇筑预留口，同时现场施工人员用橡皮锤分段进行敲打，防止局部有大气泡。在浇筑过程中要观察台车是否上浮偏移，控制浇筑速度，通过端头模渗水情况判断仓内液面高度，流动情况。随后接着浇筑顶部，待顶部预留口出浆后，停止浇筑，监督混凝土灌注饱满度，并要注意止水带附近的混凝土振捣。
从现场实体拆模后的情况看，表面未出现大量气泡，实体表面平整度12mm，蜂窝孔洞深度不超过20mm，未出现漏筋现象，钢筋保护层均在规定范围内，混凝土结构重要部位未出现缺损掉角现象。实体部分图见图 3。
5 结论
（1）在自密实混凝土大坍落度、免振捣的施工过程中，将混凝土黏聚性和流动性做到平衡是配合比设计中的另一个特殊指标，有利于提高施工效率，降低生产成本。
（2）自密实混凝土在现代建筑中的广泛应用，对其工作性要求越来越高，应通过严格反复试验来确定最优配合比，并根据现场施工的特殊性，对混凝土工作性能进行调整，才能保证实体质量。
（3）从技术和经济角度来看，优质原材料满足工程的高标准要求，在工程施工中还需要各环节保持同等匹配的高品质施工，才能实现创精品工程的目标。
参考文献
[1] JGJ 52—2011．普通混凝土配合比设计规程[S]．
[2] DL/T 5330—2015．水工混凝土配合比设计规程[S]．
[3] JGJ/T 283—2012．自密实混凝土应用技术规程[S]．
[4] DL/T 5144—2015．水工混凝土施工规范[S]．
[5] JGJ 52—2006．普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准[S]．
供稿人：陈龙，李洪萍，郭强
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
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[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
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