鏡面混凝土質(zhì)量影響因素及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

杜新國

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

鏡面混凝土成功應(yīng)用其評價標(biāo)準(zhǔn)為鏡面效果長時間維持以及結(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程質(zhì)量控制是兩個重要因素，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。

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)今自密實混凝土雖然可以實現(xiàn)混凝土的自填充和自密實功能，但是由于其高成本性、對環(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，針對普通混凝土的成本低、適應(yīng)性強、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)護工藝等方面，而對混凝土外觀質(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機理，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)測模型；秦明強[6]等研究了振搗頻率與混凝土抗碳化性、滲透性關(guān)系，提出振搗頻率過高或過低都會影響混凝土性能；凌海宇[7]通過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間和水膠比的增加而提高；李佳琦[9]以工程項目為依托，結(jié)合常見的站臺雨棚形式研究了清水混凝土在站臺雨棚中的應(yīng)用；郭永忠[10]通過噴射混凝土配合比試驗和現(xiàn)場噴射試驗，研究了隧道濕噴混凝土回彈率影響因素。

雖然國內(nèi)外學(xué)者在混凝土振搗方面研究較多，但對長距離、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象，研究不同頻率振搗下混凝土的表觀質(zhì)量及回彈強度變化規(guī)律，驗證全斷面應(yīng)用的穩(wěn)定性效果，并提出表觀質(zhì)量控制措施，以期為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

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

3 試驗方法與結(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I級粉煤灰，45 μm方孔篩余7.3%，需水量比94.8%，28 d強度活性指數(shù)為75%；細骨料:人工砂，粗骨料分類、表觀密度和細骨料表觀密度如表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)性能試驗結(jié)果

表2 粗骨料及細骨料表觀密度

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行試驗，配合比如表3所示。

表3 試驗混凝土配合比

3.2 試驗方法

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，開啟振搗棒，記錄模具內(nèi)混凝土排出氣泡所用時間以及混凝土出漿時間，靜止1 h后對混凝土試塊進行脫模并標(biāo)記編號，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d后測量氣泡數(shù)量，如圖1所示，并測試混凝土試塊的回彈強度。

圖1 混凝土氣孔觀測切片示意(單位:mm)

3.3 試驗結(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會產(chǎn)生流動，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間以及氣泡排空時間，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，當(dāng)振搗頻率增大時，其出漿時間和排氣時間用時越短，其中C組混凝土振搗密實時間為10～40 s，而A組混凝土振搗時間是C組混凝土振搗時間的2倍以上。在同組混凝土振搗過程中，不同頻率振搗混凝土其密實所需時間差異也較大，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間試驗結(jié)果

(2)振搗頻率對混凝土內(nèi)氣孔分布影響

通過SEM試驗，探測到混凝土內(nèi)氣孔在介觀和宏觀尺度上可分為兩類:一類為氣泡直徑r＞5 mm，該類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；另一類為氣泡直徑0.5 mm≤r≤5 mm，此類氣泡為混凝土拌和時所引入空氣而產(chǎn)生的微小氣泡。對三組不同配合比的混凝土分別采取不同頻率進行振搗，試塊養(yǎng)護完成后，計算上、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

由表4可知，三組試驗試塊在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，可見在高頻振搗條件下，混凝土內(nèi)部較大氣泡會被分裂成小氣泡。因此在低頻振搗時，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，增強混凝土密實性；高頻振搗時，小氣泡較多，且氣泡在混凝土上下層分布不均勻。

(3)振搗頻率對混凝土回彈強度及勻質(zhì)性影響

采用回彈儀測試試塊的回彈強度，三組混凝土試驗結(jié)果如圖3所示:混凝土坍落度越小、振搗頻率越低時，其勻質(zhì)性較好。當(dāng)振搗棒頻率為250 Hz時，A組混凝土上層回彈強度與下層回彈強度差值最小，為1.4 MPa；當(dāng)振搗棒頻率為200 Hz時，C組混凝土上下層回彈強度差值最大，為5.7 MPa；當(dāng)振搗頻率降低至100 Hz時，其回彈強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 混凝土回彈強度及其勻質(zhì)性試驗結(jié)果

4 穩(wěn)定性分析

4.1 模型建立

使用數(shù)值分析軟件進行模擬計算，模型根據(jù)泄洪排沙孔設(shè)計圖建立[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)場測到的側(cè)壓力在模型中一并計算。

4.3 泄洪排沙洞變形規(guī)律

施工過程中，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；水平方向整體最大位移為0.262 mm，遠小于規(guī)范要求控制值。

圖4 位移云圖

現(xiàn)場監(jiān)測最終拱頂累計沉降為28.6 mm，周邊收斂值為13.3 mm。隨著支護結(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)，說明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合要求。因模擬計算時對模型進行了一定程度的簡化，且監(jiān)測斷面存在時間效應(yīng)導(dǎo)致計算結(jié)果與實測值之間存在一定差異。

5 現(xiàn)場監(jiān)測與質(zhì)量控制措施

為提高鏡面混凝土外觀質(zhì)量合格率，對施工全周期進行現(xiàn)場監(jiān)測。選取300個點進行外觀質(zhì)量調(diào)查、分析、評定，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)測及統(tǒng)計對比

表5 初次外觀質(zhì)量缺陷監(jiān)測

表6 質(zhì)量提高對策

通過現(xiàn)場監(jiān)測指導(dǎo)施工，除解決了色澤不一的問題外，還解決了部分蜂窩麻面問題，較好地控制了裂縫，形成了較好的鏡面效果。

6 結(jié)束語

以河南洛寧泄洪排沙隧洞二襯混凝土為研究對象，開展振搗試驗和混凝土性能測試，并通過分析數(shù)值計算結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測結(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，混凝土上下層氣泡分布均勻、孔隙率小、混凝土密實。(2)當(dāng)混凝土振搗頻率在100～250 Hz范圍內(nèi)時，隨著混凝土振搗頻率提高其勻質(zhì)性降低。針對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)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時指導(dǎo)施工對于提升混凝土外觀質(zhì)量可發(fā)揮積極作用。