【摘 要】 从大体积混凝土原材料研究入手, 针对大体积混凝土实际所处的高温高湿环境, 紧紧围绕如何最大限度地降低水化热, 选取符合实际工程需要的大体积混凝土原材料, 并对大体积粉煤灰混凝土配合比进行设计, 最终得到了满足高温高湿特殊环境要求的大体积混凝土配方.
【关键词】 高温; 高湿; 大体积粉煤灰混凝土; 选材; 配合比; 设计
【中图分类号】 TU 37514 【文献标识码】A 【文章编号】167320704 (2006) 1220073204
1 工程概况
徐州矿务集团三河尖煤矿21102 工作面位于太原组西一、西二采区, 为三河尖煤矿太原组的首采工作面. 2002 年10 月26 日, 该工作面发生底板突水事故, 突水点位于工作面老塘靠运输道附近, 涌水量稳定在1020m 3／h , 水温超过50℃. 为治理水害, 保证矿井安全, 治水方案经多次论证, 决定在21102 工作面的材料道和运输道、自外切眼往里的75m 和20m 处(墙的外壁) 分别施工水闸墙, 水闸墙内预埋引水管, 实现堵、放相结合的目的, 水闸墙位置在工作面两道内距离屯头系运输下山约100m 的半煤岩巷道内, 如图1 所示.
根据徐州矿务集团设计研究院的水闸墙设计, 混凝土采用泵送混凝土, 设计强度为C25, 按C28 施工. 水闸墙段巷道均采用锚喷支护, 并采用壁后注浆的方式加固围岩, 壁后注浆终压为9. 00M Pa. 运输道和材料道的水闸墙均长64m , 纵向分为三部分: 里加固段、主体墙段和外加固段, 如图2 所示. 里加固段长30m , 混凝土厚400mm; 主体墙段均为多楔倒锥形钢筋混凝土结构, 长为24m , 分为3 段, 仅在混凝土四周和前后布设钢筋网; 外加固段长lOm, 混凝土厚400mm. 其中运输道水闸墙设计承压为8. 32M Pa, 材料道水闸墙设计承压为8. 00M Pa, 两道水闸墙混凝土浇筑总量约为1772m3.
该两道水闸墙具有以下特点:
(1) 承压高达8. 32M Pa, 为国内罕见;
(2) 砌筑在煤巷内, 对墙体的防渗、防漏要求高;
(3) 高水温, 预计运输巷水温达50℃, 施工难度大;
(4) 工程量大, 混凝土浇筑体积达1772m3.
2 大体积粉煤灰混凝土原材料的选用
(1) 水泥. 大体积混凝土工程宜采用低热水泥, 考虑到实际工程所处的高温高湿高压环境, 水泥采用徐州第二水泥厂生产的32. 5 级普通硅酸盐水泥. 水泥的化学成分和技术性能指标分别见表1 和表2 所示.
表1 普通硅酸盐水泥化学成分
Tab. 1 Chem ical ingredients of common Portland cement
表2 普通硅酸盐水泥性能指标
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强度. 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条件下减少用水量, 降低混凝土的水化热, 防止大体积混凝土开裂. 鉴于此, 本研究采用徐州华润粉煤灰开发公司生产的Ⅱ级优质粉煤灰, 且采用"等量取代法"取代水泥. 粉煤灰质量指标的试验结果见表3 所示, 根据国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596- 91) , 该粉煤灰为Ⅱ 级粉煤灰.
(3) 粗细集料. 配制大体积混凝土拌合物, 必须尽可能减少水的用量, 从而相应地减少水泥用量. 试验表明, 选用较大尺寸的粗集料, 配以两种或更多种较细集料, 可以组成合理级配, 加以捣实后, 产生的密实度接近最大值(最小空隙率) , 从而在给定的水胶比和稠度下, 水和水泥用量两者都有所下降. 天然石子具有很高的强度, 对大体积混凝土来说, 石子本身的强度并不是最重要的, 而粒径、粒形、表面状况、级配以及软弱颗粒
表3 粉煤灰质量指标试验结果
Tab. 3 Test results of quality indexes of fly ash
和石粉含量等因素既影响混凝土的强度又影响新拌混凝土的工作性能. 因此, 理想的石子应是清洁, 颗粒尽量接近等径状, 针、片状颗粒尽量少, 不含能与碱反应的活性组分. 考虑以上各因素, 砂采用徐州邳县产的石英河砂, 其颗粒级配实验结果及其筛分析曲线图分别见表4 和图3 所示, 根据GB／T 14685—93 所提供的标准, 砂的细度模数M X= 2. 40, 级配区Ⅱ区, 为中砂. 石子选用徐州汉王采石厂生产的碎石, 为得到5～ 31.5mm 连续级配碎石, 将5～ 16mm 和16～ 31. 5mm 粒径的碎石各掺50% 进行人工级配, 然后对其进行筛分析试验, 要求符合筛分比标准以减少用水量和水泥用量, 碎石颗粒级配实验结果及其筛分析曲线分别见表5和图4 所示, 根据GB／T 14685—93 所提供的标准, 碎石符合5～ 31. 5 连续级配要求. 而且要严格控制砂、石含泥量, 其含泥量要求分别控制在2% 和1% 以下.
表4 砂颗粒级配实验结果
Tab. 4 Test results of granule series of sand
(4) 减水剂. 在大体积混凝土中, 掺加一定量的引气减水剂, 可降低水泥用量l0%～ 15% , 并可引入3%～ 6% 的空气, 从而改善混凝土拌合物的和易性, 提高混凝土的抗渗性. 鉴于此, 本研究拟采用南京道鹭建设材料厂生产的JM - Ð 高效减水剂, 一般掺量为胶凝材料重量的1. 5%～ 3% , 其减水率可达10% 以上. 减水剂主要检验其减水率, 减水率是指在坍落度相同情况下, 掺外加剂混凝土和基准混凝土单位用水量之差与基准混凝土单位用水量之比. 具体有关物理参数见表6 所示.
表6 JM - Ð 高效减水剂物理参数表
Tab. 6 Physical parameters of JM - Ð additive
3 大体积粉煤灰混凝土配合比设计
(1) 确定配制强度. f cu, 0 = f cu, k + 1. 645R = 28 + 1. 645 × 5 = 36. 225M Pa.
(2) 初步确定水胶比. f ce = Cc／ f ce, g = 1. 13 × 32. 5 = 36. 725;
为保证施工强度选定水胶比0. 43, 满足最大水胶比限值的要求.
(3) 确定每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. 已知碎石最大粒径为31. 5mm , 坍落度为75～ 90mm 时, 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, 为此, 要达到要求的坍落度, 需水量为205 + 5 × 4 = 225kg／m 3. 减水剂的减水率B按15％考虑, 实际用水量为m w a = m w 0 (1 - B) = 225 (1 - 15％ ) = 191kg／m 3.
(4) 确定每m3 混凝土水泥用量, 粉煤灰采用“等量取代法”取代水泥, 暂时假设粉煤灰掺量为30％.
满足耐久性要求.
(5) 计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, 验: 水泥和粉煤灰总量444kg／m 3 大于最小水泥用量300kg／m 3 的要求.
(6) 初步确定砂率. 查表并综合考虑各因素, 得S p = 0. 38.
(7) 计算JM - Ð 高效减水剂用量. m bs = 444 × 1. 5％ = 6. 66kg／m3.
(8) 粗细骨料用量计算. 按重量法, 假定粉煤灰混凝土拌合物表观密度2350kg／m 3.
解得m g 0 = 1063kg／m 3,m s0 = 652kg／m 3.
则理论配合比:m c0∶m f s∶m s0∶m g 0∶m bs∶m w a
311∶133∶652∶1063∶11. 1∶191
4 结论
原材料的研究是确保混凝土优质的前提条件, 从材料的角度出发, 通过对混凝土原材料水泥、粉煤灰、粗细集料及减水剂的化学成分和物理性能进行分析, 选取了适合实际工程高温高湿高压环境需要的混凝土原材料. 然后, 根据有关规范要求, 对大体积粉煤灰混凝土的配方进行设计, 得到了其理论配合比, 为进一步采用正交试验进行优化配方奠定了基础. 高温高湿高压环境下大体积粉煤灰混凝土选材及配合比设计, 为如何确定特殊环境下大体积混凝土的配方积累了一定的经验.
参 考 文 献
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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
