自密實(shí)混凝土在窄口水庫(kù)泄洪洞襯砌工程中的應(yīng)用

李風(fēng)亮，黃綿松，李紅旭

（1.北京華實(shí)水木科技有限公司，北京 100083；2.水利部國(guó)科司，北京 100800）

窄口水庫(kù)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(kù)。水庫(kù)控制流域面積903km2，總庫(kù)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(kù)電站等六大主體。其中水庫(kù)泄洪洞長(zhǎng)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(shí)難以振搗密實(shí)。

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)SCC）20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(guò)程中無(wú)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(shí)，使用自密實(shí)混凝土可以確保建筑物中混凝土的密實(shí)。

為了保證窄口水庫(kù)泄洪洞襯砌層的澆筑密實(shí)，本研究采用北京華實(shí)水木科技有限公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)用自密實(shí)混凝土進(jìn)行襯砌層的澆筑，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)比選，最終成功完成襯砌層的自密實(shí)混凝土澆筑，為自密實(shí)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經(jīng)驗(yàn)。

1 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）水泥。靈寶市金城水泥廠生產(chǎn)的嵩山牌普通硅酸鹽42.5水泥（P.O42.5）。

（2）粉煤灰。一級(jí)粉煤灰。

（3）砂。級(jí)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2.75為g/cm3。

（5）減水劑。北京華實(shí)水木科技有限公司生產(chǎn)的HS-T自密實(shí)混凝土專(zhuān)用外加劑。

1.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 傳統(tǒng)的自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)思路

自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)理念與常規(guī)混凝土最大差別是：自密實(shí)混凝土在配合比設(shè)計(jì)上用粉體取代了相當(dāng)數(shù)量的石子，通過(guò)高效減水劑的分散和塑化作用，使?jié){體具有優(yōu)良的流動(dòng)性和粘聚性，能夠有效地包裹輸運(yùn)石子，從而達(dá)到自密實(shí)的效果。

在常規(guī)混凝土的設(shè)計(jì)思路中，對(duì)工作性能的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，往往是根據(jù)粗骨料的粒徑查表得到對(duì)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(guò)水灰比公式和自身經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)滿(mǎn)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(jì)算得到所需強(qiáng)度等級(jí)和工作度要求的混凝土。這樣的配合比設(shè)計(jì)方法在強(qiáng)度上是相對(duì)嚴(yán)格的，而對(duì)工作性能的控制非常粗糙，檢測(cè)手段也非常傳統(tǒng)和單一，僅參考坍落度指標(biāo)。而對(duì)自密實(shí)混凝土而言，為了保證自密實(shí)性能在配合比設(shè)計(jì)上對(duì)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(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

自密實(shí)混凝土的制備會(huì)因?yàn)椴牧系牟町惗鴮?duì)配合比設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響；也就是說(shuō)使用不同砂、石、膠凝材料和減水劑的自密實(shí)混凝土配合比會(huì)有一定差異。所以不僅不能夠給出一系列通用的配合比設(shè)計(jì)，也很難在自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)上給出一個(gè)既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法，要想配制出性能與經(jīng)濟(jì)性?xún)烧呒骖櫟淖悦軐?shí)混凝土在實(shí)踐中積累是至關(guān)重要的。東京大學(xué)崗村甫教授實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)多年研究提出了一整套的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，依照這個(gè)方法經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整就能夠制備出性能優(yōu)良的自密實(shí)混凝土，它的優(yōu)點(diǎn)是易掌握，設(shè)計(jì)出來(lái)的自密實(shí)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(guò)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(shí)混凝土設(shè)計(jì)方法可簡(jiǎn)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(guò)試配調(diào)整得到。

1.2.2 專(zhuān)用自密實(shí)混凝土配合比

根據(jù)窄口水庫(kù)的設(shè)計(jì)要求，專(zhuān)用自密實(shí)混凝土應(yīng)滿(mǎn)足C40的要求。工程所使用水泥的體積平均粒徑為12.44μm，粉煤灰的體積平均粒徑為7.05μm，膠凝材料級(jí)配較好。從圖1中可以看到，自密實(shí)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)SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，自密實(shí)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(jí)配較好。因石子粒徑為5～10mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單方石子用量一般不超過(guò)290L。綜合上述材料情況及強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)采用HJW-60型雙臥軸試驗(yàn)室混凝土攪拌機(jī)，首先用水把攪拌機(jī)潤(rùn)濕，然后依次把稱(chēng)量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入攪拌機(jī)中，攪拌15min停機(jī)。啟動(dòng)攪拌機(jī)把稱(chēng)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(cè)擴(kuò)展度、坍落度及V漏斗時(shí)間。

在進(jìn)行大量試驗(yàn)后，得到一組專(zhuān)用自密實(shí)混凝土配合比，見(jiàn)表1。28d抗壓強(qiáng)度數(shù)值見(jiàn)表2。

表1 專(zhuān)用自密實(shí)混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 專(zhuān)用自密實(shí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

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

2 自密實(shí)混凝土施工方案

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，在總結(jié)不同澆筑實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了適合工程實(shí)際情況的施工方案，如圖1所示。

圖1 自密實(shí)混凝土施工方案示意圖

罐車(chē)運(yùn)輸SCC至豎井口，通過(guò)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°的彎頭。在長(zhǎng)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，從而較好地改善由于落差過(guò)大、沖力過(guò)強(qiáng)造成的混凝土骨料分離。為了最大限度地縮短泵機(jī)與澆筑點(diǎn)的距離，減少泵壓損失，采用人工小推車(chē)進(jìn)行水平運(yùn)輸，在彎管處接料，并在彎頭處加設(shè)一個(gè)緩沖控制閥，控制管內(nèi)出料速度，從地面到泵車(chē)料斗搭設(shè)木板斜坡小推車(chē)接料后由工人運(yùn)輸至泵車(chē)料斗。自密實(shí)混凝土施工流程如圖2所示。

圖2 自密實(shí)混凝土施工流程圖

采用此施工方案進(jìn)行施工后，窄口水庫(kù)現(xiàn)已順利完成三倉(cāng)襯砌自密實(shí)混凝土施工，每倉(cāng)正常澆注時(shí)間10h，理論澆注方量23m3，實(shí)際澆筑方量25m3以上。按照施工要求，圓滿(mǎn)成功。

3 工程經(jīng)驗(yàn)

3.1 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(guò)濾網(wǎng)，防止超徑的骨料進(jìn)入豎井，如圖3。

圖3 鋼筋過(guò)濾網(wǎng)

3.2 防止最下部堵管

由于豎井內(nèi)徑僅105mm，豎井最下端采用4m的J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J型鋼管可以有效避免自密實(shí)混凝土在豎井內(nèi)發(fā)生骨料分離而造成最下部堵管，而且J型鋼管更便于人工控制閥，如圖4。

圖4 J型鋼管

3.3 澆注點(diǎn)的布置

15m的澆注倉(cāng)面共有9個(gè)澆注點(diǎn)，側(cè)面模板每隔5m有一個(gè)澆注點(diǎn)，共6個(gè)，頂部每隔5m有一個(gè)沖天管并配有控制閥共3個(gè)。澆注順序?yàn)椋合葷沧?cè)面模板，側(cè)面澆注點(diǎn)澆注滿(mǎn)后進(jìn)行封堵，然后再澆注下一點(diǎn)。最后澆注頂部3個(gè)沖天管，澆注滿(mǎn)后關(guān)閉閥門(mén)。

沖天管的控制閥門(mén)也是特制的，采用一般的控制閥在混凝土壓力下無(wú)法關(guān)閉或者由于混凝土壓力過(guò)大造成破壞，施工單位采用1cm厚的鋼板在中間切割一個(gè)與沖天管內(nèi)徑相同的圓孔作為閥門(mén)，如圖5。

圖5 沖天管及閥門(mén)

4 結(jié)語(yǔ)

自密實(shí)混凝土拆模后整體效果較好，無(wú)不密實(shí)的部位，無(wú)蜂窩、狗洞的出現(xiàn)，也沒(méi)有冷縫和混凝土分離現(xiàn)象發(fā)生，混凝土呈一個(gè)整體，由于不是整體模板所以在模板的接縫處會(huì)出現(xiàn)輕微錯(cuò)臺(tái)，但不會(huì)影響外觀。

窄口經(jīng)驗(yàn)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(guò)實(shí)踐留下的寶貴成果，推廣與借鑒可以直接縮短同類(lèi)條件下工程項(xiàng)目施工探索與研究的過(guò)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(chǎng)條件積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)最終形成的一套自密實(shí)混凝土在這種特殊條件施工的方法，對(duì)于類(lèi)似工程具有很好的借鑒作用。

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