【摘 要】 從大體積混凝土原材料研究入手, 針對大體積混凝土實際所處的高溫高濕環境, 緊緊圍繞如何最大限度地降低水化熱, 選取符合實際工程需要的大體積混凝土原材料, 并對大體積粉煤灰混凝土配合比進行設計, 最終得到了滿足高溫高濕特殊環境要求的大體積混凝土配方.
【關鍵詞】 高溫; 高濕; 大體積粉煤灰混凝土; 選材; 配合比; 設計
【中圖分類號】 TU 37514 【文獻標識碼】A 【文章編號】167320704 (2006) 1220073204
1 工程概況
徐州礦務集團三河尖煤礦21102 工作面位于太原組西一、西二采區, 為三河尖煤礦太原組的首采工作面. 2002 年10 月26 日, 該工作面發生底板突水事故, 突水點位于工作面老塘靠運輸道附近, 涌水量穩定在1020m 3／h , 水溫超過50℃. 為治理水害, 保證礦井安全, 治水方案經多次論證, 決定在21102 工作面的材料道和運輸道、自外切眼往里的75m 和20m 處(墻的外壁) 分別施工水閘墻, 水閘墻內預埋引水管, 實現堵、放相結合的目的, 水閘墻位置在工作面兩道內距離屯頭系運輸下山約100m 的半煤巖巷道內, 如圖1 所示.
根據徐州礦務集團設計研究院的水閘墻設計, 混凝土采用泵送混凝土, 設計強度為C25, 按C28 施工. 水閘墻段巷道均采用錨噴支護, 并采用壁后注漿的方式加固圍巖, 壁后注漿終壓為9. 00M Pa. 運輸道和材料道的水閘墻均長64m , 縱向分為三部分: 里加固段、主體墻段和外加固段, 如圖2 所示. 里加固段長30m , 混凝土厚400mm; 主體墻段均為多楔倒錐形鋼筋混凝土結構, 長為24m , 分為3 段, 僅在混凝土四周和前后布設鋼筋網; 外加固段長lOm, 混凝土厚400mm. 其中運輸道水閘墻設計承壓為8. 32M Pa, 材料道水閘墻設計承壓為8. 00M Pa, 兩道水閘墻混凝土澆筑總量約為1772m3.
該兩道水閘墻具有以下特點:
(1) 承壓高達8. 32M Pa, 為國內罕見;
(2) 砌筑在煤巷內, 對墻體的防滲、防漏要求高;
(3) 高水溫, 預計運輸巷水溫達50℃, 施工難度大;
(4) 工程量大, 混凝土澆筑體積達1772m3.
2 大體積粉煤灰混凝土原材料的選用
(1) 水泥. 大體積混凝土工程宜采用低熱水泥, 考慮到實際工程所處的高溫高濕高壓環境, 水泥采用徐州第二水泥廠生產的32. 5 級普通硅酸鹽水泥. 水泥的化學成分和技術性能指標分別見表1 和表2 所示.
表1 普通硅酸鹽水泥化學成分
Tab. 1 Chem ical ingredients of common Portland cement
表2 普通硅酸鹽水泥性能指標
Tab. 2 Performances of common Portland cement
(2) 粉煤灰. 粉煤灰具有活性, 可代替水泥, 能改善混凝土的粘塑性, 提高混凝土的可泵性, 改善并提高混凝土的后期強度. 以粉煤灰取代部分水泥或集料, 一般都能在保持混凝土原有和易性的條件下減少用水量, 降低混凝土的水化熱, 防止大體積混凝土開裂. 鑒于此, 本研究采用徐州華潤粉煤灰開發公司生產的Ⅱ級優質粉煤灰, 且采用"等量取代法"取代水泥. 粉煤灰質量指標的試驗結果見表3 所示, 根據國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596- 91) , 該粉煤灰為Ⅱ 級粉煤灰.
(3) 粗細集料. 配制大體積混凝土拌合物, 必須盡可能減少水的用量, 從而相應地減少水泥用量. 試驗表明, 選用較大尺寸的粗集料, 配以兩種或更多種較細集料, 可以組成合理級配, 加以搗實后, 產生的密實度接近最大值(最小空隙率) , 從而在給定的水膠比和稠度下, 水和水泥用量兩者都有所下降. 天然石子具有很高的強度, 對大體積混凝土來說, 石子本身的強度并不是最重要的, 而粒徑、粒形、表面狀況、級配以及軟弱顆粒
表3 粉煤灰質量指標試驗結果
Tab. 3 Test results of quality indexes of fly ash
和石粉含量等因素既影響混凝土的強度又影響新拌混凝土的工作性能. 因此, 理想的石子應是清潔, 顆粒盡量接近等徑狀, 針、片狀顆粒盡量少, 不含能與堿反應的活性組分. 考慮以上各因素, 砂采用徐州邳縣產的石英河砂, 其顆粒級配實驗結果及其篩分析曲線圖分別見表4 和圖3 所示, 根據GB／T 14685—93 所提供的標準, 砂的細度模數M X= 2. 40, 級配區Ⅱ區, 為中砂. 石子選用徐州漢王采石廠生產的碎石, 為得到5～ 31.5mm 連續級配碎石, 將5～ 16mm 和16～ 31. 5mm 粒徑的碎石各摻50% 進行人工級配, 然后對其進行篩分析試驗, 要求符合篩分比標準以減少用水量和水泥用量, 碎石顆粒級配實驗結果及其篩分析曲線分別見表5和圖4 所示, 根據GB／T 14685—93 所提供的標準, 碎石符合5～ 31. 5 連續級配要求. 而且要嚴格控制砂、石含泥量, 其含泥量要求分別控制在2% 和1% 以下.
表4 砂顆粒級配實驗結果
Tab. 4 Test results of granule series of sand
(4) 減水劑. 在大體積混凝土中, 摻加一定量的引氣減水劑, 可降低水泥用量l0%～ 15% , 并可引入3%～ 6% 的空氣, 從而改善混凝土拌合物的和易性, 提高混凝土的抗滲性. 鑒于此, 本研究擬采用南京道鷺建設材料廠生產的JM - Ð 高效減水劑, 一般摻量為膠凝材料重量的1. 5%～ 3% , 其減水率可達10% 以上. 減水劑主要檢驗其減水率, 減水率是指在坍落度相同情況下, 摻外加劑混凝土和基準混凝土單位用水量之差與基準混凝土單位用水量之比. 具體有關物理參數見表6 所示.
表6 JM - Ð 高效減水劑物理參數表
Tab. 6 Physical parameters of JM - Ð additive
3 大體積粉煤灰混凝土配合比設計
(1) 確定配制強度. f cu, 0 = f cu, k + 1. 645R = 28 + 1. 645 × 5 = 36. 225M Pa.
(2) 初步確定水膠比. f ce = Cc／ f ce, g = 1. 13 × 32. 5 = 36. 725;
為保證施工強度選定水膠比0. 43, 滿足最大水膠比限值的要求.
(3) 確定每m 3 混凝土用水量. 按泵送混凝土坍落度的要求, 混凝土拌合物坍落度控制在160 ±10mm. 已知碎石最大粒徑為31. 5mm , 坍落度為75～ 90mm 時, 查表m w 0 = 205kg／m 3, 而且坍落度每增大20mm 用水量增加5kg／m 3, 為此, 要達到要求的坍落度, 需水量為205 + 5 × 4 = 225kg／m 3. 減水劑的減水率B按15％考慮, 實際用水量為m w a = m w 0 (1 - B) = 225 (1 - 15％ ) = 191kg／m 3.
(4) 確定每m3 混凝土水泥用量, 粉煤灰采用“等量取代法”取代水泥, 暫時假設粉煤灰摻量為30％.
滿足耐久性要求.
(5) 計算粉煤灰取代水泥量, 粉煤灰按30％等量取代水泥. m f s = 133kg／m 3, 驗: 水泥和粉煤灰總量444kg／m 3 大于最小水泥用量300kg／m 3 的要求.
(6) 初步確定砂率. 查表并綜合考慮各因素, 得S p = 0. 38.
(7) 計算JM - Ð 高效減水劑用量. m bs = 444 × 1. 5％ = 6. 66kg／m3.
(8) 粗細骨料用量計算. 按重量法, 假定粉煤灰混凝土拌合物表觀密度2350kg／m 3.
解得m g 0 = 1063kg／m 3,m s0 = 652kg／m 3.
則理論配合比:m c0∶m f s∶m s0∶m g 0∶m bs∶m w a
311∶133∶652∶1063∶11. 1∶191
4 結論
原材料的研究是確保混凝土優質的前提條件, 從材料的角度出發, 通過對混凝土原材料水泥、粉煤灰、粗細集料及減水劑的化學成分和物理性能進行分析, 選取了適合實際工程高溫高濕高壓環境需要的混凝土原材料. 然后, 根據有關規范要求, 對大體積粉煤灰混凝土的配方進行設計, 得到了其理論配合比, 為進一步采用正交試驗進行優化配方奠定了基礎. 高溫高濕高壓環境下大體積粉煤灰混凝土選材及配合比設計, 為如何確定特殊環境下大體積混凝土的配方積累了一定的經驗.
參 考 文 獻
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Selection of Ma ter ia l s andM ix Design ofMa ss Fly Ash Concrete
Under High Tempera ture and Hum idity
L IU Zh i2yong(Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China)
【Abstract】 Th is paper startsw ith a study of the raw materials formass concrete, and states that hydra2tion heat should be reduced to the least under the environment of h igh temperature and hum idity, and that theselection of raw materials should be determ ined by p ractical need. The paper also makes a design of them ix ra2tio of mass fly ash concrete, and finally work s out a compounding of mass concrete for environment of h ightemperature and hum idity.
【Key words】 h igh temperature; h igh hum idity; mass fly ash concrete; selection ofmaterials; m ixture ra2tio; design
