重晶石混凝土拌合物稳定性及补偿措施研究及应用

重晶石混凝土的骨料由重晶石和重晶砂组成，与普通砂石相比，重晶石和重晶砂的表观密度大，因此在新拌混凝土中极易下沉，导致重晶石混凝土密度分布不均匀，从而影响混凝土的强度和防辐射能力。重晶石骨料发生严重下沉现象时因水分向上运动，易使混凝土发生离析和泌水。

重晶石混凝土的稳定性对混凝土质量及建筑质量至关重要，为保障重晶石混凝土的稳定性，目前施工中普遍采用分层浇筑。

高能同步辐射光源项目中，需一次性浇筑4.2?m高的重晶石混凝土锯齿墙，须严格控制重晶石骨料下沉，采取提高重晶石混凝土均匀性的措施，以提高其稳定性，保证工程质量。

1??工程概况

高能同步辐射光源项目（HEPS）是我国“十三五”期间为国家重大战略需求和前沿基础科学研究提供技术支撑的国家重大科技基础设施，该项目建筑面积12.5万 m ² ，主要分为装置区、环外低温厅及综合动力站、技术安全楼、环境监测站。其中装置区为一直径400?m，宽约27?m的圆环 （图1），为产生、加速高品质电子束，并产生同步辐射的装置，一般包含储存环、直线加速器、增强器和输运线。

图1??加速器平面示意

增强器及储能环防辐射隧道环状重晶石混凝土锯齿墙高4.2?m，厚度为0.7?m，0.8?m和1?m。重晶石混凝土的强度等级为C30，密度不小于3.4?t/m ³ ，共5?500?m ³ 。混凝土内掺加抗裂膨胀剂及高效减水剂，按设计要求膨胀混凝土水中养护14?d的限制膨胀率不小于0.015%，限制干缩率不大于0.030%，终极收缩值不大于 0.000?2。

2??施工难点

本工程重晶石混凝土体量大，锯齿墙采用一次性泵送4.2?m高重晶石混凝土的施工方式，其施工难点为：重晶石墙为超长环状大体积不规则锯齿墙，且锯齿墙位于刚度大的底板上，易产生裂缝；重晶石混凝土内掺加膨胀剂，对膨胀率和终极收缩值要求严格；为保证混凝土均匀性，对原材料要求较高 ；一次性浇筑4.2?m高重晶石混凝土锯齿墙，骨料极易下沉；重晶石混凝土锯齿墙在冬季施工，养护难度大。

3??混凝土原材料

（1）水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

（2）粉煤灰：内蒙古上都发电有限责任公司F类Ⅱ级粉煤灰。

（3）矿粉：唐山产S95粒化高炉矿渣粉。

（4）重晶石骨料：设计骨料级配时，基于混凝土的最大密度法，根据富勒的连续级配理论，并兼顾混凝土的流动性和均匀性，配制六级配重晶石骨料，使骨料堆积密度大、空隙率小。

（5）膨胀剂：天津产CSA Ⅰ型膨胀剂。

（6）防冻剂：河北产防冻剂。

4??试验概况

4.1??相对沉降系数试验

相对沉降系数是指在一定体积内，经插捣并待混凝土拌合物各组分基本稳定后，重晶石混凝土各部分的表观密度与最上部表观密度之间的比值。相对沉降系数越小，重晶石混凝土的均匀性越好。

基于相对沉降系数试验探究用水量对重晶石混凝土的影响，根据重晶石混凝土粗骨料易下沉的特性，提出“粗骨料填充法”，即在重晶石混凝土浇筑过程中，在结构中上部固定位置撒入重晶石粗骨料，振捣后继续浇筑上层重晶石混凝土。该试验也用于探究“粗骨料填充法”对重晶石混凝土均匀性的影响。

试验配合比见表1。

表1??相对沉降系数试验配合比    kg/m ³

注：序号4采用粗骨料填充法。

4.1.1??试验仪器

试验采用上、中、下体积相等的、直径为150?mm，高为300?mm的击实筒（图2）进行相对沉降系数试验。

图2??击实筒

4.1.2??试验方法

（1）称量击实筒总重量，以及每层击实筒的 重量。

（2）配制重晶石混凝土，其拌合物坍落度为200?mm。

（3）将新拌重晶石混凝土分3次从击实筒中心装入，每层高度为击实筒的三分之一，每装入一层重晶石混凝土拌合物后，用捣棒插捣25次。

（4）击实筒装满后抹平表面，擦去筒外围的浆 体，称量其总重量。

（5）提起最上层击实筒，切去上部的重晶石混凝土，将下部击实筒表面抹平，进行称量。

（6）提起中部击实筒，切去中部的重晶石混凝 土，将最下层击实筒表面抹平，称量。

（7）计算每层重晶石混凝土的质量，得到相对沉降系数。

重晶石混凝土拌合物相对沉降系数取2次试验结果的平均值，精确至0.01。若2次试验结果之差的绝对值超过平均值的2.0%，应重新试验。

4.2??粗骨料沉降试验

为保证重晶石混凝土的均匀性，提出“粗骨料填充法”。探究重晶石粗骨料和普通石子在不同坍落度的重晶石混凝土及普通混凝土中的沉降情况，分析重晶石粗骨料的特性及重晶石混凝土的均匀性，采用重晶石粗骨料沉降情况评价混凝土的均匀性，并提出提高混凝土均匀性的技术措施。粗骨料沉降试验配合比见表2。

表2??粗骨料沉降试验配合比        kg/m ³

注：水均为100?kg/m ³ ，水泥均为241?kg/m ³ ，粉煤灰均为41?kg/m ³ ，矿粉均为60?kg/m ³ ，膨胀剂均 为30?kg/m ³ 。

4.2.1??试验模具

采用直径150?mm、高300?mm的圆柱形模具 （图3）。

图3??粗骨料沉降试验模具

4.2.2??试验方法

（1）将粗骨料染色，重晶石粗骨料染成白色，普通石子染成红色。

（2）对重晶石粗骨料和普通石子分别进行筛 分，分为5~15?mm的小粒径粗骨料和16~25?mm的大粒径粗骨料。

（3）配制混凝土，混凝土成型后立即撒入不同粒径的重晶石粗骨料和普通石子，使石子上边缘与混凝土表面平齐。

（4）观察粗骨料撒入后的沉降情况。

（5）测量混凝土成型7?d后不同粗骨料的最大沉降值，对沉降小的粗骨料可用直尺直接测量，对沉降大的粗骨料劈裂后进行测量（图4）。

（a）

（b）

图4??粗骨料沉降测量

（a）直尺测量；（b）劈裂后测量

5??试验结果

5.1??相对沉降系数试验

相对沉降系数试验结果见表3。

表3??相对沉降系数试验结果

在坍落度较大的情况下，因用水量过小，浆骨比也较小，浆体难以包裹骨料，粗骨料极易下沉，重晶石混凝土中部和下层的相对沉降系数最大；混凝土用水量处于最佳值时，浆体对骨料的包裹性最好，相对沉降系数最小；用水量过大时浆体过多，会增大相对沉降系数。采用“粗骨料填充法”，可显著降低相对沉降系数，提高重晶石混凝土的均匀性。

5.2??粗骨料沉降试验

粗骨料沉降试验结果见表4。

表4??粗骨料沉降试验结果         cm

在重晶石混凝土中，大粒径重晶石的沉降最大，小粒径重晶石沉降大于大粒径普通石的沉降，小粒径普通石则不发生沉降。随重晶石混凝土拌合物坍落度增大，骨料沉降量也增大。

因此，在满足泵送要求的条件下，重晶石混凝土的坍落度越小越好。坍落度为200?mm时，同种骨料在重晶石混凝土中的沉降大于在普通混凝土中的沉降，说明坍落度对重晶石混凝土均匀性的影响较大，需严格控制重晶石混凝土的坍落度，且应小于普通混凝土要求的坍落度。重晶石混凝土坍落度小于170?mm时，均匀性较好；坍落度大于170?mm时，可采用“粗骨料填充法”，提高重晶石混凝土的均匀性。

6??工程应用

高能同步辐射光源项目中，重晶石混凝土的用水量为160?kg/m ³ ，混凝土拌合物坍落度控制为160±20?mm。

采用“粗骨料填充法”，先在锯齿墙2.8?m高处撒布重晶石，撒布量为2~3?kg/m ² ，振捣10?s，振捣棒插入深度为200?mm；待墙体顶部浇筑完毕后，再撒布一次重晶石骨料。重晶石混凝土28?d龄期后，检查锯齿墙实体的均匀性。具体做法是在距墙体底部和顶部各500?mm位置钻芯取样，样品直径为92?mm，如图5所示。测得上、下层重晶石混凝土样品表观密度比值为1∶1.001，表明均匀性良好。

（a）

（b）

图5??重晶石混凝土钻芯取样

（a）取样；（b）钻芯样品

7??结束语

影响重晶石混凝土均匀性的关键因素为用水量和坍落度，重晶石混凝土处于最佳用水量时均匀性最好。在满足泵送要求的条件下，重晶石混凝土坍落度越小均匀性越好。重晶石混凝土坍落度小于170?mm时，均匀性较好；坍落度大于170?mm时，可采用“粗骨料填充法”，提高其均匀性，以保证重晶石混凝土质量的稳定。