劉春吉

中電建建筑集團有限公司 北京 100120

利用土工離心機可以模擬原型土工結(jié)構(gòu)的受力、變形和破壞，驗證設(shè)計方案，進行材料參數(shù)研究、驗證數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析計算結(jié)果、探索新的巖土工程物理現(xiàn)象，因此在巖土工程領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。延慶水科院離心機工程為亞洲最大的離心機試驗室。本項目中混凝土結(jié)構(gòu)基座平整度誤差結(jié)構(gòu)尺寸偏差、裂縫等質(zhì)量要求高。由于混凝土體積大，在澆筑過程中產(chǎn)生大量的水化熱，如果不采取措施，會產(chǎn)生大面積的裂縫，直接影響工程質(zhì)量[1]。為達(dá)到無裂縫、高精度的設(shè)計指標(biāo)，提高混凝土質(zhì)量和耐久性，本文從原材料、配合比、混凝土澆筑過程控制及溫度控制方面入手研究。

1 工程概況

本項目為位于北京市延慶區(qū)康莊鎮(zhèn)西康路48號大型土工離心機升級改造及試驗研究平臺工程，，距北京市區(qū)約80 km。施工場地東側(cè)為水資源實驗大廳；南側(cè)和西側(cè)為北京八達(dá)嶺華天國家糧食儲備庫，周邊交通狀況良好，距八達(dá)嶺高速公路康莊收費站約2 km。采用長短臂設(shè)計型式，變頻電機調(diào)速驅(qū)動，電機功率：2600KVA，有效轉(zhuǎn)動半徑為8.0 m，最大有效負(fù)載容量：1000g-ton，負(fù)載：最大加速度350g，對應(yīng)最大負(fù)載2500kg；加速度200g，對應(yīng)負(fù)載5000kg；試驗吊籃尺寸：2.0 m×1.5 m×2.0 m(<200g);2.0 m×1.3 m×1.5 m(201～350g)。

建筑面積6626 m2，建筑高度18 m，距北京市區(qū)約80 km。離心機混凝土墻體厚度1.2 m，部分墻體厚度達(dá)8.1 m，墻體高度達(dá)到11 m，混凝土分5次澆筑。強度最大標(biāo)號為C60P8。大型離心機混凝土基座平整度誤差≤1 mm/m；大型離心機與變速箱軸心的偏差≤5 mm；主機室側(cè)壁及相關(guān)部位平整度允許誤差≤±0.05%(3 mm)；在建造施工中主機室內(nèi)壁(含頂面及地面)要求光滑平整，需一次澆筑完成，主機室內(nèi)壁允許進行打磨找平，但不得進行結(jié)構(gòu)修補。

2 工程難點

大離心機基礎(chǔ)混凝土澆筑體積大，采取分次澆筑的方式完成。由于離心機對于基座誤差要求嚴(yán)格，在混凝土澆筑中需要特別注意施工質(zhì)量控制。在澆筑過程中，水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的水化熱，如果不采取有效措施，水化熱量導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表面形成較大溫差，結(jié)構(gòu)發(fā)生局部收縮或膨脹，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生大面積微裂縫，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的觀感和質(zhì)量，難以達(dá)到平整度誤差設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

為了使大型離心機基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)表面平整，接縫處無明顯痕跡和微裂縫，誤差符合要求?，F(xiàn)場施工人員分別從原材料的優(yōu)選、配合比設(shè)計、入模溫度控制、振搗、養(yǎng)護和溫度控制等多方面研究，控制混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

圖1 大型離心機混凝土共分為5次澆筑，其中三次為大體積混凝土澆筑

表1 大型土工離心機澆筑情況

3 混凝土原材料優(yōu)選

混凝土材料的選擇對結(jié)構(gòu)質(zhì)量有直接影響，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點選取合適的原材料。混凝土主要材料包括水泥、骨料、各種摻合料和外加劑。為了提高大型土工離心機工程質(zhì)量，根據(jù)大體積混凝土水化熱大的特點，從以下幾個方面加強控制[2]。

3.1 水泥

市場上水泥種類眾多，且性能差別大。在能夠保證混凝土強度要求的前提下，可以選用水化熱小及收縮小的水泥。本項目選用水化熱低的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

3.2 骨料

骨料在混凝土結(jié)構(gòu)中起骨架和填充作用的粒狀材料。在控制粗骨料選擇使用大粒徑，本項目選用5-25 mm碎石，要求含泥量≤1%。細(xì)骨料選用含泥量低的好砂。結(jié)合實際情況本項目選用水洗中砂，要求含泥量≤3%[3]。

3.3 摻合料

在混凝土中摻入適量的Ⅱ級粉煤灰。球狀顆粒的粉煤灰在混凝土中有潤滑功能，也能改善流動性和可泵性。適量的粉煤灰能減少水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，減少內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生。

3.4 外加劑

外加劑的摻量小，一般情況占比低于水泥用量的5%。但外加劑在混凝土中作用顯著，明顯改善和易性，提高強度和耐久性，減少水泥用量。外加劑的產(chǎn)品質(zhì)量必須合格，并應(yīng)先試驗后使用，要有出廠質(zhì)量合格證和試驗報告單。本項目選用聚羧酸高性能減水劑。

3.5 纖維

在混凝土中加入改性聚丙烯抗裂纖維，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。能夠提高防裂性能，對于由收縮、溫差等原因?qū)е碌奈⒘芽p有明顯改善效果。

表2 聚丙烯纖維主要技術(shù)參數(shù)

4 混凝土澆筑過程控制

4.1 混凝土配合比設(shè)計

在混凝土配置過程中必須結(jié)合實際情況進行配比，通過合理的水灰比提高混凝土質(zhì)量。所以，設(shè)計方在設(shè)計中必須對大體積混凝土的用途和質(zhì)量做好全面考慮。降低水化熱和提高礦物摻和料的同時，還要盡可能提高混凝土的耐久性，保證大型土工離心機基礎(chǔ)的質(zhì)量，提高使用年限[4]。本工程中水灰比：≤0.45；C30/C40坍落度160-180mm，C60坍落度為220-240mm，配合比見表3。

表3 各強度混凝土配合比

4.2 混凝土入模溫度控制

(1) 溫度要求：T水=18℃，T水泥=25℃，T砂=22℃，T石=22℃，派專人在混凝土站測溫，要求商混站對不滿足要求的原材及時作出更換處理。

(2) 混凝土運輸要求：為減少混凝土溫度變化過快，在混凝土罐車外布置保溫隔離層一道，禁止混凝土罐車一次到場過多，在現(xiàn)場等候時間過長。

(3) 混凝土澆筑要求：避免在中午開始澆筑，防止混凝土入模后溫度變化過快。

(4) 常溫時混凝土的入模溫度控制在28℃以下。

4.3 振搗技術(shù)

在混凝土振搗時采用Φ50振搗棒，要求工作人員做到快插慢撥。將振動棒上下略有抽動，以使上下振動均勻。分層時振搗棒插入下層50㎜左右，以消除兩層之間接縫。振搗點有規(guī)律均勻分布，間距大約450㎜，振搗時間控制在25秒左右。觀察混凝土表面，當(dāng)灰漿泛出表面即可停止振搗。為壓實混凝土密實度，提高強度和抗裂性能，在凝固前進行二次振搗，這樣可以有效降低混凝土內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)的可能性[5]。

對于鋼筋排布密集部位，如型鋼位置節(jié)點使用尺寸較小的Φ30振搗棒進行振搗，防止振搗棒與鋼筋發(fā)生激烈碰撞。振搗時動作不宜過大，對于預(yù)埋構(gòu)件和管道要盡可能減少碰撞，以免移動位置。鋼筋較密區(qū)域振搗時采用遠(yuǎn)程攝像觀察模式，通過微型攝像頭觀察混凝土內(nèi)部振搗密實情況。對于大型離心機基座部位表面增加16mm的鋼筋網(wǎng)一層，來保證混凝土的抗裂性與穩(wěn)定性，對于其他超過1500mm厚的部位，在基礎(chǔ)表面(含頂面與側(cè)面)配C14@300的鋼筋網(wǎng)一層。

圖2 觀察鋼筋密集區(qū)域內(nèi)部振搗情況

5 混凝土溫控技術(shù)

5.1 溫控指標(biāo)

入模后混凝土溫度升高值小于50℃；混凝土表面與內(nèi)部溫度差小于25℃；混凝土溫度降低速率每天不超過2℃；在保溫層拆除時，混凝土表面溫度與空氣溫度差小于20℃[6]。

為了更好的控制溫度差和降溫速率，在混凝土內(nèi)設(shè)降溫管，間距1.2-1.5 m布置，冷水管流速流量控制在1.2-1.5 m3/h，進出口水的溫差應(yīng)小于6℃。在選好的監(jiān)測點布置傳感器，動態(tài)采集監(jiān)測混凝土里表溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變化采取措施，控制大體積混凝土裂縫,混凝土溫度數(shù)據(jù)采集及溫度場分布如圖3所示。

圖3 混凝土溫度數(shù)據(jù)采集及溫度場分布

5.2 溫控監(jiān)測設(shè)備

將傳感器按照設(shè)計位置準(zhǔn)確安裝在鋼筋骨架指定位置。在混凝土開始澆筑前，把已經(jīng)固定好的傳感器插入到位，末端固定好，大約預(yù)留25cm。為減小采集數(shù)據(jù)的誤差，提前對采集器做好防水措施。使用一根規(guī)定型號的數(shù)據(jù)線，將各個采集器串聯(lián)起來，并連接到機房的數(shù)據(jù)適配器的數(shù)據(jù)總線端口；將數(shù)據(jù)適配器的USB口與計算機的USB口相聯(lián)接。

使用自動配置功能，來配置計算機通訊端口；配置各采集器編號及其傳感器個數(shù)、位置、啟用情況；設(shè)定測溫時間間隔：設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的自動測溫采集時間間隔設(shè)定為2小時，讓設(shè)備自動定時工作，確保數(shù)據(jù)和溫度圖形的連續(xù)性。數(shù)據(jù)打?。嚎梢噪S時打印出各點整個過程或某時間段內(nèi)的溫度曲線和報表。

5.3 測試布置

測試區(qū)的選擇和測點布置直接影響到溫度控制效果。測試區(qū)選擇混凝土澆筑體平面對稱軸線的半條軸線，測試區(qū)內(nèi)監(jiān)測點應(yīng)按平面分層布置；測試區(qū)內(nèi)，監(jiān)測點的位置與數(shù)量根據(jù)混凝土澆筑體內(nèi)溫度場的分布情況及溫控的規(guī)定確定。

每條軸線至少選取4個監(jiān)測點位。在厚度方向，表層、底層、中心3處必須設(shè)置測點，且間距小于500 mm。保溫養(yǎng)護效果及環(huán)境溫度監(jiān)測點數(shù)量應(yīng)根據(jù)具體需要確定。選取混凝土體表以下40 mm處測點溫度作為表層溫度，底面以上40 mm處測點溫度作為底層溫度。大離心機主機室樓板共設(shè)置4個測溫點，每豎向點位有3個測溫位置，起步為板澆筑面50mm處位置。大離心機主機室墻體、基座部位分別設(shè)置4個測溫點，每豎向點位設(shè)有5個測溫位置，起步為澆筑面50 mm的位置。大離心機主機室樓板共設(shè)置6個測溫點，每豎向點位有3個測溫位置，起步為板澆筑面50 mm處位置。設(shè)置在板的中心位置。

5.4 降溫措施

大離心機基座底板降溫水管水平間距1.2 m，豎向間距1.5 m，-13.5~-8.5 m位置5 m高位置共設(shè)置5排降溫水管，第一排距板底0.5 m，上一排與下一排間距1.2 m。大離心機頂板內(nèi)部降溫管水平間距1.5 m，共設(shè)置1排降溫水管,澆筑混凝土?xí)r提前試壓試漏情況，因降溫管穿梁，降溫管材質(zhì)選用DN25鋼管[7]。

大離心機基座部位從基座頂0.5 m至基座底0.5 m螺旋布置降溫管線。澆筑混凝土?xí)r提前試壓試漏情況，降溫管材質(zhì)選用DN15鍍鋅鋼管?；鶠?270 mm高，螺旋管螺旋布置高度間距為1 m，螺旋中心半徑為2.5 m，共盤2盤。

6 總結(jié)

本文以大型土工離心機為實例，對大體積混凝土質(zhì)量控制展開研究，可以得出以下結(jié)論：

(1) 從原材料的選擇和配合比進行控制，選用水化熱小及收縮小硅酸鹽水泥，低堿含泥量少的粗細(xì)骨料，添加適量的摻合料、減水劑及聚丙烯纖維纖維。

(2) 在混凝土澆筑時科學(xué)確定配合比，做好入模前的溫度控制，注意做好二次振搗，提高密實度和強度，減少裂縫。

(3) 采用溫控技術(shù)實時監(jiān)測混凝土溫度數(shù)據(jù)，采取降溫措施，控制混凝土裂縫。