自密实混凝土在窄口水库泄洪洞衬砌工程应用的研究

黄绵松 李风亮 李红旭

(1.清华大学水利水电工程系 北京 100084;2.青海省海西州水务局青海德令哈 817000;3.北京华实水木科技有限公司 北京 100084)

1 引言

窄口水库位于河南省灵宝市南23km处,是黄河支流弘农涧河中游的一座大 (Ⅱ)型水库。水库控制流域面积903km2,总库容1.85亿m3,最大坝高77m,主要建筑物有大坝、主溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、灌溉 (发电)洞、水库电站等六大主体。其中水库泄洪洞长约300m,外洞径3.4m,衬砌厚度0.15m,且竖井垂直高度达到70m,是典型的狭小空间,复杂地形的隧洞衬砌工程。泄洪洞衬砌层厚度薄配筋密,钢筋间隙最小处仅有5cm,采用常规混凝土进行浇筑时难以振捣密实。

自密实混凝土 (Self-Compacting Concrete,简称SCC)上世纪80年代由日本东京大学的岗村甫教授研制成功,它是指在浇筑过程中无需施加任何振捣,仅依靠混凝土自重就能完全填充至模板内任何角落和钢筋间隙并且不发生离析泌水的混凝土。钢筋密集、有特殊形状的工程中钢筋间距较小,使用常规混凝土时不易或者不能振捣密实,使用自密实混凝土可以确保建筑物中混凝土的密实。

为了保证窄口水库泄洪洞衬砌层的浇筑密实,本研究采用北京华实水木科技有限公司设计的专用自密实混凝土进行衬砌层的浇筑,并结合现场施工情况进行施工方案设计比选,最终成功完成衬砌层的自密实混凝土浇筑,为自密实混凝土技术在隧洞衬砌工程中复杂条件下施工提供了宝贵的经验。本文首先对工程中所采用的自密实混凝土配合比设计进行介绍,然后对窄口工程中进行自密实混凝土施工方案进行对比分析,最后对自密实混凝土在窄口工程中成功应用的经验进行总结。

2 自密实混凝土配合比设计

2.1 原材料

1)水泥。普通硅酸盐 42.5水泥 (P.O 42.5);

2)粉煤灰。一级粉煤灰;

3)砂。级配情况较好中砂,表观密度为2.56g/cm3;

4)石子。石灰石碎石,表观密度2.75g/cm3;5)减水剂。HS-T自密实混凝土专用外加剂。

2.2 自密实混凝土配合比设计

2.2.1 传统的自密实混凝土的设计思路

自密实混凝土的设计理念与常规混凝土最大的差别在于:自密实混凝土在配合比设计上用粉体取代了相当数量的石子,通过高效减水剂的分散和塑化作用,使浆体具有优良的流动性和粘聚性,能够有效的包裹输运石子,从而达到自密实的效果。图1将自密实混凝土的配合比与常规混凝土的组分比例进行了比较。

在常规混凝土的设计思路中,对工作性能的设计非常简单,往往是根据粗骨料的粒径查表得到对应的用水量,再根据砂的细度模数查表确定砂率,然后通过水灰比公式和自身经验设计满足一定强度要求的混凝土,最后利用质量法或体积法计算得到所需强度等级和工作度要求的混凝土。这样的配合比设计方法在强度上是相对严格的,而对工作性能的控制非常粗糙,检测手段也非常传统和单一,仅参考坍落度指标。而对自密实混凝土而言,为了保证自密实性能在配合比设计上对于每方混凝土中砂、石、粉体和水的体积比例控制非常严格,出于准确和方便的考虑建议使用体积法进行自密实混凝土的配合比设计。

图1 自密实混凝土的组分比例(需使用高效减水剂)

自密实混凝土的制备会因为材料的差异而对配合比设计产生较大的影响;也就是说使用不同砂、石、胶凝材料和减水剂的自密实混凝土配合比会有一定的差异。所以不仅不能够给出一系列通用的配合比设计,也很难在自密实混凝土的配合比设计上给出一个既准确又经济的设计方法,要想配制出性能与经济性两者兼顾的自密实混凝土在实践中积累是至关重要的。东京大学岗村甫教授实验室经过多年研究提出了一整套的自密实混凝土配合比设计方法,依照这个方法经过一定的调整就能够制备出性能优良的自密实混凝土,它的优点在于易于掌握,设计出来的自密实混凝土性能比较稳定;但是,它最大的不足就在于胶凝材料用量过大,往往要使用600kg以上的胶凝材料。岗村教授所提出的自密实混凝土设计方法可简要概括为以下几点:

(1)粗骨料的松堆体积占每方混凝土体积的50%;

(2)细骨料的体积占砂浆体积的40%～42%;

(3)体积水胶比建议为0.9～1.0,具体取决于胶凝材料的组成与性质;

(4)高效减水剂的掺量则通过试配调整得到。

2.2.2 专用自密实混凝土配合比

根据窄口水库的设计要求,专用自密实混凝土应满足C40的要求。工程所使用水泥的体积平均粒径为12.44um,粉煤灰的体积平均粒径为7.05um,胶凝材料级配较好。从图1中可以看到,自密实混凝土具有高性能必须具有一定体积胶凝材料用量。其中胶凝材料包括水泥、粉煤灰及砂中粉体。根据 《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)中的相关规定,自密实混凝土中用砂最好为中砂或中粗砂,根据筛分结果可知此砂为Ⅱ区中砂,级配较好。因石子粒径为5～10mm,根据经验单方石子用量一般不超过290L。综合上述材料情况及强度等级要求,体积水胶比宜控制在0.9～1.1之间,胶凝材料用量约为600kg。

配合比试验采用HJW-60型双卧轴试验室砼搅拌机,首先用水把搅拌机润湿,然后依次把称量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入搅拌机中,搅拌15秒停机。启动搅拌机把称量好的水及外加剂混合后均匀倒入搅拌机中,搅拌3min后出机。立即测扩展度、坍落度及V漏斗时间。在上述分析的建议范围内进行大量试验后,得到一组专用自密实混凝土配合比,见表1,28天抗压强度数值见表2。

表1 专用自密实混凝土配合比(kg/m3)

表2 专用自密实混凝土28d抗压强度(MPa)

上述配合比的28d抗压强度均能够满足C40的要求,综合配合比的材料价格及自密实混凝土工作性能,为最终窄口水库工程专用自密实混凝土配合比。

3 自密实混凝土施工方案

现场施工条件复杂,工程师们对现场自密实混凝土浇筑方案不断的实验和改进,在总结不同浇筑实验的经验与教训的基础上,得到了适合工程实际情况的施工方案。

图2 自密实混凝土施工方案示意图

罐车运输SCC至竖井口,通过内径105mm的泵管自由下落,上端连接有接料漏斗,下端连接同样内径的135度左右的弯头。在长度为70m的竖直泵管中部加设一根“S”型泵管,用作缓冲,目的是减小混凝土下降的巨大落差,从而较好的改善由于落差过大冲力过强造成的混凝土骨料分离。为了最大限度的缩短泵机与浇筑点的距离,减少泵压损失,采用人工小推车进行水平运输,在弯管处接料,并在弯头处加设一个缓冲控制阀,控制管内出料速度,从地面到泵车料斗搭设木板斜坡小推车接料后由工人运输至泵车料斗。自密实混凝土施工流程如图3所示。

采用第此施工方案进行施工后,窄口水库现已顺利完成三仓衬砌自密实混凝土施工,每仓正常浇注时间约10h,理论浇注方量为23m3,实际浇筑方量均在25m3以上。按照施工要求,圆满成功。

4 工程经验

此次浇筑方案的成功为自密实混凝土技术在隧洞衬砌工程中复杂条件下施工提供了宝贵的经验,解决了狭小空间隧洞衬砌施工中困扰业界的难题,具有广泛推荐使用的价值。

4.1 防止超径的骨料进入竖井

竖井口入料处安置2cm×2cm的钢筋过滤网,防止超径的骨料进入竖井。

4.2 防止最下部堵管

由于竖井内径很小仅105mm,竖井最下端采用4m的“丿”型钢管(与水平管相连接的弯头角度约135°)与上部的65m竖直钢管,采用“丿”型钢管可以有效避免自密实砼在竖井内发生骨料分离而造成最下部堵管。而且“丿”型钢管更便于工人控制控制阀。

4.3 浇注点的布置

15m的浇注仓面共有9个浇注点,侧面模板每隔5m有一个浇注点共六个,顶部每隔5m有一个冲天管并配有控制阀共三个。浇注顺序为:先浇注侧面模板,侧面浇注点浇注满后进行封堵,然后再浇注下一点。最后浇注顶部三个冲天管,浇注满后关闭阀门。

冲天管的控制阀门也是特制的,采用一般的控制阀在混凝土压力下无法关闭或者由于砼压力过大造成破坏,施工单位采用1cm厚的钢板在中间切割一个与冲天管内径相同的圆孔作为阀门。

5 结论

自密实混凝土拆模后整体效果较好,无不密实的部位,无蜂窝、狗洞的出现。也没有冷缝和混凝土分离现象发生,混凝土呈一个整体,只是由于不是整体模板所以在模板的接缝处会出现轻微错台,但不会影响外观。

窄口经验是在施工条件复杂、狭小、异型空间的混凝土衬砌典型案例,工程技术人员通过实践留下的宝贵成果,推广与借鉴可以直接缩短同类条件下工程项目施工探索与研究的过程,不仅可以缩短工期、降低成本,最为重要的是这些基于现场条件积累的技术经验最终形成的一套自密实混凝土在这种特殊条件施工的方法,对于类似工程具有很好的借鉴作用。