顏志強 李 峰
中國水利水電第十一工程局有限公司(450001)
南水北調(diào)中線一期穿黃工程南岸連接明渠總長4628.57m,為深挖方型渠道。渠道過水斷面為梯形,設計底寬12.5m,邊坡坡度1∶2.25,渠道縱坡1/8000。渠道設計襯砌混凝土板厚度10.0cm。渠道襯砌混凝土板縱、橫縫間距一般為4m,橫縫通縫、半縫交錯布置,縱縫均為半縫。渠道襯砌混凝土強度等級C20W6F150。
渠道混凝土襯砌主要目的是減小渠道糙率,對抗裂、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕性能等耐久性要求較高。襯砌混凝土板具有厚度薄、面積大的特點,防裂問題尤為突出。聚丙烯纖維在混凝土中可形成三維亂向分布的網(wǎng)狀承托作用,阻擋混凝土硬化初期微裂紋發(fā)展,從而可提高混凝土的斷裂韌性,改善混凝土的抗裂、防滲性能,提高混凝土抗沖擊耐磨性能及耐久性。
針對本工程渠道混凝土特點,采用多個品牌聚丙烯纖維進行對比試驗,掌握聚丙烯纖維性能特點,選定適合本工程聚丙烯纖維和施工工藝,效果良好。
擬定渠道混凝土聚丙烯纖維摻量0.9kg/m3,選用杜拉纖維(Durafiber)及另外A、B兩個廠家纖維材料在室內(nèi)進行混凝土抗壓強度、抗拉強度、極限拉伸、彈性模量、抗凍抗?jié)B、干縮等主要性能對比試驗。
混凝土選取0.45、0.50、0.55三種水膠比,測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28 d、90d齡期抗壓強度,見表1。
表1 混凝土力學抗壓強度對比表
摻入纖維后,混凝土抗壓強度較同級配基準混凝土抗壓強度略有降低,但降低較小,可以忽略。
抗拉強度是混凝土抗開裂性的重要指標。試驗選取混凝土水膠比0.50,測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28d、90d齡期劈拉強度,成果見表2。
表2 混凝土劈拉強度對比表
摻纖維后混凝土抗拉強度均有提高,早期抗拉強度提高較大。摻杜拉纖維混凝土劈拉強度較基準混凝土提高較大,3d、7d、28d、90d劈拉強度分別提高15.0%、23.45%、3.8%、7.4%,尤其是3d、7d劈拉強度提高較為明顯。混凝土硬化早期處于混凝土裂縫發(fā)展階段,劈拉強度提高有利于混凝土防裂。
混凝土極限拉伸值是混凝土軸向受拉斷裂時的應變值,是混凝土抗裂能力的一個重要指標。試驗選取混凝土水膠比0.50,測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28d、90d齡期極限拉伸值,成果見表3。
表3 混凝土極限拉伸成果對比表
混凝土摻纖維后,極限拉伸值均有所提高,摻杜拉纖維混凝極限拉伸值提高較大,3d、7d、28d、90d極限拉伸值分別提高28.0%、8.0%、13.0%、12.2%。極限拉伸值提高說明混凝土變形能力增強,抗裂性能提高。
纖維混凝土的干縮率均小于基準混凝土,對混凝土的裂縫控制有利。見表4。
表4 混凝土干縮試驗成果對比表
早期干縮是造成混凝土開裂的重要原因,混凝土開裂主要集中在澆筑完成3~7d內(nèi),減小混凝土的早期干縮能有效控制混凝土的開裂,摻入纖維后,混凝土早期的干縮率明顯降低,可以極為有效地控制混凝土塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫,防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展,在工程實踐中摻入纖維已成為提高混凝土抗裂防滲能力的有效途徑。
試驗結果表明,經(jīng)混凝土拌和物的分析判斷,混凝土和易性好,三種纖維的分散性能均良好,摻杜拉纖維、A纖維、B纖維混凝土中分散性相對誤差分別為3.85%、4.15%、4.05%,摻杜拉纖維分散性相對較好。保證纖維在混凝土分散的均勻性,對確?;炷潦┕べ|(zhì)量有重要作用,均勻分布的纖維在混凝土中形成一種均勻的亂向支撐體系,有助于削弱混凝土塑性收縮的張力,從而極為有效地增強了混凝土的韌性,抑制了微細裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,隨著混凝土及砂漿中裂縫減少,也有助于改善混凝土的抗?jié)B性與凍融性,因而能夠提高混凝土的耐久性。但如果在施工過程中采用的纖維分散性差,攪拌不均勻,造成纖維在混凝土內(nèi)分布不均,就會在混凝土澆筑時形成局部薄弱部位,纖維不但起不到抗裂作用,反而會起有害作用,極易在薄弱部位造成開裂。
綜合上述因素,施工中選用了杜拉纖維。
根據(jù)試驗成果,結合《南水北調(diào)渠道襯砌機械化施工技術規(guī)程》,選定混凝土配合比見表5。
表5 襯砌混凝土配合比
聚丙烯纖維混凝土宜采用強制式攪拌站拌制。與普通混凝土有所不同,襯砌混凝土需添加聚丙烯纖維。本工程采用HZ60拌合站,為確保計量的準確性,攪拌時每盤混凝土量為1.11m3,對應加入一個1kg標準包裝的纖維。纖維添加方式不當或攪拌時間不足,容易局部結團,均勻性差,拌合期間需派專人在拌合樓內(nèi)直接向攪拌機內(nèi)均勻添加,保證均勻加料。
混凝土攪拌時間控制應根據(jù)《纖維混凝土應用技術規(guī)程》JGJT221—2010,纖維混凝土攪拌宜將纖維和粗細骨料投入攪拌機干拌30~60s,再摻入水泥、礦物摻和料、水、外加劑攪拌90~120s,較常規(guī)混凝土攪拌時間增加較多,混凝土生產(chǎn)效率效率低。為此進行了對比試驗:攪拌總時間按120s、90s、75 s、60s進行對比,其中干拌時間按30s控制,攪拌完成后,測試纖維分散度,并進行生產(chǎn)試驗、長期跟蹤,確定總攪拌時間為90s在保證質(zhì)量前提下,提高了混凝土生產(chǎn)效率。
混凝土出機口坍落度宜控制為60~75mm,入倉坍落度控制為50~65mm。當氣候變化時,可微調(diào)用水量,維持入倉混凝土坍落度不變,保證襯砌混凝土機械化施工的工作性。
混凝土采用攪拌車運輸,拌和物從拌和樓出料到入倉的時間一般控制為30~45min。
2.3.1 混凝土攤鋪振搗
采用振碾式渠道襯砌機施工。振碾式渠道襯砌機集混凝土布料攤鋪、振搗、提漿等多功能為一體的渠道襯砌設備,由主機架及整機行走系統(tǒng)、攤鋪小車、混凝土輸送系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成,核心部件攤鋪小車集成下料攤鋪、內(nèi)部振搗、表面碾壓振搗,實現(xiàn)混凝土襯砌板密實、平整。
混凝土由上料皮帶輸送至沿主機架布置的主皮帶,通過分料裝置進入攤鋪小車,并經(jīng)螺旋輸送機攤鋪平整。攤鋪小車料倉采用深倉式,下料后混凝土面板上部混凝土堆積厚度30~40cm。
攤鋪小車振搗系統(tǒng)由內(nèi)部振搗、表面振搗系統(tǒng)組成。攤鋪小車前部設4根Φ50mm軟軸振搗器,振搗器布置在混凝土面板內(nèi),順面板布置;中部設兩臺1.5kW附著振搗器進行表面振搗;尾部安裝振動壓光輥進行整平提漿,微型平板振動器對幅間接頭補充振搗。軟軸振搗器及附著振搗器均采用變頻裝置,軟軸振搗器振搗頻率12000次/min,附著振搗器振搗頻率9000次/min。攤鋪小車自坡底向坡頂沿主機架移動分幅攤鋪振搗,通過底部刮板控制混凝土表面位置,攤鋪小車行走速度對混凝土振碾效果影響較大,控制為3m/min,并現(xiàn)場觀察調(diào)整。
2.3.2 混凝土抹面
混凝土抹面先使用抹光機提漿,再人工收面壓光。提漿開始時間與環(huán)境溫度及攤鋪寬度有關,一般可在混凝土攤鋪寬度超過4m,且滯后攤鋪1~1.5h后實施,若環(huán)境溫度較高,則應提前啟動提漿作業(yè),反之亦然,提漿自下而上分幅進行,幅間搭接10~20cm,提漿一般需2~3遍?;炷两咏跄龝r,及時進行壓光處理,消除表面氣泡,使混凝土表面平整、光滑無抺痕。
聚丙烯纖維混凝土對表面收光影響較大。一是聚丙烯纖維能保持水分,泌水速度減緩,收面工序應較普通混凝土宜適當推后;二是較普通混凝土壓光難度大,收面壓光先由人工用鐵抹子收一遍,然后使用樹脂葉片抹光機壓光1~2遍,之后人工收面1遍。收面時,抹子應相互疊壓,消除抹痕。
2.3.3 混凝土養(yǎng)護
坡面混凝土灑水后,用塑料薄膜封閉覆蓋,可在板面上形成較多水珠,滿足混凝土養(yǎng)護要求。養(yǎng)護期間,塑料薄膜應貼緊混凝土板面,邊角覆土或用沙袋壓牢,并經(jīng)常性檢查。
對底板混凝土在倉號兩端堆土堤,蓄水養(yǎng)護,蓄水高度0.05~0.20m。
環(huán)境溫度低于0℃時,采取蓄熱養(yǎng)護,在混凝土板面上覆蓋1層塑料薄膜后,再覆蓋2層棉氈。
2.3.4 襯砌板伸縮縫切縫
依據(jù)規(guī)范規(guī)定,切縫施工宜在襯砌混凝土抗壓強度為1~5MPa時進行。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗,切縫時間控制在當混凝土澆筑后平均氣溫與時間的乘積為200~300。渠道襯砌主要在春秋季進行,環(huán)境平均溫度一般為15℃,可在收倉后16~24h內(nèi)開始切割,并在24h內(nèi)完成。若氣溫較高,可在收倉后10~12 h開始切割,具體操作時可以混凝土無缺角、縫面平直為原則。
實際施工中,由于人員組織、設備故障等原因,部分混凝土面板切縫時間有所推遲,但發(fā)生由此引起的混凝土裂縫,可見聚丙烯纖維對混凝土面板防裂作用較大。
南水北調(diào)中線穿黃工程Ⅰ標渠道襯砌混凝土面板大約25萬m2,面板厚度10cm。摻用聚丙烯纖維后,裂縫明顯減少,無溫度裂縫,表面干縮裂縫僅12處。裂縫數(shù)量在南水北調(diào)中線工程中屬最少標段之一,防裂效果明顯。