滑模混凝土脫模強(qiáng)度檢測方法的研究及應(yīng)用

李 鳳 玉, 胡 建 立

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 611730)

1 概 述

滑模施工是水利水電工程混凝土施工的主要方式之一,廣泛應(yīng)用于豎井、面板、斜井、溢流面、隧洞底拱、渠道等結(jié)構(gòu)建筑物。在滑模混凝土施工過程中,滑模脫模時的混凝土強(qiáng)度是影響其能否滑升的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。其脫模強(qiáng)度是否適宜關(guān)系到混凝土澆筑的質(zhì)量:脫模強(qiáng)度較低時混凝土易出現(xiàn)垮塌、表面鼓脹現(xiàn)象;脫模強(qiáng)度過高時則會出現(xiàn)模板滑升困難、混凝土拉裂等現(xiàn)象[1]。

雙江口水電站為大渡河干流水電28級梯級規(guī)劃中(自上游向下游)的第 5 級水電站,位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi),是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫工程,其壩址位于大渡河上源河流——足木足河與綽斯甲河匯合口以下約2 km處,電站處于高海拔、高寒地區(qū)。雙江口水電站的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電,電站裝機(jī)容量為2 000 MW,多年平均發(fā)電量為77.07億kW·h,電站水庫正常蓄水位高程為2 500 m,總庫容為27.32億m3,調(diào)節(jié)庫容為19.17億m3。雙江口水電站為一等大(1)型工程,壩高315 m,為目前已建和在建的世界第一高堆石壩,樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河大壩為礫質(zhì)土心墻堆石壩,心墻兩岸岸坡采用蓋板混凝土。雙江口水電站心墻防滲體岸坡部分蓋板混凝土澆筑采用滑模施工,兩岸岸坡坡比為1∶0.58～1∶1.3,具有邊坡高陡、施工難度大的特點。同時,蓋板混凝土采用低熱水泥拌制,受現(xiàn)場強(qiáng)光照、晝夜溫差大(極差達(dá)到18℃)的氣候條件影響,難以對混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行精確地預(yù)測和控制,而滑模的脫模強(qiáng)度則與其相關(guān)[2]。《水工建筑物滑模施工技術(shù)規(guī)范》DL/T 5400-2016中規(guī)定采用貫入阻力法評價滑模混凝土的脫模強(qiáng)度[3]。在室內(nèi)通過篩取砂漿測定貫入阻力并繪制時間與貫入阻力的關(guān)系曲線圖,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求的脫模強(qiáng)度在曲線圖上找到對應(yīng)的時間即為脫模時間。但該方法存在無法進(jìn)行現(xiàn)場檢測和無法真實反映現(xiàn)場滑模混凝土脫模強(qiáng)度的問題,其誤差較大,容易造成質(zhì)量和安全事故。鑒于此,項目部依托雙江口水電站工程進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān),研制出滑模混凝土現(xiàn)場脫模強(qiáng)度測量裝置,并對滑模混凝土脫模強(qiáng)度檢測方法進(jìn)行了探索。該測量裝置及檢測方法已在雙江口水電站工程中成功應(yīng)用并取得了較好的效果,本文介紹了該裝置具體的研究與應(yīng)用過程。

2 滑模施工混凝土脫模強(qiáng)度測量裝置的研制

滑模施工混凝土脫模強(qiáng)度現(xiàn)有的檢測方法是在室內(nèi)通過篩取砂漿并測定貫入阻力、繪制時間與貫入阻力的關(guān)系曲線圖[4],根據(jù)不同部位(如豎井、墩墻、混凝土面板、斜井)要求的脫模強(qiáng)度在曲線圖上找到與其相對應(yīng)的時間即為脫模時間。現(xiàn)場施工時,只要混凝土達(dá)到上述脫模時間即可脫模。但該檢測方法在現(xiàn)場使用時存在以下缺陷:(1)需要篩取砂漿,導(dǎo)致試驗人員工作量大,同時需要處理試驗后的廢棄物;(2)該方法無法對滑模混凝土脫模后的強(qiáng)度進(jìn)行實時檢測;(3)現(xiàn)場滑模混凝土受氣溫、風(fēng)速、光照等氣候條件影響較大,且該方法不能反映現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度的實時變化。綜上所述:該檢測方法無法真實反映現(xiàn)場滑模混凝土脫模時的強(qiáng)度,誤差較大,容易發(fā)生質(zhì)量和安全事故。

目前國內(nèi)尚無準(zhǔn)確檢測滑模混凝土現(xiàn)場脫模強(qiáng)度的儀器設(shè)備及測試方法。滑模提升后,由于混凝土脫模強(qiáng)度不滿足相關(guān)技術(shù)要求將造成質(zhì)量事故或存在安全隱患。混凝土的脫模強(qiáng)度不滿足相關(guān)要求造成的事故有兩種形式。A類形式:混凝土強(qiáng)度偏低,倉面混凝土出現(xiàn)垮塌、鼓包現(xiàn)象;B類形式:混凝土強(qiáng)度偏高,混凝土出現(xiàn)拉裂、模板變形現(xiàn)象。以雙江口水電站右岸高程2 360 m以下蓋板C25W10F50二級配混凝土為例:單次出現(xiàn)A類質(zhì)量事故后,停工處理10 d后才恢復(fù)施工,所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為74 562元;單次出現(xiàn)B類質(zhì)量事故后,將停工處理12 d后才能恢復(fù)施工,所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為89 512元。

針對現(xiàn)有檢測方法存在的不足,此次研制的滑模混凝土脫模強(qiáng)度測量裝置(以下簡稱測量裝置)結(jié)合了混凝土貫入阻力儀和混凝土回彈儀的混凝土強(qiáng)度的檢測原理[5]。該測量裝置由測針、連接桿、壓力傳感器、集成電路板、電源、控制面板、數(shù)顯屏幕等組成。其工作原理為:通過測針貫入混凝土一定深度測定混凝土的貫入壓力,據(jù)此計算混凝土的強(qiáng)度。該裝置主要用于檢測滑模混凝土脫模時的強(qiáng)度,測量范圍為0.1～1.5 MPa,其具有體積小、重量輕、操作簡單的特點;同時現(xiàn)場檢測時無需進(jìn)行混凝土取樣篩取砂漿。該測量裝置見圖1。

圖1 測量裝置示意圖

采用該測量裝置進(jìn)行檢測的步驟為:室內(nèi)標(biāo)定和現(xiàn)場測試。

(1)室內(nèi)標(biāo)定:①將同一批混凝土拌和物試樣分為兩份,一份篩取砂漿后將砂漿裝入試模按照貫入阻力試驗的方法檢測混凝土強(qiáng)度;②將另一份混凝土裝入試模振搗密實后用于標(biāo)定測量裝置;③將測量裝置的測針垂直于混凝土表面施加垂直壓力,待垂直壓力達(dá)到貫入阻力法的壓力時停止施壓,記錄測針的貫入深度和貫入壓力,每次需測試3點,貫入深度取算術(shù)平均值;④繪制貫入壓力-時間-貫入深度曲線,將采用兩種試驗方法建立的曲線圖做差異性比較,進(jìn)一步精確脫模時間以減少誤差。通過曲線圖查找適宜的脫模強(qiáng)度和脫模時間。室內(nèi)標(biāo)定成果見表1,貫入阻力與時間關(guān)系曲線見圖2,貫入阻力儀室內(nèi)測試情況見圖3,新研制儀器室內(nèi)測試標(biāo)定情況見圖4。

表1 室內(nèi)標(biāo)定成果表

圖2 貫入阻力與時間關(guān)系曲線圖

圖3 貫入阻力儀室內(nèi)測試照片

圖4 新研制儀器室內(nèi)測試標(biāo)定照片

(2)現(xiàn)場測試:①滑模滑升5～10 cm高度;②將測量裝置的測針垂直于混凝土表面施加垂直壓力,待測針貫入深度達(dá)到室內(nèi)標(biāo)定試驗的貫入深度時停止施壓,記錄貫入壓力值;③現(xiàn)場每次測試16點,去掉3個最大值和3個最小值后取剩余10點測值的算術(shù)平均值為測定壓力值;④根據(jù)檢測結(jié)果確定滑模是否繼續(xù)滑升。新研制儀器現(xiàn)場測試情況見圖5。

圖5 新研制儀器現(xiàn)場測試照片

3 新研制的測量裝置與貫入阻力法相比具有的特點及優(yōu)點

該測量裝置研制時遵循簡單、適用、方便、試驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠的原則。該儀器于2019年在雙江口水電站投入使用,滑模施工時采用該測量裝置測量滑模混凝土的脫模強(qiáng)度并依據(jù)檢測結(jié)果確定脫模時間、指導(dǎo)滑模施工。

所研制的測量裝置與貫入阻力法相比具有以下特點及優(yōu)點:(1)儀器小巧、輕便,能夠隨身攜帶;(2)無需混凝土取樣篩取砂漿進(jìn)行檢測,從而降低了檢測人員的勞動強(qiáng)度;同時,無檢測棄渣產(chǎn)生實現(xiàn)了綠色環(huán)保;(3)能夠在現(xiàn)場及時檢測,每次檢測僅需10 min,并可在現(xiàn)場提供檢測結(jié)果;(4)檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠,能夠真實反映現(xiàn)場混凝土的實際強(qiáng)度。

采用該測量裝置在施工現(xiàn)場不同環(huán)境條件下對滑模混凝土的脫模強(qiáng)度進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)混凝土貫入阻力隨環(huán)境溫度的升高而逐漸增大。現(xiàn)場不同氣候條件下測量裝置與貫入阻力法結(jié)果比對情況見表2。

表2 現(xiàn)場不同氣候條件下測量裝置與貫入阻力法結(jié)果比對表

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在滑模混凝土施工過程中,第一層混凝土澆筑完成后,按照室內(nèi)試驗進(jìn)行現(xiàn)場脫模強(qiáng)度的時間進(jìn)行預(yù)估,待該時間達(dá)到后,將滑模提升約7 cm進(jìn)行現(xiàn)場混凝土脫模強(qiáng)度檢測,將現(xiàn)場脫模強(qiáng)度測量裝置的測針端部與混凝土表面接觸,測針應(yīng)垂直于混凝土表面,經(jīng)10 s后使測針貫入室內(nèi)試驗確定的深度,記錄貫入阻力值,該值即為即時混凝土強(qiáng)度。現(xiàn)場測試時,每次檢測16個測點,測點均勻分布在混凝土表面,測點不得布置在氣孔、裸露的石子表面或浮漿上。去掉16個測值中3個最大值和3個最小值后取剩余10個測值的算術(shù)平均值作為檢測結(jié)果。依據(jù)脫模強(qiáng)度檢測結(jié)果及施工應(yīng)用情況后發(fā)現(xiàn):將脫模強(qiáng)度控制在0.3～0.5 MPa較為適宜。滑模提升后,觀察混凝土是否存在坍塌、鼓包、拉裂等現(xiàn)象。如無上述現(xiàn)象發(fā)生,則所確定的脫模強(qiáng)度適宜;如存在上述現(xiàn)象,則應(yīng)調(diào)整脫模時間。通過采用新的檢測方法,蓋板滑模混凝土未發(fā)生因脫模時間過短出現(xiàn)的“坍塌、鼓包”現(xiàn)象,同時亦未發(fā)生因脫模時間過長出現(xiàn)的“混凝土拉裂”現(xiàn)象。滑模混凝土澆筑后其表面光滑,形體結(jié)構(gòu)滿足要求。運用該檢測方法后,可以有效保障滑模混凝土的脫模強(qiáng)度(時間)和適宜的滑升速度,減少因現(xiàn)有檢測技術(shù)不能完全反映滑模現(xiàn)場脫模強(qiáng)度造成的質(zhì)量事故及安全事故,減少返工處理和缺陷修補(bǔ)造成的經(jīng)濟(jì)損失。該檢測方法成功應(yīng)用后,“滑模混凝土現(xiàn)場脫模強(qiáng)度測量裝置”獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利證書(證書編號:ZL 2020 2 2012546.2),所編寫的《滑模混凝土脫模強(qiáng)度檢測施工工法》獲得中國水利水電第七工程局有限公司的公司工法(工法編號:QJGF-2021),目前該工法正在申報中國電建集團(tuán)工法,所實施的《滑模混凝土現(xiàn)場脫模強(qiáng)度測量裝置研制》獲得中國電力企業(yè)聯(lián)合會“2022年度電力職工技術(shù)創(chuàng)新獎三等獎”(證書號:PIA-2022-ZG-3254)。

5 結(jié) 語

采用依托雙江口水電站工程施工研制的測量裝置對滑模混凝土現(xiàn)場脫模強(qiáng)度進(jìn)行檢測的工程實踐證明:該裝置能夠在現(xiàn)場及時確定滑模的脫模時間,檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高,能夠有效控制滑模的滑升時間和滑升速度,從而為現(xiàn)場施工提供了有力的技術(shù)支持。采用該方法能夠有效降低人工成本費用并減少混凝土取樣的成本費用;能夠防止滑模脫模時間過早或延遲而造成的混凝土坍塌、鼓脹、拉裂等質(zhì)量事故,進(jìn)而產(chǎn)生間接的經(jīng)濟(jì)效益;同時還能夠避免脫模過晚造成的滑模動力提升系統(tǒng)負(fù)荷過大產(chǎn)生的安全隱患,進(jìn)而產(chǎn)生安全效益。該裝置在整個檢測過程中無混凝土棄渣,進(jìn)而產(chǎn)生出環(huán)保效益。

該檢測方法既可應(yīng)用于水電工程中采用滑模施工的建筑物(如豎井、斜井、混凝土面板、墩墻),確定滑模混凝土的脫模強(qiáng)度并據(jù)此控制適宜的滑升速度,亦可廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山、鐵路、公路等工程中采用滑模施工的結(jié)構(gòu)。