蘇丹阿特巴拉水電站高強薄層抗沖耐磨混凝土施工

王勇

【摘? 要】論文從高標號混凝土配合比設計、控制裂縫措施、澆筑施工技術等方面進行反復研究和實踐，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護等施工技術，有效控制了高強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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）11-0190-04

1 引言

隨著國內外興建的水利水電工程不斷向含泥沙量較大的水域推進，在高速水流區域不斷發現混凝土沖蝕破壞現象，在高速水流區域采用高強薄層抗沖磨混凝土技術越來越常用。另外，國內混凝土結構設計規范（GB 50010—2002）最高強度等級為C80，國內高強混凝土應用也多為C60～C80級，而C80級以上的混凝土研究應用較少，尤其是在水工建筑物中作為大面積抗沖磨混凝土的應用更少。立足于蘇丹阿特巴拉項目C85薄層抗沖耐磨混凝土研究與應用，從高標號混凝土配合比設計、控制裂縫措施、澆筑施工技術等方面反復研究和實踐，采用混凝土中摻加硅粉、聚丙烯纖維和相應澆筑施工技術，最終形成成熟的施工工藝。

2 施工工藝特點

①通過摻加聚丙烯纖維，改善高強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、粉煤灰及減水劑應對骨料抗壓強度相對較低，吸水率高，磨耗率大，實現低品質骨料配置高強混凝土。

③采用正交試驗驗證高強混凝土強度影響的關鍵因數。

④采用漿體硅粉、合理投料、精準拌合、泵送工藝，以及動態摻加混凝土劑、降低混凝土入倉溫度、土工布及時覆蓋飽和水養護等綜合措施，確保高溫、大溫差、干燥大風環境下高強混凝土順利施工。

⑤采用現場試驗塊驗證配合比和澆筑施工工藝，采用翻模施工技術對溢流面等部位施工。

3 適用范圍

適用于高強混凝土施工，特別適用于含泥沙量較大的沖刷侵蝕較大的區域混凝土施工，可廣泛應用于橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程、水利工程等各個土建工程領域。

4 工藝原理

通過高強混凝土容易表面開裂、區域混凝土骨料條件不良、配制高標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、土工布及時覆蓋飽和水養護、泵送工藝澆筑混凝土強度達標、表面裂縫合格的高強薄層抗沖磨混凝土。

5 施工工藝流程及操作要點

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

5.2.1 配合比確定

混凝土配置要求：

①選取優質硅粉和聚丙烯纖維，改善混凝土的微觀結構，增強密實性，提高混凝土強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采取摻加優質粉煤灰的溫控措施，降低水化熱。

④根據工程情況，盡量選取優質骨料。

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，粉煤灰品質檢測的各項指標均滿足GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應用技術規范》，關于粉煤灰的技術要求，在可能情況下選用更優質的粉煤灰，較小的粉煤灰需水量比更優。

③骨料：根據區域條件，選取較好品質骨料，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%，硅粉細度是水泥的1/100～1/50，其比表面積達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，要求達到緩凝和高效減水等優異性能。

C80以上高強抗沖磨混凝土配合比設計：

①混凝土水膠比。高強混凝土水膠比都較低，且通常都要摻加硅粉，同時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%，采用不同水膠比進行對比試驗，水膠比越大塌落度越大，含氣量增大，強度和劈拉強度都減小，根據設計強度選取水膠比。

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，摻量對高強混凝土28d抗壓強度影響不大，根據沖抗磨性和強度選取摻量。

③骨料。采用不同地域骨料，相同配合比比對骨料品質對混凝土抗壓強度、劈拉強度、彈性模量、抗沖磨性能、滲透性能及干縮等的影響，選取技術經濟效益高的骨料。

④混凝土正交試驗。正交試驗全面系統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、粉煤灰摻量、硅粉摻量、超塑化劑種類和緩凝劑摻量共8個因素，抓住影響強度主要因數，最終通過經濟和性能分析，以及現場實驗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間關系進行分析，澆筑溫度、水泥水化熱和空氣溫度變化3個方面來分析溫度應力。

⑥基準配合比。根據配合比試驗和試驗塊澆筑，最終驗證確定配合比。

高強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度達到設計強度，并較好的抗沖磨蝕性能及耐久性，還需具有泵送性，優異抗裂性能，能夠采取溫控措施。

①高強度。正交試驗確定各變量對強度的影響程度，確定強度影響的主要因數是水灰比，粗骨料和硅粉摻量，選取合適的摻量和優質的原材料達到高強度的要求。

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

5.2.2 高強抗沖耐磨混凝土拌合

高強混凝土的拌制比普通混凝土拌制有更嚴格的要求，主要包括原材料質量、原材料計量、用水量控制和原材料預冷。

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

②高強混凝土拌制原材料的計量均按重量計，配料時采用自動計量裝置，計量的允許偏差：水泥和摻合料±1%，粗細骨料為±2%，水及化學外加劑為±1%。每月定期對拌合樓磅秤進行校核。

③配制高強混凝土必須準確控制用水量，骨料含水率是主要影響因素。做到骨料均勻噴淋，且每隔兩個小時測定拌合砂石中的含水率并調整用水量及砂、石用量，嚴禁在拌和物出機后“二次加水”。

④高強混凝土水泥用量多，水化熱較高，為減小溫度應力，降低混凝土入倉溫度，需要對骨料及拌合用水進行預冷。

⑤采用鼓風機方式吹入聚丙烯纖維，延長混凝土拌合時間，保證聚丙烯纖維均勻分布。

5.2.3 高強抗沖耐磨混凝土澆筑

高強混凝土施工工序與常規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的工序，包括模板施工、混凝土運輸、混凝土澆筑、收面、溫度控制和養護等工序施工操作要點。

①模板施工。模板架設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備好下料口封板，在模板表面覆蓋一層土工布。

②混凝土運輸。高強混凝土采用混凝土攪拌運輸車運輸，且注意如下操作要點：第一，在運輸過程中，攪拌罐應保持一定轉速，運至澆筑地點給混凝土泵喂料前，應使攪拌罐中高速運轉20～30s，使混凝土拌合均勻后卸料。第二，在運輸和卸料過程中不得往攪拌罐內注水。第三，由于項目氣候炎熱、空氣干燥，再加上C85抗沖磨混凝土流動度比普通混凝土損失快，要盡量縮短運輸時間，以保證混凝土拌合物有較好的工作度。第四，嚴格控制攪拌運輸車的頻率，既要保證連續澆筑，又要避免壓車。第五，對運抵現場的混凝土要對拌合物的流動度、溫度等進行檢測

③混凝土入倉振搗。高強混凝土澆筑除應滿足一般混凝土澆筑要求，還有以下操作要點：第一，工程的每一部位混凝土的澆筑日期、時間及澆筑條件等全過程都應作詳細紀錄并形成原始檔案。第二，混凝土泵送施工應遵守JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》，還要注意最初始泵送時，先泵出的混凝土應廢棄，直到排出質量一致的、和易性好的混凝土為止。第三，混凝土的泵送作業，應使混凝土連續不斷地輸出，且不產生氣泡。第四，泵機開始工作后，中途不得停機，如非停機不可，停機時間不應超過30min，氣溫超過25℃時不能超過10min;泵送混凝土時，如輸送管內吸入了空氣，應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行復振，上面一層混凝土振搗時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”。在倉號準備時先設置刮面軌，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，進行第一次抹面，在混凝土終凝前1h左右用鋼抹進行第二次抹面。在抹面壓平工序中，嚴禁向混凝土表面灑水，并應防止過度操作影響表面混凝土的質量。

⑤養護。混凝土抹面結束后及時噴霧養護，終凝后覆蓋較厚土工布灑水養護，養護齡期28d。

⑥溫度控制。第一，按混凝土拌合要求對骨料進行預冷，冷卻指標為：砂子5～10℃，小石5～7℃，拌合水5～7℃，控制出機口溫度，控制在10～15℃。第二，混凝土運輸要求必須采用混凝土罐車運輸，且在罐車外部包裹保溫被。要控制罐車運輸頻率，既保證連續澆筑，又要避免壓車。第三，采用臥泵及布料桿入倉澆筑時，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，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的網狀龜裂，如果整個表面龜裂數量很多，根據羅塞雷斯大壩項目C60抗沖磨混凝土裂縫處理方法，拉米爾監理工程師要求在混凝土表面全部涂抹一層2cm厚3066A/B環氧膩子。涂刷環氧膩子前，應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的比例配置環氧膩子，應做到隨配隨用。環氧膩子表面抹光平整度要求為2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，采用開槽填補法處理。修補前處理，在裂縫兩側沿著裂縫用風鎬、風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。將槽內混凝土浮渣、灰塵等用風管清理干凈，并保持槽內干燥。采用NE-Ⅱ型環氧砂漿填補，首先在槽內均勻涂刷環氧基液，待基液將要凝固之前填充環氧砂漿，并用小錘敲擊密實。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氧基液，填充環氧砂漿。填充滿后表面應用鋼抹抹平壓光，與混凝土原表面保持平順，必要時需要打磨平順。

6 質量控制

①高強薄層混凝土施工應遵循GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》的要求。

②每200m3取樣一次，混凝土28天強度標準值大于設計值。

③混凝土原材料滿足規范要求。

④混凝土養護時間不少于28天。

⑤混凝土面允許偏差。

7 效益分析

7.1 經濟效益

通過正交試驗，確定了強度影響的主要因數，采用超低水膠比，減少水泥用量，減少溫控措施，節約成本。

摻加聚丙烯纖維的高強薄層抗沖磨混凝土施工方法，增強混凝土抗裂性能，減少甚至消除混凝土表面裂縫，從而節約了裂縫處理成本，同時節約了工期，經濟效益和工期效益雙贏。

通常配置高強抗沖磨混凝土骨料要求具備混凝土設計強度的2～3倍，本工藝使低品質骨料配置高強混凝土成為可能，并實現混凝土澆筑成型，節約外購骨料成本。

7.2 其他效益

應用本施工工藝，適應了阿特巴拉低品質骨料，降低了遠距離運輸購買高品質骨料成本;采用翻模措施，節約了模板施工成本，并保證了混凝土澆筑質量，加快了施工速度;采用添加聚丙烯纖維，提升混凝土強度，增強耐久性，減少了表面裂縫的產生，效益顯著。