黃綿松 李風(fēng)亮 李紅旭

(1.清華大學(xué)水利水電工程系 北京 100084;2.青海省海西州水務(wù)局青海德令哈 817000;3.北京華實水木科技有限公司 北京 100084)

1 引言

窄口水庫位于河南省靈寶市南23km處,是黃河支流弘農(nóng)澗河中游的一座大 (Ⅱ)型水庫。水庫控制流域面積903km2,總庫容1.85億m3,最大壩高77m,主要建筑物有大壩、主溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、灌溉 (發(fā)電)洞、水庫電站等六大主體。其中水庫泄洪洞長約300m,外洞徑3.4m,襯砌厚度0.15m,且豎井垂直高度達(dá)到70m,是典型的狹小空間,復(fù)雜地形的隧洞襯砌工程。泄洪洞襯砌層厚度薄配筋密,鋼筋間隙最小處僅有5cm,采用常規(guī)混凝土進(jìn)行澆筑時難以振搗密實。

自密實混凝土 (Self-Compacting Concrete,簡稱SCC)上世紀(jì)80年代由日本東京大學(xué)的崗村甫教授研制成功,它是指在澆筑過程中無需施加任何振搗,僅依靠混凝土自重就能完全填充至模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙并且不發(fā)生離析泌水的混凝土。鋼筋密集、有特殊形狀的工程中鋼筋間距較小,使用常規(guī)混凝土?xí)r不易或者不能振搗密實,使用自密實混凝土可以確保建筑物中混凝土的密實。

為了保證窄口水庫泄洪洞襯砌層的澆筑密實,本研究采用北京華實水木科技有限公司設(shè)計的專用自密實混凝土進(jìn)行襯砌層的澆筑,并結(jié)合現(xiàn)場施工情況進(jìn)行施工方案設(shè)計比選,最終成功完成襯砌層的自密實混凝土澆筑,為自密實混凝土技術(shù)在隧洞襯砌工程中復(fù)雜條件下施工提供了寶貴的經(jīng)驗。本文首先對工程中所采用的自密實混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行介紹,然后對窄口工程中進(jìn)行自密實混凝土施工方案進(jìn)行對比分析,最后對自密實混凝土在窄口工程中成功應(yīng)用的經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)。

2 自密實混凝土配合比設(shè)計

2.1 原材料

1)水泥。普通硅酸鹽 42.5水泥 (P.O 42.5);

2)粉煤灰。一級粉煤灰;

3)砂。級配情況較好中砂,表觀密度為2.56g/cm3;

4)石子。石灰石碎石,表觀密度2.75g/cm3;5)減水劑。HS-T自密實混凝土專用外加劑。

2.2 自密實混凝土配合比設(shè)計

2.2.1 傳統(tǒng)的自密實混凝土的設(shè)計思路

自密實混凝土的設(shè)計理念與常規(guī)混凝土最大的差別在于:自密實混凝土在配合比設(shè)計上用粉體取代了相當(dāng)數(shù)量的石子,通過高效減水劑的分散和塑化作用,使?jié){體具有優(yōu)良的流動性和粘聚性,能夠有效的包裹輸運(yùn)石子,從而達(dá)到自密實的效果。圖1將自密實混凝土的配合比與常規(guī)混凝土的組分比例進(jìn)行了比較。

在常規(guī)混凝土的設(shè)計思路中,對工作性能的設(shè)計非常簡單,往往是根據(jù)粗骨料的粒徑查表得到對應(yīng)的用水量,再根據(jù)砂的細(xì)度模數(shù)查表確定砂率,然后通過水灰比公式和自身經(jīng)驗設(shè)計滿足一定強(qiáng)度要求的混凝土,最后利用質(zhì)量法或體積法計算得到所需強(qiáng)度等級和工作度要求的混凝土。這樣的配合比設(shè)計方法在強(qiáng)度上是相對嚴(yán)格的,而對工作性能的控制非常粗糙,檢測手段也非常傳統(tǒng)和單一,僅參考坍落度指標(biāo)。而對自密實混凝土而言,為了保證自密實性能在配合比設(shè)計上對于每方混凝土中砂、石、粉體和水的體積比例控制非常嚴(yán)格,出于準(zhǔn)確和方便的考慮建議使用體積法進(jìn)行自密實混凝土的配合比設(shè)計。

圖1 自密實混凝土的組分比例(需使用高效減水劑)

自密實混凝土的制備會因為材料的差異而對配合比設(shè)計產(chǎn)生較大的影響;也就是說使用不同砂、石、膠凝材料和減水劑的自密實混凝土配合比會有一定的差異。所以不僅不能夠給出一系列通用的配合比設(shè)計,也很難在自密實混凝土的配合比設(shè)計上給出一個既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方法,要想配制出性能與經(jīng)濟(jì)性兩者兼顧的自密實混凝土在實踐中積累是至關(guān)重要的。東京大學(xué)崗村甫教授實驗室經(jīng)過多年研究提出了一整套的自密實混凝土配合比設(shè)計方法,依照這個方法經(jīng)過一定的調(diào)整就能夠制備出性能優(yōu)良的自密實混凝土,它的優(yōu)點(diǎn)在于易于掌握,設(shè)計出來的自密實混凝土性能比較穩(wěn)定;但是,它最大的不足就在于膠凝材料用量過大,往往要使用600kg以上的膠凝材料。崗村教授所提出的自密實混凝土設(shè)計方法可簡要概括為以下幾點(diǎn):

(1)粗骨料的松堆體積占每方混凝土體積的50%;

(2)細(xì)骨料的體積占砂漿體積的40%～42%;

(3)體積水膠比建議為0.9～1.0,具體取決于膠凝材料的組成與性質(zhì);

(4)高效減水劑的摻量則通過試配調(diào)整得到。

2.2.2 專用自密實混凝土配合比

根據(jù)窄口水庫的設(shè)計要求,專用自密實混凝土應(yīng)滿足C40的要求。工程所使用水泥的體積平均粒徑為12.44um,粉煤灰的體積平均粒徑為7.05um,膠凝材料級配較好。從圖1中可以看到,自密實混凝土具有高性能必須具有一定體積膠凝材料用量。其中膠凝材料包括水泥、粉煤灰及砂中粉體。根據(jù) 《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352-2006)中的相關(guān)規(guī)定,自密實混凝土中用砂最好為中砂或中粗砂,根據(jù)篩分結(jié)果可知此砂為Ⅱ區(qū)中砂,級配較好。因石子粒徑為5～10mm,根據(jù)經(jīng)驗單方石子用量一般不超過290L。綜合上述材料情況及強(qiáng)度等級要求,體積水膠比宜控制在0.9～1.1之間,膠凝材料用量約為600kg。

配合比試驗采用HJW-60型雙臥軸試驗室砼攪拌機(jī),首先用水把攪拌機(jī)潤濕,然后依次把稱量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入攪拌機(jī)中,攪拌15秒停機(jī)。啟動攪拌機(jī)把稱量好的水及外加劑混合后均勻倒入攪拌機(jī)中,攪拌3min后出機(jī)。立即測擴(kuò)展度、坍落度及V漏斗時間。在上述分析的建議范圍內(nèi)進(jìn)行大量試驗后,得到一組專用自密實混凝土配合比,見表1,28天抗壓強(qiáng)度數(shù)值見表2。

表1 專用自密實混凝土配合比(kg/m3)

表2 專用自密實混凝土28d抗壓強(qiáng)度(MPa)

上述配合比的28d抗壓強(qiáng)度均能夠滿足C40的要求,綜合配合比的材料價格及自密實混凝土工作性能,為最終窄口水庫工程專用自密實混凝土配合比。

3 自密實混凝土施工方案

現(xiàn)場施工條件復(fù)雜,工程師們對現(xiàn)場自密實混凝土澆筑方案不斷的實驗和改進(jìn),在總結(jié)不同澆筑實驗的經(jīng)驗與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,得到了適合工程實際情況的施工方案。

圖2 自密實混凝土施工方案示意圖

罐車運(yùn)輸SCC至豎井口,通過內(nèi)徑105mm的泵管自由下落,上端連接有接料漏斗,下端連接同樣內(nèi)徑的135度左右的彎頭。在長度為70m的豎直泵管中部加設(shè)一根“S”型泵管,用作緩沖,目的是減小混凝土下降的巨大落差,從而較好的改善由于落差過大沖力過強(qiáng)造成的混凝土骨料分離。為了最大限度的縮短泵機(jī)與澆筑點(diǎn)的距離,減少泵壓損失,采用人工小推車進(jìn)行水平運(yùn)輸,在彎管處接料,并在彎頭處加設(shè)一個緩沖控制閥,控制管內(nèi)出料速度,從地面到泵車料斗搭設(shè)木板斜坡小推車接料后由工人運(yùn)輸至泵車料斗。自密實混凝土施工流程如圖3所示。

采用第此施工方案進(jìn)行施工后,窄口水庫現(xiàn)已順利完成三倉襯砌自密實混凝土施工,每倉正常澆注時間約10h,理論澆注方量為23m3,實際澆筑方量均在25m3以上。按照施工要求,圓滿成功。

4 工程經(jīng)驗

此次澆筑方案的成功為自密實混凝土技術(shù)在隧洞襯砌工程中復(fù)雜條件下施工提供了寶貴的經(jīng)驗,解決了狹小空間隧洞襯砌施工中困擾業(yè)界的難題,具有廣泛推薦使用的價值。

4.1 防止超徑的骨料進(jìn)入豎井

豎井口入料處安置2cm×2cm的鋼筋過濾網(wǎng),防止超徑的骨料進(jìn)入豎井。

4.2 防止最下部堵管

由于豎井內(nèi)徑很小僅105mm,豎井最下端采用4m的“丿”型鋼管(與水平管相連接的彎頭角度約135°)與上部的65m豎直鋼管,采用“丿”型鋼管可以有效避免自密實砼在豎井內(nèi)發(fā)生骨料分離而造成最下部堵管。而且“丿”型鋼管更便于工人控制控制閥。

4.3 澆注點(diǎn)的布置

15m的澆注倉面共有9個澆注點(diǎn),側(cè)面模板每隔5m有一個澆注點(diǎn)共六個,頂部每隔5m有一個沖天管并配有控制閥共三個。澆注順序為:先澆注側(cè)面模板,側(cè)面澆注點(diǎn)澆注滿后進(jìn)行封堵,然后再澆注下一點(diǎn)。最后澆注頂部三個沖天管,澆注滿后關(guān)閉閥門。

沖天管的控制閥門也是特制的,采用一般的控制閥在混凝土壓力下無法關(guān)閉或者由于砼壓力過大造成破壞,施工單位采用1cm厚的鋼板在中間切割一個與沖天管內(nèi)徑相同的圓孔作為閥門。

5 結(jié)論

自密實混凝土拆模后整體效果較好,無不密實的部位,無蜂窩、狗洞的出現(xiàn)。也沒有冷縫和混凝土分離現(xiàn)象發(fā)生,混凝土呈一個整體,只是由于不是整體模板所以在模板的接縫處會出現(xiàn)輕微錯臺,但不會影響外觀。

窄口經(jīng)驗是在施工條件復(fù)雜、狹小、異型空間的混凝土襯砌典型案例,工程技術(shù)人員通過實踐留下的寶貴成果,推廣與借鑒可以直接縮短同類條件下工程項目施工探索與研究的過程,不僅可以縮短工期、降低成本,最為重要的是這些基于現(xiàn)場條件積累的技術(shù)經(jīng)驗最終形成的一套自密實混凝土在這種特殊條件施工的方法,對于類似工程具有很好的借鑒作用。