姜紅斌,金 俊
(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810000)
沙河U 形渡槽位于河南省魯山縣境內(nèi), 是南水北調(diào)中線規(guī)模最大、技術難度最復雜的控制性工程之一。渡槽共設47 跨,單跨長30 m,總長1 410 m,每跨呈雙線4 槽布置,每榀渡槽混凝土461 m3,鋼筋74.4 t,鋼絞線15.5 t, 單榀槽總重量約1200 t。 該渡槽采用C50F200W8 摻加植物纖維素的高流態(tài)混凝土預制,混凝土的澆筑質(zhì)量是整個渡槽預制的核心部分。由于渡槽為薄壁預應力結構,而且槽內(nèi)鋼筋密集,因此,在澆筑時,各部位按設計要求,采用不同級配和相應坍落度的混凝土,以滿足布料和振搗的要求。此外,還要細化布料線路、強度和優(yōu)化振搗設備的選型,以保障不可見部位的混凝土澆筑質(zhì)量, 真正實現(xiàn)特大型U形預制渡槽混凝土內(nèi)實外美的效果。
整個U 形渡槽由端肋、底板、反圓弧段、直墻段、頂部人行道板5 部分組成。 在端肋和反圓弧段澆筑時,由于倉內(nèi)空間狹小(最大90 cm,最小35 cm)、鋼筋密集(平均1m3混凝土約200 kg),不易觀察,下料和振搗困難,因而要求混凝土的坍落度偏上限(220 mm),擴展度在550~600 mm。其他幾個部位,入倉相對直觀,而且振搗較為方便,采用混凝土的坍落度偏下限(180 mm),擴展度在450~500 mm。 具體應用如表1 所示。
表1 渡槽不同部位混凝土參數(shù)值Table 1 Aqueduct different parts concrete parameters
在進行混凝土澆筑時,分層厚度的控制有利于振搗達到理想的效果。 在預制渡槽的澆筑施工中,按照不同部位選擇合理的布料入倉方式、 振搗方案,同時嚴格控制分層厚度,以滿足振搗要求和各層混凝土的層間結合質(zhì)量。 其具體的分層方案為:底板分2 層(總厚度90cm)澆筑,反圓弧段第一排窗口以下分2 層澆筑, 第一排窗口關閉到第二排窗口,分3 層澆筑,第二層窗口關閉到第三層窗口,分4 層澆筑,第三層窗口關閉到頂部人行道板,分8 層澆筑。
1.3.1 窗口設計
沙河U 形渡槽結構形式特殊,高度9.2 m,澆筑混凝土時,倉內(nèi)空間狹?。ê穸?5~50 cm),鋼筋密集,不能直觀地看到混凝土在倉內(nèi)的情況。為了能很好地控制下料的準確性和振搗的密實性,減少下料高度帶來的混凝土離析, 在內(nèi)模板上設置120 個40 cm×40 cm 的窗口(窗口水平間距為1.3 m,垂直間距為1.0~1.5 m,呈梅花形布置),作為混凝土的入倉布料口和振搗棒的插入口,能滿足布料和振搗的要求。
1.3.2 振搗
振搗是保證混凝土密實性的關鍵。 該工程為了使渡槽達到內(nèi)實外美的效果,除了應用插入式振搗器外,在內(nèi)外模板不同的位置共布置了360 個輔助式高頻振搗器。 在施工過程中,采用以插入式為主、輔助式為輔的方式進行振搗,達到了很好的效果。
槽體混凝土采用縱向分段(兩臺布料機各控制渡槽15m 范圍內(nèi)的混凝土入倉)、豎向分層、對稱循環(huán)布料、連續(xù)澆筑、一次成型的澆筑工藝。
U 形渡槽整個澆筑過程及分布如圖1 所示。
2.2.1 Ⅰ部位混凝土澆筑
圖1 預制渡槽澆筑過程振搗器分布意圖Fig. 1 Precast aqueduct casting process
Ⅰ部位在端頭分3 層澆筑,在標準段分2 層澆筑。 澆筑時,從過流面底部注入混凝土,用插入式振搗器進行振搗,同時開啟底部輔助式振搗器。 在支座板埋件部位,從端頭窗口放入插入式振搗棒加強振搗。 Ⅰ部位澆筑完后,人工進行第一次混凝土面平整。 同時,按照先澆先蓋的原則,安裝好壓模,保證在反圓弧段澆筑時可以進行密集的振搗,模板下口不翻漿。
2.2.2 Ⅱ部位混凝土澆筑
Ⅱ部位從第1 排澆筑窗口下料,分2 層進行澆筑。 在澆筑混凝土的同時,開啟外模1#輔助式振搗器,將插入式振搗器自內(nèi)模第1 排窗口插入進行振搗。 Ⅱ部位混凝土振搗是否密實,以內(nèi)模的角模處泛漿為準,并配以聽手錘敲擊聲音,進行檢查。 振搗合格后,清理窗口灑落的混凝土,并關閉第1 排澆筑窗口。然后,依次開啟內(nèi)模1#輔助式振搗器,頻率150 Hz、時長10 s 振一次,Ⅱ部位澆筑完成。
2.2.3 Ⅲ部位混凝土澆筑
從第2 排澆筑窗卸料,分3 層澆筑Ⅲ部位。 在澆筑混凝土的同時, 開啟外模2#輔助式振搗器,將插入式振搗器自內(nèi)模第2 排窗口插入,進行加強振搗。 振搗合格后,清理灑落的混凝土,并關閉第2 排澆筑窗口。然后,依次開啟內(nèi)模2#輔助式振搗器,頻率150Hz、時長10s 振一次,Ⅲ部位澆筑完成。
2.2.4 Ⅳ部位混凝土澆筑
從第3 排澆筑窗口卸料,分3 層澆筑Ⅳ部位。 在澆筑混凝土的同時, 開啟外模3#輔助式振搗器,將插入式振搗器自內(nèi)模第3 排窗口插入,進行加強振搗(需要特別注意窗口兩側盲區(qū)的振搗)。 振搗合格后,清理灑落的混凝土,并關閉第3 排澆筑窗口。 然后,依次開啟內(nèi)模3#輔助式振搗器,頻率150Hz、時長10 s 振2 次。 Ⅳ部位澆筑完成。
在Ⅳ部位第一層澆筑完成后,可以按照先蓋先拆、后蓋后拆的原則,對過流面進行人工分段翻模和壓模拆除,并及時進行第二次人工收面,保證弧面順暢、光潔。
2.2.5 Ⅴ部位混凝土澆筑
從頂部凹槽模板處卸料,分8 層澆筑Ⅴ部位。 將插入式振搗器從頂部插入振搗,同時開啟內(nèi)外模4#輔助式振搗器,幫助下料并振搗。 對該部位的卸料厚度一定要注意控制,每攪拌車(6m3)布一個循環(huán),同時特別注意在振搗棒上做標記,以保證振搗棒的插入深度滿足振搗要求。 該部位澆筑全部完成后,應做好頂板面的人工收面工作。
在混凝土澆筑期間,兩臺布料機分別從兩端向中間方向做循環(huán)上升澆筑,兩腹板混凝土高程控制均衡上升,防止兩側混凝土高低懸殊,造成內(nèi)模偏移。 整個振搗過程不得留有死角和盲區(qū),要嚴格控制振搗棒的有效振搗半徑和振搗時間,層間振搗要保證插入深度,不得出現(xiàn)冷縫。 對內(nèi)外模的緊固、看護,應安排專人負責。
渡槽內(nèi)表面下半部分由圓弧組成,圓弧半徑4 m,弧長13 m,整個圓弧段面積390 m2。 由于反弧段排氣困難,槽體過水面的混凝土表面易出現(xiàn)氣泡、水泡,可能對混凝土的耐久性造成影響。 同時,增大過水斷面糙率,對工程建成后通水流量有不利影響。 通過深入研究和多次試驗論證,決定選用透氣透水模板布解決問題。
在澆筑混凝土時,多余水分、氣泡穿過模板布過濾層進入墊料層,氣泡在墊料層中逸出,水分中的一部分涵養(yǎng)在墊料層中,其余的沿模板趁布外沿滲出。 多余的水分排出后,混凝土表層水與水泥的比值W/C 值就降低,使得混凝土表層致密、堅實,提高了混凝土的強度和耐磨力。 另外,還確保了混凝土在養(yǎng)護期間保持高濕度,將發(fā)生微小裂縫的風險減小到最低。 氣泡逸出后,出現(xiàn)砂眼的幾率也會明顯減少。使用模板布后,反圓弧段的氣泡、水泡基本上得到了消除,節(jié)約了后期的缺陷處理費用和時間。
纖維素纖維即植物纖維,是以特殊植物物種為原料,并以獨特工藝加工的高強高彈模單絲短纖維。因纖維素纖維是由植物細胞自然分裂生長,非人工制作而成,其表面具有很強的握裹力。 在其加工中,采用了特殊的無極材料, 把纖維制成片狀單體,便于纖維的運輸和投放。 片狀單體在水的浸泡和攪拌機摩擦力的作用下,極易分散為纖維單絲,從而產(chǎn)生抗裂效果,可有效提高混凝土的力學性能、抗凍融性及抗?jié)B性。 纖維素纖維有以下作用[3]。
3.2.1 有效阻止混凝土收縮裂縫的發(fā)生
因纖維素纖維具有的天然的親水性、握裹力,巨大的纖維比表面積,以及較高的韌性和強度等,加入混凝土中后,在水的浸泡和攪拌力作用下,會形成大量均勻分布的細小纖維,可有效阻止混凝土塑性收縮、干縮和溫度變化而引起裂縫的發(fā)生。
3.2.2 改善混凝土抗?jié)B性能
纖維素纖維在混凝土中的均勻分布,形成了承托體系,阻礙了表面析水和集料的沉降,降低了混凝土的泌水性,減少了混凝土的泌水通道,使混凝土中的孔隙率大大降低,故而使混凝土的抗?jié)B性能有明顯的提高。
3.2.3 提高混凝土抗凍融性
混凝土中纖維素纖維的存在,可以有效地減少多次凍融循環(huán)而引起的混凝土內(nèi)的抗拉應力集中,阻止微裂縫的進一步擴展。 另外,混凝土抗?jié)B性的提高,也有利于改善其抗凍融性。
3.2.4 提高混凝土抗沖擊性和韌性
纖維素纖維有助于吸收混凝土構件受沖擊時的功能,并且由于纖維的阻裂效應,在混凝土受沖擊荷載作用時,纖維可以阻止內(nèi)部裂縫的迅速擴展,故而可以有效增強混凝土的抗沖擊性和韌性。
3.2.5 改善混凝土耐久性
由于混凝土中的纖維具有良好的抗裂性能,所以能夠有效減少裂縫的發(fā)生和發(fā)展, 降低內(nèi)部孔隙率, 使得外部環(huán)境中的水分腐蝕性和化學介質(zhì)、氯鹽等的侵蝕、滲透減緩。 由于裂縫的大量減少,對結構主筋銹蝕的通道相應減少,從而使混凝土的耐久性得到極大的改善和提高。
根據(jù)已經(jīng)完成渡槽的大量室內(nèi)室外試驗檢測,特大型U 形渡槽的混凝土澆筑工藝得到了進一步肯定,主要的檢測情況如下。
成型試驗主要包括標準養(yǎng)護條件下的抗壓、彈模、抗凍、抗?jié)B試驗及同條件下的抗壓試驗。 其中,抗壓試驗完成450 組, 最大抗壓強度62.4 MPa,最小抗壓強度51.6 MPa,平均強度55.4 MPa,標準差1.74,離散系數(shù)0.031,混凝土保證率100%;彈性模量試驗完成216 組,最大彈性模量43 900 MPa,最小彈性模量35 500 MPa,平均彈性模量39299 MPa;抗凍試驗完成8 組,相對動彈性模量最大93%,最小79.1%,平均88.8%,合格率100%;質(zhì)量損失率最大2.7%,最小0.6%,平均1.2%,合格率100%;抗?jié)B試驗完成8 組,合格率100%。
為了檢查渡槽實體混凝土的澆筑質(zhì)量,在現(xiàn)場進行了大量的回彈試驗, 每榀檢測槽設置30 個測區(qū),每個測區(qū)檢測16 個測點,共對7 榀渡槽進行了回彈檢測,檢測結果如表2 所示。
表2 混凝土結構回彈法抗壓強度檢測結果Table 2 Anti-compressive strength test results of concrete structure rebound method
為了檢驗混凝土的內(nèi)部質(zhì)量,對第2 榀、第60榀、第61 榀、第67 榀渡槽采用聲波透射法、沖擊回波法進行無損檢測。 根據(jù)檢測結果,混凝土總體質(zhì)量較好,強度超過50 MPa。
在渡槽質(zhì)量檢測過程中,采取鉆孔取芯法從第67 榀渡槽實體中抽取3 個芯樣, 進行抗壓強度試驗。 其結果顯示,第67 榀渡槽混凝土強度推定值為55.9 MPa,滿足設計要求。
為了檢驗成品渡槽的整體質(zhì)量,對第1 榀、第5榀、第60 榀渡槽進行充水試驗,分別按照充水深度3.7 m、6.05 m、6.797 m 及滿槽水深7.4 m 共4 個特征水位線進行監(jiān)測,監(jiān)測結果如下:
(1) 變形觀測。 槽身跨中最大豎向位移為1.6 mm、2.0 mm,與設計復核計算沉降量1.7 mm 較為接近。 (2)應力應變。 同斷面同部位的鋼筋計、應變計的測值反應的鋼筋混凝土的受力狀況基本一致,各階段的混凝土應力、應變的變化規(guī)律與設計計算結果基本一致。 (3)錨索測力計。 在充水期間運行良好,充水至7.4m 時,縱向預應力值有所減小,部分環(huán)向預應力略有增大,但都在0.5 t 以內(nèi),放水后趨于穩(wěn)定。
各種檢測結果表明,南水北調(diào)沙河U 形渡槽采用的施工工藝合理、得當,且便于掌握和操作,達到了預期的效果。 該工藝克服了諸多長期以來特大型U 形渡槽混凝土澆筑施工中存在的缺陷和不足,可為類似工程提供參考和借鑒。
[1] GB 506666-2011,混凝土結構工程施工規(guī)范[S].
[2] DLT5144-2001,水工混凝土施工規(guī)范[S].
[3] Cillee.纖維素纖維[EB/OL].(2011-11-17).http://baike.baidu.com/view/270962.htm.