抗漂浮重混凝土的配合比设计及应用

时间：2024-09-30

严新华

（临沂天元混凝土工程有限公司，山东临沂 276000）

1 项目研究的意义

重混凝土以其自身抗浮、防辐射的特点在一些结构部位中有着不可替代的作用。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产难度较大，给工程设计施工带来很大难度，因此不得不采用抗浮锚杆来做抗浮设计或者采用铅板、钡砂板等作为防辐射设计，增加了工程的施工工序，延长了施工工期，甚至提高了工程造价。通过本技术可以解决容重设计不准确，及容重高出现分层离析的情况。

2 研究方案的设计思想及论证

重混凝土的研究及应用较普通混凝土相比主要难点有两个：（1）如何根据设计容重进行配合比设计；（2）重混凝土的施工工艺。在配合比设计上根据容重进行原材料选择，先行对混凝土进行试拌，观测拌合物的性能，测得相关指标作为依据再进行配合比设计；重混凝土的施工工艺按照分层施工方法进行浇筑施工。

3 研究内容、路线及方法

3.1 钢渣混凝土的主要技术特征

（1）利用经过加工成颗粒级配合适的钢渣作为骨料，与水泥等胶凝材料拌合而成的容重超过 2800kg/m3的混凝土为钢渣混凝土。根据需要研究应用的钢渣混凝土容重达 4500kg/m3。

（2）钢渣混凝土应满足施工对拌合物性能的要求，其力学性能应满足设计要求。

（3）钢渣混凝土容重高，多用于结构配重或者建筑物抗浮设计。

（4）钢渣混凝土可在抗浮设计的建筑结构中取代抗浮锚杆等结构，减少施工工序，缩短工期。

3.2 材料选用

（1）骨料选用比重合适的铁矿石，结合比重较大的筛选钢渣砂组成合适的级配。

（2）水泥：沂州水泥集团产 P·O42.5 水泥，性能指标见表1。

（3）莒南金源膨胀剂，水中 28d 限制膨胀率0.036%，空气中 21d 限制膨胀率 0.018%。

（4）拌合用水为饮用水。

如无特殊说明本方案所进行的试验均采用以上材料。

3.3 试验试配

3.3.1 配制原则

为保证 4.5 吨钢渣混凝土的顺利施工，本工程提出了如下混凝土配制原则：

（1）钢渣混凝土容重必须满足设计要求，该条为基本原则须严格遵守。

（2）钢渣混凝土抗压强度应满足设计要求，该条为基本原则须严格遵守。

（3）钢渣混凝土的工作性能应满足施工要求，其坍落度应在 120～160mm。

（4）钢渣混凝土的配制应有保证混凝土密实度及抗裂的措施。

表1 水泥的技术指标

3.3.2 配合比设计难点

根据以上配制原则，在本钢渣混凝土的配合比设计中的难点有三个：（1）如何保证混凝土的设计容重达到 4500kg/m3，并以此选择合适的原材料；（2）如何确定钢渣合适的级配，使钢渣密实度达到最佳状态；（3）如何搭配不同比重的骨料，避免重混凝土在运输、施工过程中出现分层离析。

经过反复试验最终选定以赤铁矿石作为粗骨料，筛选钢渣砂作为细骨料。

赤铁矿石（图1）：粒径为 5～31.5mm，表观密度为 4200kg/m3，堆积密度为 2520kg/m3。

赤铁矿屑（图2）：粉末状，细度约为 200 目，表观密度 4200kg/m3，堆积密度为 2610kg/m3。

筛选钢渣砂（图3）：表观密度 6200kg/m3，堆积密度为 3530kg/m3，细度模数为 3.0。

图1 赤铁矿石

图2 铁矿石粉

图3 筛选钢渣砂

3.3.3 配合比设计

因为本重混凝土的配合比设计所选用的骨料在混凝土拌合物中表现的工作性能未知，因此在配合比设计前对重混凝土进行试拌，以便对该混凝土拌合物的工作性能有一个初步的了解，作为配合比设计的依据。

（1）重混凝土的试拌。根据普通混凝土配合比设计规程中的要求，普通 C30 混凝土经计算水泥用量为310kg，用水量为 170kg，重混凝土试拌中水泥用量和用水量采用普通混凝土的用量；采用钢渣砂 2500kg，赤铁矿石 1000kg，矿屑 520kg，矿屑矿石比例为1∶1.92。具体试拌配合比见表2。

表2 试拌配合比

测得该试拌混凝土坍落度为 160mm，容重为4090kg/m3，坍落度满足施工要求。经振动、插捣使其密实后，清理浮浆 6.1kg，烘干后为 3.62kg，浮浆中水的含量为 2.48kg，初步分析钢渣砂、铁矿石、赤铁矿屑比重大，大量自由水被“挤出”混凝土，因此该自由水体积不能计入重混凝土，经计算实际存在于混凝土中的水为 70.8kg。按照混凝土的实际配合比试拌（详见表3），对该重混凝土进行含气量检测试验，其含气量为5.9%。

（2）配合比设计方案的选择。

本钢渣混凝土的容重达到 4500kg/m3，骨料成分特殊，属于特种混凝土，在配合比设计上与普通混凝土不同，考虑其容重指标为首先必须满足的要素，因此采用绝对体积法作为配合比设计方法。

为保证重混凝土内部密实，采用掺加膨胀剂的方法，增强其体积稳定性，防止完成的重混凝土部位出现微裂缝，使可能含有酸性离子或其他有腐蚀性成分的废水渗入混凝土内部，产生体积变形。

（3）以重混凝土含气量为 6%，水泥用量 310kg、实际含水 70kg 计算，推定以绝对体积法进行配合比设计，则设计容重 mcp=4500/(1-6%)=4787(kg/m3)。

式中：

mcp——设计容重，kg/m3；

mss——每立方混凝土中钢渣砂的质量，kg；

mio——每立方混凝土中铁矿石和赤铁矿屑的质量，kg；

mw——每立方混凝土中水的质量，kg。

（4）由于赤铁矿石和赤铁矿屑表观密度均为4200kg/m3，两者共同质量作为 mio，筛选钢砂表观密度 6200kg/m3，P·O42.5 水泥、UEA 膨胀剂表观密度3100kg/m3，

联立形成方程式：

表3 试拌混凝土实际配合比及指标

由 ① 式和 ② 式联合解得

（5）根据以上求得赤铁矿石和赤铁矿屑总量为1409kg，按照试拌配合比中的矿石和矿屑比例 1.92 为基准，各上下浮动 0.05、0.10、0.15 进行配合比试验，拌合用水量按照 170kg 进行试配。

表4 试验配合比 kg/m3

通过表4 配合比进行混凝土制备，得出混凝土拌合物工作性能、实际用水量及其抗压强度，结果见表5（混凝土养护条件为标养，成型方式为振动结合插捣成型）。

表5 混凝土拌合物试验结果

根据实际检测容重对原配合比进行修正，实际配合比见表6。

表6 实际配合比 kg/m3

试验表明，以上各配合比其力学性能、工作性能均能满足要求，考虑原材料成本，选择配合比 7 作为施工配合比。

3.4 施工工艺

3.4.1 重混凝土的生产

赤铁矿石、赤铁矿屑及筛选钢砂的储料仓、上料仓应清洁无其余杂质。

由于重混凝土的容重高，混凝土生产搅拌方量不应超过搅拌主机设计搅拌方量的 50%，每盘搅拌时间不应低于 90s，确保搅拌质量良好。

3.4.2 混凝土的运输

（1）重混凝土每车运输量不应按照运载体积计算，应根据重混凝土体积换算成质量，不得超过运输车的载重。

（2）混凝土在运输过程中应该保持罐体转速在4～8r/min，保持重混凝土的匀质性。

（3）混凝土运输车运输速度不得超过 60km/h，确保行车安全。

3.4.3 混凝土的施工

（1）重混凝土的转运工具不得超过额定载重，如三轮翻斗车、吊斗等应在额定允许范围内进行运输施工。

（2）浇筑前插入式振捣器若干，表面振动器若干及蛙式打夯机，接入水管备用，浇筑基底清理干净。

（3）混凝土的模板支设应经设计验算，并充分固定，防止出现涨模现象。

（4）应进行分层浇筑，每层浇筑厚度不宜超过300mm，每层振捣时间不宜小于 10min，以表面不再返浆为准，并辅以表面振动器进行振捣。

（5）每层振捣完成后应清除上浮泥浆，然后进行下一层的施工，可有效保证混凝土的容重。

（6）夯实：分层钢渣混凝土的厚度要严格控制，必须进行夯实，且夯实时不得漏夯，尤其是结构的死角，若不能用打夯机施工，现场制作一混凝土夯块，人工手夯。填到最上层时，进行加密夯实，增加钢渣混凝土的强度和压实度。

3.4.4 混凝土的养护

（1）混凝土浇筑完毕，应及时养护，养护时间不得少于 14d。

（2）浇筑后的重混凝土应采用覆盖、洒水、喷雾、喷养护剂或用薄膜保湿等养护措施。

3.4.5 混凝土的结构检查

（1）重混凝土的结构检查一般以对结构的变形、裂缝观测检查为主，确保结构的整体完整性。

（2）重混凝土试块的留置不应使用 100mm×100mm×100mm 的试件，建议使用 200mm×200mm×200mm 的试件，以提高其准确度。

4 数据分析及解决的关键问题

在本技术的配合比设计中选用的配合比为水泥266kg、膨胀剂 26kg、筛选钢砂 2824kg、赤铁矿石887kg、赤铁矿屑 439kg、水 160kg；拌合物总重为4602kg，实际完成施工其容重为 4510kg。究其原因，就是一大部分的自由水在高密度的原材料中经过振捣被“挤出”，因此其最终容重与设计不同，在配合比设计时考虑到这一问题，因此通过试拌确定了两个不同用水量的大概范围，然后通过配合比试验最终确定混凝土的配合比。

5 总体性能指标与国内外同类先进技术的比较

目前国内容重大于 2800kg/m3的混凝土均可称为重混凝土，在容重 3500kg/m3以下的重混凝土技术相对来说比较成熟，可采用重晶石、钢渣粉等材料进行生产。但是当混凝土容重超过 3500kg/m3时，通常采用铁球结合重晶砂的办法进行配制，这种方法的缺点是很容易出现骨料分层，导致重混凝土的容重与配合比设计时的容重存在较高误差。在容重 4500kg/m3的重混凝土配合比设计选择的筛选钢砂作为容重的“主要贡献者”，铁矿石粉弥补胶凝材料较少导致混凝土和易性稍差的缺陷，铁矿石作为调整容重，并承担混凝土骨架的作用，很好地解决了容重超过 3500kg/m3时出现的离析分层问题。

6 技术创新点及成熟度及推广应用前景

6.1 技术创新点

6.1.1 先行试拌确定大概配合比

通过先行试拌可确定重混凝土中实际用水量的范围，重混凝土中的水分很容易随着混凝土的振捣密实而流失，而这一部分水在重混凝土中还占着很大一部分的体积，这给确定重混凝土的用水量带来了很大的困难，往往使设计的容重与最终容重存在较大差距，先行试拌确定大概配合比和实际用水量很好地解决了这一问题。

6.1.2 利用较细的赤铁矿屑提高重混凝土的和易性

重混凝土骨料本身强度大、密实度高，胶凝材料用量比同强度等级的普通混凝土要少。另外，如果其胶凝材料用量过高必然会影响整体容重，因此重混凝土中胶凝材料用量一般偏低，这就导致重混凝土的和易性往往较差，从而出现离析分层的情况。利用较细的赤铁矿屑增加混凝土中浆体的含量，改善了混凝土的和易性，不仅使工作性能得到了改善，还有效地保证了重混凝土的容重指标。

6.1.3 利用膨胀剂的微膨胀效应改善了重混凝土的耐久性

重混凝土的骨料中含有大量铁元素，容易受周围环境酸碱度变化的影响，加入膨胀剂可以使整个重混凝土内部产生膨胀应力，抑制混凝土在使用过程中产生的裂缝及变形，从而提高混凝土的耐久性。

6.1.4 分层浇筑法确保混凝土密实

以每层浇筑厚度不超过 300mm 为原则，分层浇筑、分层振捣确保混凝土的密实度满足容重要求。

6.2 技术成熟度

临沂市颐高上海街二期地下车库抗浮设计采用 C30重混凝土，设计容重 4500kg/m3，施工后经检测，混凝土容重为 4510kg/m3，混凝土抗压强度为 35.4MPa，整体性良好，无裂缝变形情况。

6.3 推广应用前景

重混凝土在抗浮、防辐射领域有着突出的优势，是一种不可代替的高性能混凝土。通过本项目，在重混凝土的配合比设计及施工方面均有了较好地经验和完善的配合比设计体系，改变了传统的重混凝土配合比设计不断摸索并且很难达到容重设计要求的方法。本设计充分考虑了混凝土实际用水和拌合用水的差异，使重混凝土的配合比设计更加准确，为重混凝土在结构中的应用提供了条件。