消能防沖反弧段混凝土成型質量控制工藝研究

張雪冰

（安徽水安建設集團股份有限公司，合肥 230601）

在水利工程樞紐施工建設中， 特定部位常常使用弧形。混凝土表面的氣泡、水泡影響了混凝土的外觀質量及耐久性，特別是在溢洪道消能防沖反弧段。隨著混凝土新技術、新工藝的快速發(fā)展，對混凝土表面外觀效果提出了更高要求。 雖然混凝土技術水平越來越高， 但抑制混凝土表面氣泡的措施卻明顯落后。混凝土施工過程中因為受到原材料、配合比、施工工藝等多方因素影響， 混凝土表層蜂窩麻面始終是建筑施工的重難點問題， 不但對混凝土外觀效果產(chǎn)生影響，且會對混凝土內(nèi)在質量產(chǎn)生影響。施工方需派出專業(yè)隊伍修補， 脫模后進行表面再處理工序十分復雜，耗時耗力。且現(xiàn)澆混凝土表層出現(xiàn)氣泡無法驗收，會延長施工工期。因而，分析現(xiàn)澆混凝土結構表面氣泡和水泡的成因，掌握防治措施十分重要。為了有效減少消能防沖反弧段表面氣泡和水泡，不同學者做了研究。

目前，針對反弧段混凝土易產(chǎn)生氣泡、水泡的現(xiàn)象，主要思路從混凝土的原材料、配合比、坍落度方面進行控制，或是采取模板內(nèi)面張貼透水布的方法。溫金寶等［1］在混凝土內(nèi)摻入4 種外加劑，消泡劑明顯降低混凝土表面氣泡的百分率， 在制備混凝土時常忽視了沙石的種類和顆粒級配這一影響因素，采用河沙制備出來的混凝土保水性能差， 易出現(xiàn)按泌水和離析等問題，從而致使混凝土表面產(chǎn)生氣泡［2］。消能防沖設施一般使用大體積混凝土澆筑完成，陳樊建等［3］基于大體積混凝土溫度應力場分析理論，采用ANSYS 軟件對大壩運行期的受力情況進行詳盡分析，合理解釋了反弧段裂縫成因及其特性。在混凝土成型后，混凝土表面產(chǎn)生的氣泡難以修復彌補，通過采用環(huán)氧砂漿修補技術和環(huán)混凝土硅樹脂透明保護涂裝體系，使處理后的混凝土外觀表面平整，與混凝土色澤相近，耐磨，強度高［4-5］，圓弧沖刷段采用這種防護措施顯得尤為重要。 在混凝土成型后脫模過程混凝土往往會產(chǎn)生麻面和氣泡現(xiàn)象， 蒙脫石基消泡脫模劑可從排除氣泡和減輕混凝土黏附兩個方面消除混凝土表面缺陷， 保證混凝土表面美觀及質量［6］。刑菊香等［7］制備了一種成本較低的多功能混凝土表面優(yōu)化劑，并成功地應用于武漢四環(huán)線多標段。HAN D 等［8］則提出使用模型氣泡，評估了黏度對氣泡遷移的影響，混凝土的黏度是氣泡的成型、發(fā)展和遷移有重要影響因素。董瑞鑫等［9］提出含氣量概念，并建立混凝土的強度與含氣量之間的關系， 合理的含氣量可能有利于混凝土成型及強度的發(fā)展。

以上學者均對混凝土表面產(chǎn)生氣泡的原因及防治措施進行研究， 通過計算初凝時間點進行拆模收面的防治措施還比較少。 本文在借鑒上述方法的基礎上，提出了一種混凝土成型的質量控制新工藝，合理采取分層、振搗，確保混凝土成型密實的情況下，通過計算混凝土初凝時間拆模收面， 徹底解決混凝土表面氣泡、水泡的滯留，保證了混凝土表面成型外觀質量， 從而有效免去混凝土凝固后外表面二次處理，節(jié)約施工成本，保證施工質量。

1 工程概況

安徽省淠史杭灌區(qū)橫排頭樞紐泄洪通道除險加固工程， 新建二級消力池折線堰與消力池水平段采用反弧段連接，使高速水流經(jīng)過時，更加平穩(wěn)。消力池反弧段斷面示意圖如圖1。 消力池垂直水流方向寬度503 m，共分25 塊，每塊消力池寬度20 m；折線堰與水平段順接部位如圖1，兩者之間增設反弧段，弧面半徑為4500 mm， 夾角為34° 圓弧， 弧長2646.01 mm，水平投影長度2496 mm，上下兩端高差760 mm。 反弧段混凝土澆筑外觀成型質量合格率是本工程控制難點， 也是保證本工程建成發(fā)揮泄洪功能的關鍵點。

圖1 消力池反弧段斷面示意圖單位：mm

2 混凝土出現(xiàn)氣泡的主要原因分析

2.1 鋼模板吸水性差

為確保反弧段混凝土成型， 采用不易變形的鋼模板進行施工為最佳方案，但由于鋼模板無吸水性，導致氣泡、 水泡在振搗后只有少部分通過混凝土外露面排出，其余的氣泡、水泡均無法排出，加之模板與混凝土接觸面涂刷脫模劑， 致使混凝土中的水分與脫模劑混合， 黏結在鋼模板與混凝土接觸面的縫隙中，影響混凝土外觀質量。

2.2 分層振搗厚度過大

混凝土澆筑厚度若按常規(guī)混凝土澆筑控制在30cm 左右，因反弧段形狀特殊，澆筑厚度所對應的弧長模板接觸面積過大，會增加了該部位氣泡、水泡排出難度，導出混凝土中氣泡和水泡的產(chǎn)生。反弧段混凝土分層澆筑示意圖如圖2。

圖2 反弧段混凝土分層澆筑示意圖單位：mm

由表1 可看出， 本工程混凝土澆筑厚度若按常規(guī)混凝土澆筑30 cm 左右控制， 其對應的反弧段混凝土面與模板之間接觸弧長為： 第①層分層厚度為28 cm，對應反弧段模板接觸面弧長152.4 cm；第②層分層厚度為30 cm， 對應反弧段模板接觸面弧長72.4 cm；第③層分層厚度為22 cm，對應反弧段模板接觸面弧長43.2 cm。相關參數(shù)如表1。

表1 混凝土澆筑層厚與對應反弧段弧長 單位：m

2.3 振搗棒影響范圍受限

選用50 型振搗棒， 其作用半徑為350～375 mm。反弧段振搗棒振搗示意圖如圖3， 因振搗棒長度有限，且振搗棒受面層鋼模板位置限制，反弧表面無法振搗充分，對“混凝土表面氣泡、水泡”排出影響較大。

圖3 反弧段振搗棒振搗示意圖

3 混凝土氣泡控制措施

在反弧段混凝土施工過程中， ①通過在鋼模板上開設振搗孔，觀察并計算混凝土初凝、拆模、收面等時間，確保在拆模后混凝土不會發(fā)生變形、擾動等情況下，拆除面層鋼模板，人工使用鐵抹收面；②通過減小分層澆筑厚度， 由常規(guī)施工分層30 cm 減小為10～20 cm，對應的反弧段弧長控制在50 cm 左右，最底層不超過100 cm， 利于振搗棒更加充分地振搗混凝土，振搗影響范圍能覆蓋整個混凝土區(qū)域。其他學者研究表明［10-11］，適當?shù)母哳l振搗有利于改善氣泡質量，在振搗作用下，氣泡從底部上升到頂部的速度更快，大尺寸氣泡先被排出，氣泡分布優(yōu)化，氣泡間距系數(shù)減小。反弧段混凝土成型具體施工方法：

（1）施工準備。反弧段混凝土施工前，將與反弧段的接觸面進行鑿毛處理，使新老混凝土充分結合，鑿毛處理完成后對倉面進行沖刷、 清理， 確保無雜物；對照設計圖紙，復核鋼筋、模板等定位、高程控制點，以確保鋼筋、模板安裝滿足設計尺寸要求。

（2）鋼筋制安。按照圖紙設計及規(guī)范要求，根據(jù)定位、高程控制點，準確安裝鋼筋，嚴格控制鋼筋保護層及鋼筋間距。

（3）側面木模板及止水橡皮安裝。根據(jù)定位、高程控制點，準確安裝側面木模板，按照設計圖紙要求安裝橡膠止水帶及伸縮縫。

（4） 弧形鋼模版安裝。 鋼模板安裝根據(jù)現(xiàn)場情況，可在基礎中預埋鋼螺桿，焊接定位鋼筋，定位鋼筋以最終混凝土澆筑面為齊，確保模板安裝后，混凝土澆筑面尺寸符合設計要求。 模板下口定位鋼筋焊接完成后，開始鋼模板拼裝，每塊模板之間采用螺栓連接；采用鋼管、山型卡與預埋鋼螺桿連接進行模板加固，防止模板上浮。為確保鋼模板覆蓋后，振搗設備能充分振搗混凝土，需在鋼模板上開設振搗孔，以50 型振搗棒為例，作用半徑為350～370 mm，每個振搗孔與相鄰振搗孔的距離為630 mm，滿足混凝土振搗要求， 同時振搗孔可作為排氣孔， 有助于部分氣泡、水泡的排出，保證“內(nèi)實外光”。弧形鋼模板安裝現(xiàn)場如圖4。

圖4 弧形鋼模板安裝

（5）鋼筋、模板、止水等驗收。混凝土澆筑前，嚴格實行三檢制， 會同監(jiān)理單位進行混凝土倉面的驗收工作，主要檢查鋼筋間距、搭接長度、錨固長度、保護層厚度，倉面清潔度，止水橡膠安裝，模板順直度、高程及牢固程度。

（6）混凝土澆筑。驗收合格后，進行混凝土澆筑作業(yè)。依據(jù)水工混凝土規(guī)范，反弧段混凝土采用分層澆筑。混凝土采用泵送入倉，根據(jù)反弧段垂直高度與反弧面的弧長比例，確定分層澆筑厚度，確保每層澆筑的混凝土與鋼模板的接觸面寬度50 cm 左右，最底層不超過100 cm，有利于混凝土中氣泡、水泡的排除。混凝土分層澆筑示意圖如圖5。

圖5 分層澆筑示意圖

（7）混凝土初凝前拆模、收面。澆筑過程中，大部分氣泡、水泡會從模板預留的振搗孔跑出，但隨著混凝土澆筑高度增長，氣泡、水泡的排出難度增大。所以在混凝土澆筑完成后，初凝之前，安排專人觀察混凝土的強度變化情況，通過模板上的振搗孔，可用手按壓混凝土表面，觀察變化情況。待混凝土已基本定型，混凝土表面尚未凝固，混凝土處于可塑但不會出現(xiàn)大的擾動狀態(tài)下， 將弧形鋼模板按照混凝土澆筑時入倉順序， 逐塊拆除， 單塊鋼模拆除時間約5～10min，人工隨即進行收面，及時消除混凝土表面的氣泡、水泡，鋼模拆除速度可根據(jù)人工收面速度即時調(diào)整。 混凝土的初凝時間需要根據(jù)施工條件來進行控制，混凝土外加劑（緩凝、早強組分）、礦物摻合料（粉煤灰、礦粉等）、環(huán)境溫度均會影響初凝時間。所以，混凝土的初凝時間，實際上是在較大范圍變化。以C25 常規(guī)混凝土為例，當氣溫在0～5 ℃，初凝時間在8～10 h 之間， 在5～10 ℃， 初凝時間在5～7 h，在10～20 ℃，初凝時間在4～6 h，在20～25 ℃時的初凝時間3～4 h，25～30 ℃初凝時間2～3 h 等。針對不同的環(huán)境因素，現(xiàn)場可通過實驗進行確定，從而達到較好的時間控制。反弧段拆模收面現(xiàn)場如圖6、圖7。

圖6 反弧段拆模收面

圖7 反弧段拆模收面后

（8）混凝土養(yǎng)護。按照規(guī)范及方案要求采用塑料薄膜加土工布全覆蓋，灑水保濕、保溫養(yǎng)護。

通過本文提出的消能防沖反弧段混凝土成型質量控制新工藝，在鋼模板上開設振搗孔，嚴格控制混凝土初凝、拆模、收面等時間，再結合分層澆筑，徹底解決混凝土表面的氣泡、水泡的產(chǎn)生，與傳統(tǒng)施工方式相比，該工藝施工操作簡單易行。

4 結語

針對反弧段混凝土表面易出現(xiàn)水泡、氣泡的施工難題，本文在參考類似工程施工經(jīng)驗基礎上，提出了新的解決思路，即從鋼模板開孔、分層振搗、混凝土臨界初凝狀態(tài)拆模收面等方面進行分析、論證，并經(jīng)實踐取得良好效果，不但保證了反弧段混凝土成型外觀質量，也節(jié)省了二次表面處理，節(jié)約了工期和成本，印證了方法的可行性。但需要指出的是混凝土的拆模收面時間需針對不同地區(qū)、氣溫、強度和配比的混凝土，進一步通過現(xiàn)場試驗明確，更加合理地掌握和控制混凝土收面時機，可為水利工程消力池、水工建筑物底板等弧形（反弧）混凝土工程施工提供參考。