鏡面混凝土質量影響因素及結構穩定性研究

杜新國

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

鏡面混凝土成功應用其評價標準為鏡面效果長時間維持以及結構的安全穩定，影響鏡面混凝土外觀質量的因素很多，其中混凝土振搗以及施工過程質量控制是兩個重要因素，保證結構穩定性的前提下提升混凝土外觀質量成為研究熱點。

振搗工藝提升能有效提高混凝土結構及質量[1]。當今自密實混凝土雖然可以實現混凝土的自填充和自密實功能，但是由于其高成本性、對環境以及施工的高標準性導致其不能得到廣泛應用[2]。因此，針對普通混凝土的成本低、適應性強、易操作的振搗棒振搗工藝在施工中仍占據不可替代的地位[3]。目前國內外學者研究主要集中于混凝土材料、配合比及養護工藝等方面，而對混凝土外觀質量及結構穩定性耦合作用的研究較少。溫家馨[4]等研究了混凝土振搗密實機理，闡述了混凝土振搗技術的研究現狀；陳思翰[5]等在細觀層次上研究了基于均勻化理論的混凝土等效彈性模量預測模型；秦明強[6]等研究了振搗頻率與混凝土抗碳化性、滲透性關系，提出振搗頻率過高或過低都會影響混凝土性能；凌海宇[7]通過研究混凝土振搗方式，分析了混凝土的性能；劉艷霞[8]等研究了高頻振搗混凝土作用下水膠比與混凝土性能關系，發現混凝土的抗凍性隨振搗時間和水膠比的增加而提高；李佳琦[9]以工程項目為依托，結合常見的站臺雨棚形式研究了清水混凝土在站臺雨棚中的應用；郭永忠[10]通過噴射混凝土配合比試驗和現場噴射試驗，研究了隧道濕噴混凝土回彈率影響因素。

雖然國內外學者在混凝土振搗方面研究較多，但對長距離、大單寬流量的泄洪排沙隧洞洞內全斷面鏡面效果混凝土施工工藝研究較少。本文以洛寧抽水電站泄洪排沙隧洞C35二襯混凝土為研究對象，研究不同頻率振搗下混凝土的表觀質量及回彈強度變化規律，驗證全斷面應用的穩定性效果，并提出表觀質量控制措施，以期為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

本隧道主要由進水口、出水口和隧洞段組成，洞身長度1 590.00 m，隧洞底板設兩級斜坡，坡度分別為12.5%、5%；出口采用挑流消能，最大過流能力605.00 m3/s；襯砌質量要求高，隧道斷面混凝土采用C35等級。

3 試驗方法與結果分析

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類I級粉煤灰，45 μm方孔篩余7.3%，需水量比94.8%，28 d強度活性指數為75%；細骨料:人工砂，粗骨料分類、表觀密度和細骨料表觀密度如表2所示；減水劑:KDSP聚羧酸高性能減水劑，減水率為26.1%，含氣量為2.3%；配合比拌和用水為普通自來水，所檢指標滿足拌和用水指標要求。

表1 水泥物理力學性能試驗結果

表2 粗骨料及細骨料表觀密度

混凝土坍落度由外加劑摻量控制，混凝土總使用量為357.5 kg/m3，其中粉煤灰占20%，混凝土水膠比為0.42。選擇三組不同坍落度混凝土進行試驗，配合比如表3所示。

表3 試驗混凝土配合比

3.2 試驗方法

為便于觀察混凝土表面氣泡、色差、裂縫、振搗情況等，采用鋼化玻璃＋角鋼支撐的模板。四種振搗頻率分別為100、150、200、250 Hz，開啟振搗棒，記錄模具內混凝土排出氣泡所用時間以及混凝土出漿時間，靜止1 h后對混凝土試塊進行脫模并標記編號，在標準條件下養護28 d后測量氣泡數量，如圖1所示，并測試混凝土試塊的回彈強度。

圖1 混凝土氣孔觀測切片示意(單位:mm)

3.3 試驗結果分析

(1)不同振搗頻率下振搗功效影響

新拌混凝土屬于Bingham流體[11]，混凝土在使用振搗棒振搗時會產生流動，并排出內部由于阻力影響不能自行排出的多余氣泡，用秒表分別記錄不同配合比及不同振搗頻率下的出漿時間以及氣泡排空時間，結果如圖2所示。可以看出，當振搗頻率增大時，其出漿時間和排氣時間用時越短，其中C組混凝土振搗密實時間為10～40 s，而A組混凝土振搗時間是C組混凝土振搗時間的2倍以上。在同組混凝土振搗過程中，不同頻率振搗混凝土其密實所需時間差異也較大，C組最少相差16 s，A組最多相差30 s。

圖2 混凝土振搗出漿及排氣時間試驗結果

(2)振搗頻率對混凝土內氣孔分布影響

通過SEM試驗，探測到混凝土內氣孔在介觀和宏觀尺度上可分為兩類:一類為氣泡直徑r＞5 mm，該類氣泡是由于振搗不充分導致氣泡未能完全排出而產生的形狀不規則的大氣孔；另一類為氣泡直徑0.5 mm≤r≤5 mm，此類氣泡為混凝土拌和時所引入空氣而產生的微小氣泡。對三組不同配合比的混凝土分別采取不同頻率進行振搗，試塊養護完成后，計算上、下兩層混凝土氣孔總數量，如表4所示。

表4 混凝土內部氣泡檢測

由表4可知，三組試驗試塊在250 Hz振搗頻率下，直徑r＞5 mm的氣泡數量最少，直徑0.5 mm≤r≤5 mm氣泡數量最多，可見在高頻振搗條件下，混凝土內部較大氣泡會被分裂成小氣泡。因此在低頻振搗時，混凝土內部大氣泡較多，但上下層氣泡數量相近；適當頻率下混凝土振搗可以提高氣泡的排出效率，增強混凝土密實性；高頻振搗時，小氣泡較多，且氣泡在混凝土上下層分布不均勻。

(3)振搗頻率對混凝土回彈強度及勻質性影響

采用回彈儀測試試塊的回彈強度，三組混凝土試驗結果如圖3所示:混凝土坍落度越小、振搗頻率越低時，其勻質性較好。當振搗棒頻率為250 Hz時，A組混凝土上層回彈強度與下層回彈強度差值最小，為1.4 MPa；當振搗棒頻率為200 Hz時，C組混凝土上下層回彈強度差值最大，為5.7 MPa；當振搗頻率降低至100 Hz時，其回彈強度差值得到較好控制。因此，混凝土的振搗頻率與混凝土均質性密切相關。

圖3 混凝土回彈強度及其勻質性試驗結果

4 穩定性分析

4.1 模型建立

使用數值分析軟件進行模擬計算，模型根據泄洪排沙孔設計圖建立[12]。假定砼為一次澆筑，不考慮改變砼澆筑速率、砼水化、混凝土凝結的流固耦合等因素影響，模型參數依據地勘資料及鏡面混凝土物理力學參數選取。

4.2 模型邊界條件施加

本模型荷載施加步驟:(1)施加土層重力荷載；(2)施加澆筑混凝土時產生的二襯荷載；(3)將現場測到的側壓力在模型中一并計算。

4.3 泄洪排沙洞變形規律

施工過程中，襯砌變形特性可直接體現其穩定狀態。圍巖豎向與水平方向位移如圖4所示。豎向最大位移為1.584 mm，且呈整體向內的趨勢；水平方向整體最大位移為0.262 mm，遠小于規范要求控制值。

圖4 位移云圖

現場監測最終拱頂累計沉降為28.6 mm，周邊收斂值為13.3 mm。隨著支護結構逐漸成型，襯砌變形趨于穩定，尤其在二襯施作完成后變形控制在0.1 mm/d內，說明結構穩定性符合要求。因模擬計算時對模型進行了一定程度的簡化，且監測斷面存在時間效應導致計算結果與實測值之間存在一定差異。

5 現場監測與質量控制措施

為提高鏡面混凝土外觀質量合格率，對施工全周期進行現場監測。選取300個點進行外觀質量調查、分析、評定，內容包括色澤不一、蜂窩麻面、表面不平整、施工裂縫及其他質量缺陷。質量缺陷調查情況如表5所示。通過分析，制定控制措施如表6所示。最終將合格率提高至95.7%，如圖5所示。

圖5 混凝土外觀質量監測及統計對比

表5 初次外觀質量缺陷監測

表6 質量提高對策

通過現場監測指導施工，除解決了色澤不一的問題外，還解決了部分蜂窩麻面問題，較好地控制了裂縫，形成了較好的鏡面效果。

6 結束語

以河南洛寧泄洪排沙隧洞二襯混凝土為研究對象，開展振搗試驗和混凝土性能測試，并通過分析數值計算結果及現場監測結果研究結構穩定性，得到以下結論:(1)混凝土的振搗頻率和坍落度是決定其內部氣泡分布的重要因素，在100～250 Hz振搗頻率內，混凝土振搗效果隨振搗頻率的增大而提升；當坍落度為140 mm、振搗頻率為150 Hz時，混凝土上下層氣泡分布均勻、孔隙率小、混凝土密實。(2)當混凝土振搗頻率在100～250 Hz范圍內時，隨著混凝土振搗頻率提高其勻質性降低。針對不同坍落度的混凝土，選取合適的振搗頻率能有效改善混凝土施工質量。(3)混凝土外觀質量提升措施對其結構穩定性影響較小，采用鏡面混凝土具有較高的可行性及結構穩定性。(4)依據現場監測數據實時指導施工對于提升混凝土外觀質量可發揮積極作用。