蘇丹阿特巴拉水電站高強(qiáng)薄層抗沖耐磨混凝土施工

王勇

【摘? 要】論文從高標(biāo)號混凝土配合比設(shè)計(jì)、控制裂縫措施、澆筑施工技術(shù)等方面進(jìn)行反復(fù)研究和實(shí)踐，通過在混凝土中摻加硅粉和聚丙烯纖維，降低混凝土入倉溫度，泵送入倉澆筑以及覆蓋養(yǎng)護(hù)等施工技術(shù)，有效控制了高強(qiáng)度薄層抗沖耐磨混凝土表面裂縫。

【Abstract】This paper studies and practices the mix proportion design of high grade concrete， crack control measures， pouring construction technology and so on. By adding silica fume and polypropylene fiber into concrete， the temperature of concrete entering the silo is reduced， the surface cracks of high-strength， thin-layer anti-scour and wear-resistant concrete are effectively controlled by the construction techniques such as pump pouring into the silo and covering maintenance.

【關(guān)鍵詞】水電站;抗沖耐磨;混凝土施工

【Keywords】hydropower station; anti-scour and wear-resistant; concrete construction

【中圖分類號】TV544? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）11-0190-04

1 引言

隨著國內(nèi)外興建的水利水電工程不斷向含泥沙量較大的水域推進(jìn)，在高速水流區(qū)域不斷發(fā)現(xiàn)混凝土沖蝕破壞現(xiàn)象，在高速水流區(qū)域采用高強(qiáng)薄層抗沖磨混凝土技術(shù)越來越常用。另外，國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2002）最高強(qiáng)度等級為C80，國內(nèi)高強(qiáng)混凝土應(yīng)用也多為C60～C80級，而C80級以上的混凝土研究應(yīng)用較少，尤其是在水工建筑物中作為大面積抗沖磨混凝土的應(yīng)用更少。立足于蘇丹阿特巴拉項(xiàng)目C85薄層抗沖耐磨混凝土研究與應(yīng)用，從高標(biāo)號混凝土配合比設(shè)計(jì)、控制裂縫措施、澆筑施工技術(shù)等方面反復(fù)研究和實(shí)踐，采用混凝土中摻加硅粉、聚丙烯纖維和相應(yīng)澆筑施工技術(shù)，最終形成成熟的施工工藝。

2 施工工藝特點(diǎn)

①通過摻加聚丙烯纖維，改善高強(qiáng)混凝土容易開裂的問題，增加混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土的抗沖耐磨性。

②通過采用硅粉、聚丙烯纖維、粉煤灰及減水劑應(yīng)對骨料抗壓強(qiáng)度相對較低，吸水率高，磨耗率大，實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)骨料配置高強(qiáng)混凝土。

③采用正交試驗(yàn)驗(yàn)證高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度影響的關(guān)鍵因數(shù)。

④采用漿體硅粉、合理投料、精準(zhǔn)拌合、泵送工藝，以及動(dòng)態(tài)摻加混凝土劑、降低混凝土入倉溫度、土工布及時(shí)覆蓋飽和水養(yǎng)護(hù)等綜合措施，確保高溫、大溫差、干燥大風(fēng)環(huán)境下高強(qiáng)混凝土順利施工。

⑤采用現(xiàn)場試驗(yàn)塊驗(yàn)證配合比和澆筑施工工藝，采用翻模施工技術(shù)對溢流面等部位施工。

3 適用范圍

適用于高強(qiáng)混凝土施工，特別適用于含泥沙量較大的沖刷侵蝕較大的區(qū)域混凝土施工，可廣泛應(yīng)用于橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程、水利工程等各個(gè)土建工程領(lǐng)域。

4 工藝原理

通過高強(qiáng)混凝土容易表面開裂、區(qū)域混凝土骨料條件不良、配制高標(biāo)號混凝土困難的特性，采用摻加硅粉和聚丙烯纖維以及采用降低混凝土入倉溫度、土工布及時(shí)覆蓋飽和水養(yǎng)護(hù)、泵送工藝澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、表面裂縫合格的高強(qiáng)薄層抗沖磨混凝土。

5 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖1所示。

5.2 操作要點(diǎn)

5.2.1 配合比確定

混凝土配置要求：

①選取優(yōu)質(zhì)硅粉和聚丙烯纖維，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)密實(shí)性，提高混凝土強(qiáng)度和抗沖耐磨的特性。

②借助緩凝劑和減水劑，減少用水量，提高混凝土和易性，降低塌落度減少損失。

③采取摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰的溫控措施，降低水化熱。

④根據(jù)工程情況，盡量選取優(yōu)質(zhì)骨料。

原材料選定：

①水泥：采用PO52.5水泥，水泥用量在450～700kg/m3。

②粉煤灰：采用Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰品質(zhì)檢測的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，關(guān)于粉煤灰的技術(shù)要求，在可能情況下選用更優(yōu)質(zhì)的粉煤灰，較小的粉煤灰需水量比更優(yōu)。

③骨料：根據(jù)區(qū)域條件，選取較好品質(zhì)骨料，吸水率低的骨料所需的單位用水量較低，對降低水灰比有利，砂率最好高于40%。

④硅粉：摻量為水泥重量的6%～12%，硅粉細(xì)度是水泥的1/100～1/50，其比表面積達(dá)15000～20000m2/kg。

⑤聚丙烯纖維：聚丙烯纖維的一般摻量為0.6～1.4kg/m3。

⑥外加劑：包括減水劑和緩凝劑，要求達(dá)到緩凝和高效減水等優(yōu)異性能。

C80以上高強(qiáng)抗沖磨混凝土配合比設(shè)計(jì)：

①混凝土水膠比。高強(qiáng)混凝土水膠比都較低，且通常都要摻加硅粉，同時(shí)摻加粉煤灰降低水化熱減少溫度裂縫，選取水膠比0.23～0.3，硅粉摻量采用8%，粉煤灰摻量采用12%，采用不同水膠比進(jìn)行對比試驗(yàn)，水膠比越大塌落度越大，含氣量增大，強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度都減小，根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度選取水膠比。

②粉煤灰摻量。保持水灰比以及其他摻量不變，粉煤灰8%～20%范圍內(nèi)，摻量對高強(qiáng)混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響不大，根據(jù)沖抗磨性和強(qiáng)度選取摻量。

③骨料。采用不同地域骨料，相同配合比比對骨料品質(zhì)對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量、抗沖磨性能、滲透性能及干縮等的影響，選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高的骨料。

④混凝土正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)全面系統(tǒng)地研究分析各因素對混凝土的影響，選取的因素有水膠比、砂率、用水量、粗骨料品質(zhì)、粉煤灰摻量、硅粉摻量、超塑化劑種類和緩凝劑摻量共8個(gè)因素，抓住影響強(qiáng)度主要因數(shù)，最終通過經(jīng)濟(jì)和性能分析，以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)塊最終確定施工配合比。

⑤通過有限元ANSYS軟件對混凝土溫升與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行分析，澆筑溫度、水泥水化熱和空氣溫度變化3個(gè)方面來分析溫度應(yīng)力。

⑥基準(zhǔn)配合比。根據(jù)配合比試驗(yàn)和試驗(yàn)塊澆筑，最終驗(yàn)證確定配合比。

高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土性能檢測：混凝土性能，混凝土需要具有高強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并較好的抗沖磨蝕性能及耐久性，還需具有泵送性，優(yōu)異抗裂性能，能夠采取溫控措施。

①高強(qiáng)度。正交試驗(yàn)確定各變量對強(qiáng)度的影響程度，確定強(qiáng)度影響的主要因數(shù)是水灰比，粗骨料和硅粉摻量，選取合適的摻量和優(yōu)質(zhì)的原材料達(dá)到高強(qiáng)度的要求。

②抗裂性能。高強(qiáng)混凝土水泥標(biāo)號高，水泥膠凝材料用量大，水化熱高，混凝土自身容易產(chǎn)生較高的溫度梯度和內(nèi)外溫差，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過自身的抗拉性能，另外外部濕度較小，干縮也可產(chǎn)生裂縫，以及泵送和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，導(dǎo)致在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。根據(jù)配合比計(jì)算理論抗拉強(qiáng)度，進(jìn)行仿真試塊試驗(yàn)，確定高強(qiáng)混凝土的抗裂性能。

5.2.2 高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土拌合

高強(qiáng)混凝土的拌制比普通混凝土拌制有更嚴(yán)格的要求，主要包括原材料質(zhì)量、原材料計(jì)量、用水量控制和原材料預(yù)冷。

①拌制混凝土的原材料質(zhì)量對混凝土強(qiáng)度等性能影響較大，其中包括骨料級配及含泥量、拌合水質(zhì)量、水泥質(zhì)量等。每天對骨料進(jìn)行篩分及含泥量檢測，每天對拌合水水質(zhì)進(jìn)行檢測，其他材料按每批次抽樣檢測，嚴(yán)禁使用不合格原材料拌制混凝土。

②高強(qiáng)混凝土拌制原材料的計(jì)量均按重量計(jì)，配料時(shí)采用自動(dòng)計(jì)量裝置，計(jì)量的允許偏差：水泥和摻合料±1%，粗細(xì)骨料為±2%，水及化學(xué)外加劑為±1%。每月定期對拌合樓磅秤進(jìn)行校核。

③配制高強(qiáng)混凝土必須準(zhǔn)確控制用水量，骨料含水率是主要影響因素。做到骨料均勻噴淋，且每隔兩個(gè)小時(shí)測定拌合砂石中的含水率并調(diào)整用水量及砂、石用量，嚴(yán)禁在拌和物出機(jī)后“二次加水”。

④高強(qiáng)混凝土水泥用量多，水化熱較高，為減小溫度應(yīng)力，降低混凝土入倉溫度，需要對骨料及拌合用水進(jìn)行預(yù)冷。

⑤采用鼓風(fēng)機(jī)方式吹入聚丙烯纖維，延長混凝土拌合時(shí)間，保證聚丙烯纖維均勻分布。

5.2.3 高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土澆筑

高強(qiáng)混凝土施工工序與常規(guī)泵送混凝土施工基本相同，本工藝主要涉及水工溢流面混凝土施工工藝密切相關(guān)的工序，包括模板施工、混凝土運(yùn)輸、混凝土澆筑、收面、溫度控制和養(yǎng)護(hù)等工序施工操作要點(diǎn)。

①模板施工。模板架設(shè)采用可回收拉桿套件固定，便于快速拆除利于混凝土抹面，拉桿以水平間距1.5m呈梅花樁布置，注意間隔布置下料口并準(zhǔn)備好下料口封板，在模板表面覆蓋一層土工布。

②混凝土運(yùn)輸。高強(qiáng)混凝土采用混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸，且注意如下操作要點(diǎn)：第一，在運(yùn)輸過程中，攪拌罐應(yīng)保持一定轉(zhuǎn)速，運(yùn)至澆筑地點(diǎn)給混凝土泵喂料前，應(yīng)使攪拌罐中高速運(yùn)轉(zhuǎn)20～30s，使混凝土拌合均勻后卸料。第二，在運(yùn)輸和卸料過程中不得往攪拌罐內(nèi)注水。第三，由于項(xiàng)目氣候炎熱、空氣干燥，再加上C85抗沖磨混凝土流動(dòng)度比普通混凝土損失快，要盡量縮短運(yùn)輸時(shí)間，以保證混凝土拌合物有較好的工作度。第四，嚴(yán)格控制攪拌運(yùn)輸車的頻率，既要保證連續(xù)澆筑，又要避免壓車。第五，對運(yùn)抵現(xiàn)場的混凝土要對拌合物的流動(dòng)度、溫度等進(jìn)行檢測

③混凝土入倉振搗。高強(qiáng)混凝土澆筑除應(yīng)滿足一般混凝土澆筑要求，還有以下操作要點(diǎn)：第一，工程的每一部位混凝土的澆筑日期、時(shí)間及澆筑條件等全過程都應(yīng)作詳細(xì)紀(jì)錄并形成原始檔案。第二，混凝土泵送施工應(yīng)遵守JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》，還要注意最初始泵送時(shí)，先泵出的混凝土應(yīng)廢棄，直到排出質(zhì)量一致的、和易性好的混凝土為止。第三，混凝土的泵送作業(yè)，應(yīng)使混凝土連續(xù)不斷地輸出，且不產(chǎn)生氣泡。第四，泵機(jī)開始工作后，中途不得停機(jī)，如非停機(jī)不可，停機(jī)時(shí)間不應(yīng)超過30min，氣溫超過25℃時(shí)不能超過10min;泵送混凝土?xí)r，如輸送管內(nèi)吸入了空氣，應(yīng)立即反泵吸出混凝土至料斗中重新攪拌，排出空氣后再泵送。第五，攤鋪新一層混凝土前要對底部一層混凝土進(jìn)行復(fù)振，上面一層混凝土振搗時(shí)要將振搗棒插入下面一層混凝土中振搗。

④收面。分段分層澆筑，收面采用“一刮二抹”。在倉號準(zhǔn)備時(shí)先設(shè)置刮面軌，布置如圖2所示，混凝土澆筑振搗后，用平直木板沿軌道刮平混凝土面，然后拆除刮面軌，進(jìn)行第一次抹面，在混凝土終凝前1h左右用鋼抹進(jìn)行第二次抹面。在抹面壓平工序中，嚴(yán)禁向混凝土表面灑水，并應(yīng)防止過度操作影響表面混凝土的質(zhì)量。

⑤養(yǎng)護(hù)。混凝土抹面結(jié)束后及時(shí)噴霧養(yǎng)護(hù)，終凝后覆蓋較厚土工布灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期28d。

⑥溫度控制。第一，按混凝土拌合要求對骨料進(jìn)行預(yù)冷，冷卻指標(biāo)為：砂子5～10℃，小石5～7℃，拌合水5～7℃，控制出機(jī)口溫度，控制在10～15℃。第二，混凝土運(yùn)輸要求必須采用混凝土罐車運(yùn)輸，且在罐車外部包裹保溫被。要控制罐車運(yùn)輸頻率，既保證連續(xù)澆筑，又要避免壓車。第三，采用臥泵及布料桿入倉澆筑時(shí)，由于輸送混凝土的泵管較長，需要在泵管外部包裹一層濕麻袋，以降低混凝土輸送過程中的溫升。第四，高溫季節(jié)，澆筑過程中可采取噴霧措施。第五，混凝土澆筑過程中，采用浸濕土工布覆蓋翻轉(zhuǎn)模板，降低模板溫度，防止溫度倒灌。

⑦裂縫處理。第一，寬度小于0.2mm的表面龜裂。對于寬度小于0.2mm的網(wǎng)狀龜裂，如果整個(gè)表面龜裂數(shù)量很多，根據(jù)羅塞雷斯大壩項(xiàng)目C60抗沖磨混凝土裂縫處理方法，拉米爾監(jiān)理工程師要求在混凝土表面全部涂抹一層2cm厚3066A/B環(huán)氧膩?zhàn)印Ｍ克h(huán)氧膩?zhàn)忧埃瑧?yīng)將混凝土表面灰塵及雜物等清理干凈，并保持干燥。按配合比A組分：B組分=1∶1的比例配置環(huán)氧膩?zhàn)?，?yīng)做到隨配隨用。環(huán)氧膩?zhàn)颖砻婺ü馄秸纫鬄?延米不超過2mm。第二，寬度大于0.2～0.5mm的表層裂縫。對于裂縫寬度介于0.2～0.5mm的表面裂縫，采用開槽填補(bǔ)法處理。修補(bǔ)前處理，在裂縫兩側(cè)沿著裂縫用風(fēng)鎬、風(fēng)鉆或人工將混凝土鑿除開V型槽，開槽深度以看不到裂縫為止，開槽寬度上口為4cm。將槽內(nèi)混凝土浮渣、灰塵等用風(fēng)管清理干凈，并保持槽內(nèi)干燥。采用NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿填補(bǔ)，首先在槽內(nèi)均勻涂刷環(huán)氧基液，待基液將要凝固之前填充環(huán)氧砂漿，并用小錘敲擊密實(shí)。如開槽深度超過2cm，則需分層填充，每層填充厚度不超過2cm。需要分層填充的，待底部一層凝固后再涂刷環(huán)氧基液，填充環(huán)氧砂漿。填充滿后表面應(yīng)用鋼抹抹平壓光，與混凝土原表面保持平順，必要時(shí)需要打磨平順。

6 質(zhì)量控制

①高強(qiáng)薄層混凝土施工應(yīng)遵循GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

②每200m3取樣一次，混凝土28天強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于設(shè)計(jì)值。

③混凝土原材料滿足規(guī)范要求。

④混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28天。

⑤混凝土面允許偏差。

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過正交試驗(yàn)，確定了強(qiáng)度影響的主要因數(shù)，采用超低水膠比，減少水泥用量，減少溫控措施，節(jié)約成本。

摻加聚丙烯纖維的高強(qiáng)薄層抗沖磨混凝土施工方法，增強(qiáng)混凝土抗裂性能，減少甚至消除混凝土表面裂縫，從而節(jié)約了裂縫處理成本，同時(shí)節(jié)約了工期，經(jīng)濟(jì)效益和工期效益雙贏。

通常配置高強(qiáng)抗沖磨混凝土骨料要求具備混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的2～3倍，本工藝使低品質(zhì)骨料配置高強(qiáng)混凝土成為可能，并實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑成型，節(jié)約外購骨料成本。

7.2 其他效益

應(yīng)用本施工工藝，適應(yīng)了阿特巴拉低品質(zhì)骨料，降低了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸購買高品質(zhì)骨料成本;采用翻模措施，節(jié)約了模板施工成本，并保證了混凝土澆筑質(zhì)量，加快了施工速度;采用添加聚丙烯纖維，提升混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)耐久性，減少了表面裂縫的產(chǎn)生，效益顯著。