杜新國(guó)

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

鏡面混凝土成功應(yīng)用其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為鏡面效果長(zhǎng)時(shí)間維持以及結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，影響鏡面混凝土外觀質(zhì)量的因素很多，其中混凝土振搗以及施工過(guò)程質(zhì)量控制是兩個(gè)重要因素，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下提升混凝土外觀質(zhì)量成為研究熱點(diǎn)。

振搗工藝提升能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)及質(zhì)量[1]。當(dāng)今自密實(shí)混凝土雖然可以實(shí)現(xiàn)混凝土的自填充和自密實(shí)功能，但是由于其高成本性、對(duì)環(huán)境以及施工的高標(biāo)準(zhǔn)性導(dǎo)致其不能得到廣泛應(yīng)用[2]。因此，針對(duì)普通混凝土的成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、易操作的振搗棒振搗工藝在施工中仍占據(jù)不可替代的地位[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究主要集中于混凝土材料、配合比及養(yǎng)護(hù)工藝等方面，而對(duì)混凝土外觀質(zhì)量及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性耦合作用的研究較少。溫家馨[4]等研究了混凝土振搗密實(shí)機(jī)理，闡述了混凝土振搗技術(shù)的研究現(xiàn)狀；陳思翰[5]等在細(xì)觀層次上研究了基于均勻化理論的混凝土等效彈性模量預(yù)測(cè)模型；秦明強(qiáng)[6]等研究了振搗頻率與混凝土抗碳化性、滲透性關(guān)系，提出振搗頻率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響混凝土性能；凌海宇[7]通過(guò)研究混凝土振搗方式，分析了混凝土的性能；劉艷霞[8]等研究了高頻振搗混凝土作用下水膠比與混凝土性能關(guān)系，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗凍性隨振搗時(shí)間和水膠比的增加而提高；李佳琦[9]以工程項(xiàng)目為依托，結(jié)合常見(jiàn)的站臺(tái)雨棚形式研究了清水混凝土在站臺(tái)雨棚中的應(yīng)用；郭永忠[10]通過(guò)噴射混凝土配合比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)，研究了隧道濕噴混凝土回彈率影響因素。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在混凝土振搗方面研究較多，但對(duì)長(zhǎng)距離、大單寬流量的泄洪排沙隧洞洞內(nèi)全斷面鏡面效果混凝土施工工藝研究較少。本文以洛寧抽水電站泄洪排沙隧洞C35二襯混凝土為研究對(duì)象，研究不同頻率振搗下混凝土的表觀質(zhì)量及回彈強(qiáng)度變化規(guī)律，驗(yàn)證全斷面應(yīng)用的穩(wěn)定性效果，并提出表觀質(zhì)量控制措施，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

2 工程概況

本隧道主要由進(jìn)水口、出水口和隧洞段組成，洞身長(zhǎng)度1 590.00 m，隧洞底板設(shè)兩級(jí)斜坡，坡度分別為12.5%、5%；出口采用挑流消能，最大過(guò)流能力605.00 m3/s；襯砌質(zhì)量要求高，隧道斷面混凝土采用C35等級(jí)。

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

3.1 原材料及配合比

水泥:P.O42.5，其主要物理性能如表1所示；粉煤灰:F類(lèi)I級(jí)粉煤灰，45 μm方孔篩余7.3%，需水量比94.8%，28 d強(qiáng)度活性指數(shù)為75%；細(xì)骨料:人工砂，粗骨料分類(lèi)、表觀密度和細(xì)骨料表觀密度如表2所示；減水劑:KDSP聚羧酸高性能減水劑，減水率為26.1%，含氣量為2.3%；配合比拌和用水為普通自來(lái)水，所檢指標(biāo)滿足拌和用水指標(biāo)要求。

表1 水泥物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 粗骨料及細(xì)骨料表觀密度

混凝土坍落度由外加劑摻量控制，混凝土總使用量為357.5 kg/m3，其中粉煤灰占20%，混凝土水膠比為0.42。選擇三組不同坍落度混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，配合比如表3所示。

表3 試驗(yàn)混凝土配合比

3.2 試驗(yàn)方法

為便于觀察混凝土表面氣泡、色差、裂縫、振搗情況等，采用鋼化玻璃＋角鋼支撐的模板。四種振搗頻率分別為100、150、200、250 Hz，開(kāi)啟振搗棒，記錄模具內(nèi)混凝土排出氣泡所用時(shí)間以及混凝土出漿時(shí)間，靜止1 h后對(duì)混凝土試塊進(jìn)行脫模并標(biāo)記編號(hào)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)量氣泡數(shù)量，如圖1所示，并測(cè)試混凝土試塊的回彈強(qiáng)度。

圖1 混凝土氣孔觀測(cè)切片示意(單位:mm)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)不同振搗頻率下振搗功效影響

新拌混凝土屬于Bingham流體[11]，混凝土在使用振搗棒振搗時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，并排出內(nèi)部由于阻力影響不能自行排出的多余氣泡，用秒表分別記錄不同配合比及不同振搗頻率下的出漿時(shí)間以及氣泡排空時(shí)間，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，當(dāng)振搗頻率增大時(shí)，其出漿時(shí)間和排氣時(shí)間用時(shí)越短，其中C組混凝土振搗密實(shí)時(shí)間為10～40 s，而A組混凝土振搗時(shí)間是C組混凝土振搗時(shí)間的2倍以上。在同組混凝土振搗過(guò)程中，不同頻率振搗混凝土其密實(shí)所需時(shí)間差異也較大，C組最少相差16 s，A組最多相差30 s。

圖2 混凝土振搗出漿及排氣時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

(2)振搗頻率對(duì)混凝土內(nèi)氣孔分布影響

通過(guò)SEM試驗(yàn)，探測(cè)到混凝土內(nèi)氣孔在介觀和宏觀尺度上可分為兩類(lèi):一類(lèi)為氣泡直徑r＞5 mm，該類(lèi)氣泡是由于振搗不充分導(dǎo)致氣泡未能完全排出而產(chǎn)生的形狀不規(guī)則的大氣孔；另一類(lèi)為氣泡直徑0.5 mm≤r≤5 mm，此類(lèi)氣泡為混凝土拌和時(shí)所引入空氣而產(chǎn)生的微小氣泡。對(duì)三組不同配合比的混凝土分別采取不同頻率進(jìn)行振搗，試塊養(yǎng)護(hù)完成后，計(jì)算上、下兩層混凝土氣孔總數(shù)量，如表4所示。

表4 混凝土內(nèi)部氣泡檢測(cè)

由表4可知，三組試驗(yàn)試塊在250 Hz振搗頻率下，直徑r＞5 mm的氣泡數(shù)量最少，直徑0.5 mm≤r≤5 mm氣泡數(shù)量最多，可見(jiàn)在高頻振搗條件下，混凝土內(nèi)部較大氣泡會(huì)被分裂成小氣泡。因此在低頻振搗時(shí)，混凝土內(nèi)部大氣泡較多，但上下層氣泡數(shù)量相近；適當(dāng)頻率下混凝土振搗可以提高氣泡的排出效率，增強(qiáng)混凝土密實(shí)性；高頻振搗時(shí)，小氣泡較多，且氣泡在混凝土上下層分布不均勻。

(3)振搗頻率對(duì)混凝土回彈強(qiáng)度及勻質(zhì)性影響

采用回彈儀測(cè)試試塊的回彈強(qiáng)度，三組混凝土試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示:混凝土坍落度越小、振搗頻率越低時(shí)，其勻質(zhì)性較好。當(dāng)振搗棒頻率為250 Hz時(shí)，A組混凝土上層回彈強(qiáng)度與下層回彈強(qiáng)度差值最小，為1.4 MPa；當(dāng)振搗棒頻率為200 Hz時(shí)，C組混凝土上下層回彈強(qiáng)度差值最大，為5.7 MPa；當(dāng)振搗頻率降低至100 Hz時(shí)，其回彈強(qiáng)度差值得到較好控制。因此，混凝土的振搗頻率與混凝土均質(zhì)性密切相關(guān)。

圖3 混凝土回彈強(qiáng)度及其勻質(zhì)性試驗(yàn)結(jié)果

4 穩(wěn)定性分析

4.1 模型建立

使用數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，模型根據(jù)泄洪排沙孔設(shè)計(jì)圖建立[12]。假定砼為一次澆筑，不考慮改變砼澆筑速率、砼水化、混凝土凝結(jié)的流固耦合等因素影響，模型參數(shù)依據(jù)地勘資料及鏡面混凝土物理力學(xué)參數(shù)選取。

4.2 模型邊界條件施加

本模型荷載施加步驟:(1)施加土層重力荷載；(2)施加澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的二襯荷載；(3)將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)到的側(cè)壓力在模型中一并計(jì)算。

4.3 泄洪排沙洞變形規(guī)律

施工過(guò)程中，襯砌變形特性可直接體現(xiàn)其穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖豎向與水平方向位移如圖4所示。豎向最大位移為1.584 mm，且呈整體向內(nèi)的趨勢(shì)；水平方向整體最大位移為0.262 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求控制值。

圖4 位移云圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最終拱頂累計(jì)沉降為28.6 mm，周邊收斂值為13.3 mm。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸成型，襯砌變形趨于穩(wěn)定，尤其在二襯施作完成后變形控制在0.1 mm/d內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合要求。因模擬計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，且監(jiān)測(cè)斷面存在時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間存在一定差異。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制措施

為提高鏡面混凝土外觀質(zhì)量合格率，對(duì)施工全周期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。選取300個(gè)點(diǎn)進(jìn)行外觀質(zhì)量調(diào)查、分析、評(píng)定，內(nèi)容包括色澤不一、蜂窩麻面、表面不平整、施工裂縫及其他質(zhì)量缺陷。質(zhì)量缺陷調(diào)查情況如表5所示。通過(guò)分析，制定控制措施如表6所示。最終將合格率提高至95.7%，如圖5所示。

圖5 混凝土外觀質(zhì)量監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)對(duì)比

表5 初次外觀質(zhì)量缺陷監(jiān)測(cè)

表6 質(zhì)量提高對(duì)策

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施工，除解決了色澤不一的問(wèn)題外，還解決了部分蜂窩麻面問(wèn)題，較好地控制了裂縫，形成了較好的鏡面效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

以河南洛寧泄洪排沙隧洞二襯混凝土為研究對(duì)象，開(kāi)展振搗試驗(yàn)和混凝土性能測(cè)試，并通過(guò)分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論:(1)混凝土的振搗頻率和坍落度是決定其內(nèi)部氣泡分布的重要因素，在100～250 Hz振搗頻率內(nèi)，混凝土振搗效果隨振搗頻率的增大而提升；當(dāng)坍落度為140 mm、振搗頻率為150 Hz時(shí)，混凝土上下層氣泡分布均勻、孔隙率小、混凝土密實(shí)。(2)當(dāng)混凝土振搗頻率在100～250 Hz范圍內(nèi)時(shí)，隨著混凝土振搗頻率提高其勻質(zhì)性降低。針對(duì)不同坍落度的混凝土，選取合適的振搗頻率能有效改善混凝土施工質(zhì)量。(3)混凝土外觀質(zhì)量提升措施對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，采用鏡面混凝土具有較高的可行性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。(4)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工對(duì)于提升混凝土外觀質(zhì)量可發(fā)揮積極作用。