镜面混凝土质量影响因素及结构稳定性研究

杜新国

(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000)

1 引言

镜面混凝土成功应用其评价标准为镜面效果长时间维持以及结构的安全稳定，影响镜面混凝土外观质量的因素很多，其中混凝土振捣以及施工过程质量控制是两个重要因素，保证结构稳定性的前提下提升混凝土外观质量成为研究热点。

振捣工艺提升能有效提高混凝土结构及质量[1]。当今自密实混凝土虽然可以实现混凝土的自填充和自密实功能，但是由于其高成本性、对环境以及施工的高标准性导致其不能得到广泛应用[2]。因此，针对普通混凝土的成本低、适应性强、易操作的振捣棒振捣工艺在施工中仍占据不可替代的地位[3]。目前国内外学者研究主要集中于混凝土材料、配合比及养护工艺等方面，而对混凝土外观质量及结构稳定性耦合作用的研究较少。温家馨[4]等研究了混凝土振捣密实机理，阐述了混凝土振捣技术的研究现状；陈思翰[5]等在细观层次上研究了基于均匀化理论的混凝土等效弹性模量预测模型；秦明强[6]等研究了振捣频率与混凝土抗碳化性、渗透性关系，提出振捣频率过高或过低都会影响混凝土性能；凌海宇[7]通过研究混凝土振捣方式，分析了混凝土的性能；刘艳霞[8]等研究了高频振捣混凝土作用下水胶比与混凝土性能关系，发现混凝土的抗冻性随振捣时间和水胶比的增加而提高；李佳琦[9]以工程项目为依托，结合常见的站台雨棚形式研究了清水混凝土在站台雨棚中的应用；郭永忠[10]通过喷射混凝土配合比试验和现场喷射试验，研究了隧道湿喷混凝土回弹率影响因素。

虽然国内外学者在混凝土振捣方面研究较多，但对长距离、大单宽流量的泄洪排沙隧洞洞内全断面镜面效果混凝土施工工艺研究较少。本文以洛宁抽水电站泄洪排沙隧洞C35二衬混凝土为研究对象，研究不同频率振捣下混凝土的表观质量及回弹强度变化规律，验证全断面应用的稳定性效果，并提出表观质量控制措施，以期为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

本隧道主要由进水口、出水口和隧洞段组成，洞身长度1 590.00 m，隧洞底板设两级斜坡，坡度分别为12.5%、5%；出口采用挑流消能，最大过流能力605.00 m3/s；衬砌质量要求高，隧道断面混凝土采用C35等级。

3 试验方法与结果分析

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类I级粉煤灰，45 μm方孔筛余7.3%，需水量比94.8%，28 d强度活性指数为75%；细骨料:人工砂，粗骨料分类、表观密度和细骨料表观密度如表2所示；减水剂:KDSP聚羧酸高性能减水剂，减水率为26.1%，含气量为2.3%；配合比拌和用水为普通自来水，所检指标满足拌和用水指标要求。

表1 水泥物理力学性能试验结果

表2 粗骨料及细骨料表观密度

混凝土坍落度由外加剂掺量控制，混凝土总使用量为357.5 kg/m3，其中粉煤灰占20%，混凝土水胶比为0.42。选择三组不同坍落度混凝土进行试验，配合比如表3所示。

表3 试验混凝土配合比

3.2 试验方法

为便于观察混凝土表面气泡、色差、裂缝、振捣情况等，采用钢化玻璃＋角钢支撑的模板。四种振捣频率分别为100、150、200、250 Hz，开启振捣棒，记录模具内混凝土排出气泡所用时间以及混凝土出浆时间，静止1 h后对混凝土试块进行脱模并标记编号，在标准条件下养护28 d后测量气泡数量，如图1所示，并测试混凝土试块的回弹强度。

图1 混凝土气孔观测切片示意(单位:mm)

3.3 试验结果分析

(1)不同振捣频率下振捣功效影响

新拌混凝土属于Bingham流体[11]，混凝土在使用振捣棒振捣时会产生流动，并排出内部由于阻力影响不能自行排出的多余气泡，用秒表分别记录不同配合比及不同振捣频率下的出浆时间以及气泡排空时间，结果如图2所示。可以看出，当振捣频率增大时，其出浆时间和排气时间用时越短，其中C组混凝土振捣密实时间为10～40 s，而A组混凝土振捣时间是C组混凝土振捣时间的2倍以上。在同组混凝土振捣过程中，不同频率振捣混凝土其密实所需时间差异也较大，C组最少相差16 s，A组最多相差30 s。

图2 混凝土振捣出浆及排气时间试验结果

(2)振捣频率对混凝土内气孔分布影响

通过SEM试验，探测到混凝土内气孔在介观和宏观尺度上可分为两类:一类为气泡直径r＞5 mm，该类气泡是由于振捣不充分导致气泡未能完全排出而产生的形状不规则的大气孔；另一类为气泡直径0.5 mm≤r≤5 mm，此类气泡为混凝土拌和时所引入空气而产生的微小气泡。对三组不同配合比的混凝土分别采取不同频率进行振捣，试块养护完成后，计算上、下两层混凝土气孔总数量，如表4所示。

表4 混凝土内部气泡检测

由表4可知，三组试验试块在250 Hz振捣频率下，直径r＞5 mm的气泡数量最少，直径0.5 mm≤r≤5 mm气泡数量最多，可见在高频振捣条件下，混凝土内部较大气泡会被分裂成小气泡。因此在低频振捣时，混凝土内部大气泡较多，但上下层气泡数量相近；适当频率下混凝土振捣可以提高气泡的排出效率，增强混凝土密实性；高频振捣时，小气泡较多，且气泡在混凝土上下层分布不均匀。

(3)振捣频率对混凝土回弹强度及匀质性影响

采用回弹仪测试试块的回弹强度，三组混凝土试验结果如图3所示:混凝土坍落度越小、振捣频率越低时，其匀质性较好。当振捣棒频率为250 Hz时，A组混凝土上层回弹强度与下层回弹强度差值最小，为1.4 MPa；当振捣棒频率为200 Hz时，C组混凝土上下层回弹强度差值最大，为5.7 MPa；当振捣频率降低至100 Hz时，其回弹强度差值得到较好控制。因此，混凝土的振捣频率与混凝土均质性密切相关。

图3 混凝土回弹强度及其匀质性试验结果

4 稳定性分析

4.1 模型建立

使用数值分析软件进行模拟计算，模型根据泄洪排沙孔设计图建立[12]。假定砼为一次浇筑，不考虑改变砼浇筑速率、砼水化、混凝土凝结的流固耦合等因素影响，模型参数依据地勘资料及镜面混凝土物理力学参数选取。

4.2 模型边界条件施加

本模型荷载施加步骤:(1)施加土层重力荷载；(2)施加浇筑混凝土时产生的二衬荷载；(3)将现场测到的侧压力在模型中一并计算。

4.3 泄洪排沙洞变形规律

施工过程中，衬砌变形特性可直接体现其稳定状态。围岩竖向与水平方向位移如图4所示。竖向最大位移为1.584 mm，且呈整体向内的趋势；水平方向整体最大位移为0.262 mm，远小于规范要求控制值。

图4 位移云图

现场监测最终拱顶累计沉降为28.6 mm，周边收敛值为13.3 mm。随着支护结构逐渐成型，衬砌变形趋于稳定，尤其在二衬施作完成后变形控制在0.1 mm/d内，说明结构稳定性符合要求。因模拟计算时对模型进行了一定程度的简化，且监测断面存在时间效应导致计算结果与实测值之间存在一定差异。

5 现场监测与质量控制措施

为提高镜面混凝土外观质量合格率，对施工全周期进行现场监测。选取300个点进行外观质量调查、分析、评定，内容包括色泽不一、蜂窝麻面、表面不平整、施工裂缝及其他质量缺陷。质量缺陷调查情况如表5所示。通过分析，制定控制措施如表6所示。最终将合格率提高至95.7%，如图5所示。

图5 混凝土外观质量监测及统计对比

表5 初次外观质量缺陷监测

表6 质量提高对策

通过现场监测指导施工，除解决了色泽不一的问题外，还解决了部分蜂窝麻面问题，较好地控制了裂缝，形成了较好的镜面效果。

6 结束语

以河南洛宁泄洪排沙隧洞二衬混凝土为研究对象，开展振捣试验和混凝土性能测试，并通过分析数值计算结果及现场监测结果研究结构稳定性，得到以下结论:(1)混凝土的振捣频率和坍落度是决定其内部气泡分布的重要因素，在100～250 Hz振捣频率内，混凝土振捣效果随振捣频率的增大而提升；当坍落度为140 mm、振捣频率为150 Hz时，混凝土上下层气泡分布均匀、孔隙率小、混凝土密实。(2)当混凝土振捣频率在100～250 Hz范围内时，随着混凝土振捣频率提高其匀质性降低。针对不同坍落度的混凝土，选取合适的振捣频率能有效改善混凝土施工质量。(3)混凝土外观质量提升措施对其结构稳定性影响较小，采用镜面混凝土具有较高的可行性及结构稳定性。(4)依据现场监测数据实时指导施工对于提升混凝土外观质量可发挥积极作用。