豎井投料還原技術(shù)在水庫(kù)輸水隧洞施工的可行性分析

董艷青

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124010)

豎井施工技術(shù)在水利工程中已經(jīng)有所應(yīng)用，尤其在輸水隧洞施工中應(yīng)用相對(duì)較為廣泛[1- 6]。通過(guò)豎井投放混凝土拌和物，在井下利用自卸汽車承接后運(yùn)輸至指定地點(diǎn)進(jìn)行澆筑施工。隧洞工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)較高，而混凝土經(jīng)過(guò)豎井投放后由于受重力作用，在投放過(guò)程中速度很快，在豎井底部瞬時(shí)承接停止，可能導(dǎo)致混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)，主要包括混凝土拌和物和易性、硬化混凝土的強(qiáng)度及耐久性等發(fā)生變化，從而影響硬化混凝土質(zhì)量[7]?；炷梁鸵仔允腔炷涟韬臀镌谝欢ㄊ┕l件下，便于施工操作并能獲得質(zhì)量均勻、密實(shí)的混凝土的性能。和易性包括混凝土拌和物的流動(dòng)性、黏聚性和保水性三方面[8]。而到目前為止，還沒(méi)有特別明確的指標(biāo)能全面的反映混凝土拌和物的和易性。一般常用坍落度來(lái)表示混凝土流動(dòng)性的大小，混凝土的黏聚性和保水性常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，需要通過(guò)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)施工的觀察來(lái)判斷其優(yōu)劣[9]。豎井投料過(guò)程中，混凝土拌和物在投放-承接過(guò)程中，骨料間經(jīng)歷了相互撞擊的作用。根據(jù)豎井結(jié)構(gòu)及深度的不同，骨料間的相互作用力也不同，對(duì)混凝土骨料的影響也不一樣[10- 14]。而這種撞擊的直接結(jié)果可能導(dǎo)致混凝土拌和物中大粒徑骨料破碎、小粒徑骨料含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致骨料的級(jí)配發(fā)生變化，從而改變混凝土的和易性和硬化后混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗凍性等[14]。鑒于以上分析及豎井投料過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，提出了“豎井投料還原試驗(yàn)”方法。所謂“豎井投料還原試驗(yàn)”是指，通過(guò)試驗(yàn)將井上、井下混凝土拌和物中的骨料還原，重新測(cè)試其顆粒級(jí)配、壓碎指標(biāo)等，分析豎井投料對(duì)混凝土拌和物中骨料的影響程度，通過(guò)對(duì)井上和井下混凝土拌和物及硬化混凝土技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，綜合分析研究豎井投料技術(shù)的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為研究豎井投料方法對(duì)混凝土拌和物中粗細(xì)骨料級(jí)配及硬化后混凝土強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)的影響程度，以遼寧省某水庫(kù)輸水工程中豎井工程為例，對(duì)其還原試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析本文豎井投料還原試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括骨料、混凝土拌和物工作性、混凝土中骨料級(jí)配以及硬化混凝土性能進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 還原試驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 測(cè)試方法

混凝土原材料中的粗骨料是混凝土的骨架支持。在豎井投料的過(guò)程中可能對(duì)粗骨料性能產(chǎn)生一定的影響，從而改變了混凝土的原有級(jí)配，導(dǎo)致硬化混凝土某些性能指標(biāo)發(fā)生變化。故對(duì)混凝土原材料要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)、測(cè)試。

1.2.1骨料質(zhì)量

根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)細(xì)骨料(河砂)的含泥量、泥塊含量、表觀密度、飽和面干吸水率、堆積密度、空隙率、細(xì)度模數(shù)以及粗骨料的含泥量、泥塊含量、表觀密度、針片狀顆粒含量、堆積密度、空隙率等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2砂石混合料顆粒級(jí)配試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)、測(cè)試豎井投料對(duì)混凝土拌和物中骨料級(jí)配的影響程度，進(jìn)行混凝土拌和物中砂石混合料顆粒級(jí)配試驗(yàn)。考慮到原材料本身也存在一定的不均勻性，故對(duì)拌和前料、拌和后投料前混合料及拌和后投料后混合料分別進(jìn)行級(jí)配測(cè)試。顆粒級(jí)配試驗(yàn)要測(cè)出各粒徑級(jí)的累計(jì)篩余量(砂：SiL；碎石：GiL5-20、GiL20-40)，并依據(jù)混凝土配合比中砂的質(zhì)量比(miS)和碎石的質(zhì)量比(miG5-20、miG20-40)，根據(jù)公式計(jì)算砂石混合料的各粒徑級(jí)累計(jì)篩余量(miH)。各粒徑級(jí)累計(jì)篩余量的計(jì)算公式如下：

miH=SiL×miS+GiL5-20×miG5-20+miG20-40×GiL20-40

(1)

式中，i—第i級(jí)孔徑。

1.2.310～20mm粒徑級(jí)料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)豎井投料對(duì)粗骨料抵抗壓碎能力的影響程度，依據(jù)DL/T 5151《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)混合料中10～20mm粒徑級(jí)料進(jìn)行壓碎指標(biāo)試驗(yàn)。壓碎指標(biāo)計(jì)算見公式(2)(準(zhǔn)確至0.1%)。

(2)

式中，C—壓碎指標(biāo)，%；G0—試樣質(zhì)量，g；G0—試樣壓碎后篩余量，g。

1.2.4混凝土拌和物性能指標(biāo)測(cè)試

為了檢驗(yàn)豎井投料對(duì)混凝土拌和物和易性及含氣量的影響程度，依據(jù)DL/T 5150《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，現(xiàn)場(chǎng)分別測(cè)試了投料前混凝土拌和物和投料后混凝土拌合物的坍落度和含氣量，此外對(duì)硬化后混凝土性能指標(biāo)主要測(cè)試力學(xué)指標(biāo)抗壓強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)抗凍等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其指標(biāo)測(cè)試方法可詳見參考文獻(xiàn)[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 混凝土原材料性能指標(biāo)測(cè)試

在本次試驗(yàn)中砂為河砂，石為河卵石。將拌和前、拌和后投料前和拌和后投料后3種工況下的顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總并分析，結(jié)果見表1，并按混凝土原材料性能指標(biāo)測(cè)試要求，對(duì)拌和前料及拌和后、投料前料和拌和后、投料后料中10～20mm粒徑級(jí)料進(jìn)行壓碎指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 豎井投料還原試驗(yàn)—砂、石混合料顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

表2 豎井投料還原試驗(yàn)—砂、石混合料10～20mm粒徑級(jí)料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

通過(guò)試驗(yàn)分析篩余變化率在孔徑為4.75mm級(jí)以上變化率出現(xiàn)負(fù)值，分析其原因主要為混合料拌和的過(guò)程中機(jī)械損傷或損壞所致，而并非所有篩余變化率均為負(fù)值，正值的存在也恰是反映了混合料的不均勻性和骨料質(zhì)地的差異性以及拌和設(shè)備輸出功率的差異性；在孔徑為2.36mm處，篩余變化率出現(xiàn)拐點(diǎn)，粒徑越大影響程度越大，在2.36mm孔徑篩余累計(jì)變化率達(dá)到極大值，該孔徑以下累計(jì)篩余變化率逐漸減小并趨于0，這符合級(jí)配分布規(guī)律；在2.36mm孔徑以下累計(jì)篩余變化率以正值為普遍分布，但變化率逐漸減小，這種規(guī)律也證明了大粒徑骨料破碎，導(dǎo)致小粒徑料增加。

2.2 混凝土拌和物性能指標(biāo)測(cè)試

按混凝土拌和物性能指標(biāo)測(cè)試要求，對(duì)拌和后、投料前料和拌和后、投料后料的坍落度及含氣量進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)分析結(jié)果見表3—4。

表3 豎井投料還原試驗(yàn)—混凝土拌和物坍落度試驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

進(jìn)行的4組試驗(yàn)中有3組變化量為-3～-5mm(變化率為-15.4%～-2.9%)，1組變化量為39mm(變化率為31.5%)；投料后較拌和后、投料前混凝土拌和物坍落度變化量總體呈現(xiàn)變小趨勢(shì)，但隨著豎井深度的增加，變化量有變大的趨勢(shì)，但不是很明顯。綜上分析豎井投料對(duì)混凝土拌和物坍落度有一定的損失，但隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)的增加，坍落度損失量并不是很大，而且規(guī)律性也不是很明顯。4組含氣量試驗(yàn)中有2組變化量為-0.5%～-0.3%(變化率為-0.3%～-0.1%)，2組變化量為-0.0%～-0.0%(變化率均為0.0%)；豎井投料對(duì)混凝土拌和物含氣量有一定的影響，有損失，但損失量也甚微；隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)增加，含氣量損失的規(guī)律性不是很強(qiáng)。豎井投料使混凝土拌和物中含氣量有一定的損失，但隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)的增加，含氣量損失量并不是很大，而且規(guī)律性也不是很明顯。

表4 豎井投料還原試驗(yàn)—混凝土拌和物含氣量試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

2.3 硬化后混凝土性能指標(biāo)測(cè)試

按硬化后混凝土性能指標(biāo)測(cè)試要求，對(duì)拌和后、投料前和拌和后、投料后混凝土拌和物進(jìn)行成型、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5—7。

表5 豎井投料還原試驗(yàn)—硬化后混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 豎井投料還原試驗(yàn)—硬化后混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 豎井投料還原試驗(yàn)-硬化后混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

4組試驗(yàn)中，有2組試件強(qiáng)度偏低，3組試件強(qiáng)度偏高，強(qiáng)度值變化量不大；投料后較投料前混凝土抗壓強(qiáng)度值變化范圍為-3.9～4.5MPa(變化率為-11.0%～17.6%)；隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)增加，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。豎井投料對(duì)混凝土強(qiáng)度影響很小，而且由于原材料、環(huán)境等諸多因素的影響，導(dǎo)致隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度的變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。拌和后、投料前和投料后混凝土試塊抗?jié)B性能均滿足設(shè)計(jì)要求(>W6)；拌和后、投料前和投料后混凝土試塊抗凍性能均滿足設(shè)計(jì)要求(>F100)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)豎井投料對(duì)混凝土中大粒徑骨料有一定的損害，在本文研究的豎井深度范圍內(nèi)，其破壞程度要小于機(jī)械拌和過(guò)程中對(duì)大粒徑骨料的破壞程度。

(2)豎井投料對(duì)混凝土強(qiáng)度影響很小，而且由于原材料、環(huán)境等諸多因素的影響，導(dǎo)致隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度的變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

(3)隨著豎井深度在一定范圍內(nèi)的增加，含氣量損失量并不是很大，而且規(guī)律性也不是很明顯，在緩沖措施適當(dāng)?shù)那闆r下豎井投料技術(shù)還可應(yīng)用到更深的隧洞施工中。