南干渠工程二衬混凝土气泡成因及控制技术.pdf

水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第2期 南干渠工程二衬混凝土气泡成因及控制技术 郑艳侠 ，樊博 ，赵晓芳 ，赵晓维 ( 1 北京市南水北调工程建设管理中心，北京 1 0 0 1 9 5 ；2 北京市南水北调工程建设委员会办公室，北京 1 0 0 0 8 6 ) 摘要 ：针对北京市南水北调配套工程 南干渠二衬混凝土表面存在不 同程度气泡的问题 ，从混凝土配 合比、浇筑过程控制和脱模剂等方面进行 了试验研 究，发现 了气泡产生的主要原 因，提 出了一套成熟 的、有效的控制措施 ，解决 了南干渠二衬混凝土浇筑外观质量的问题。 关键词：南干渠；二衬混凝土；气泡；混凝土配合比；浇E_r - - 艺；南水北调配套工程 ；北京市 中图分类号：T V 6 7 2 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 9 0 - 0 5 Ca us a t i o n o f a i r bu bbl e s o n s e c o nd a r y l i ni ng c o nc r e t e f o r S o ut h M a i n Ca n al a nd r e l e v a n t c o nt r o l t e c hn o l o g y ZHENG Ya n x i a ， F AN Bo ， ZHAO Xi a o f a n g ， ZHAO Xi a o we i ( 1 B e i j i n g C o n s t r u c t i o n Ma n a g e me n t C e n t e r o f S o u t h t o N o a h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t ，B e ij i n g 1 0 0 1 9 5， C h i n a ； 2 T h e O f f i c e o f S o u t h t o N o a h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t C o n s t ruc t i o n C o m m i t t e e o f B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n a c c o r d a n c e wi t h t h e p r o b l e m o f v a r i o u s d e g r e e s o f a i r b u b b l e s o c c u r r e d o n t h e s u r f a c e o f t h e s e c o n d a r y l i n i n g c o n c r e t e o f t h e S o u t h Ma i n C a n a l a n c i l l a r y w o r k s t o t h e S o u t h t o N o a h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t i n B e i j i n g ，t h e e x p e r i me n t s a r e ma d e o n t h e c o n c r e t e mi x i n g r a t i o ，p l a c e me n t p r o c e s s c o n t r o l ，c o n c r e t e r e l e a s e a g e n t ，e t c ，a n d t h e n t h e ma i n c a u s a t i o n s o f t h e a i r b u b b l e a r e fou n d；f o r w h i c h a s e t o f ma t u r e a n d e f f e c t i v e c o n t r o l me a s u r e s a r e p u t f o r w a r d a n d t h e p r o b l e m o f t h e a p p e a r a n c e q u a l i t y o f t h e s e c o n d a r y l i n i n g c o n c r e t e for t h e S o u t h Ma i n C a n a l i S t h e n s o l v e d a s we l 1 Ke y wo r d s ：S o u t h Ma i n C a n a l ；s e c o n d a ry l i n i n g c o n c r e t e ；a i r b u b b l e；c o n c r e t e mi x i n g r a t i o ；p l a c e me n t t e c h n o l o g y；a n c i l l a r y w o r k s t O t h e S o u t h t o N o a h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t ； B e ij i n g 混凝土表面气泡的产生和存在 ，不仅影响了工程 的美观 ，更重要的是它反映了该工程的质量还没有达 到规范标准，如何消除混凝土表面气泡是许多技术人 员和监理工作者常遇 到而又感到棘 手的问题。引 起混凝 土结构表 面气泡 的原 因较 多，也较 复杂 J ， 本文针对北京市南水北调配套工程南干渠二衬混凝土 表面存在不同程度气泡的问题 ，通过试验深入分析了 气泡产生的原因 ，提出解决二衬混凝土浇筑外观质量 的措施和方法 。 1 工程概况 北京市南水北调配套工程南干渠工程输水隧洞浅 埋暗挖段总长 1 1 3 0 2 k m，为两条直径 3 4 0 0 m m钢 筋混凝土现浇圆涵；盾构段总长 1 5 9 8 k m，为一条 直径 4 7 0 0 m m钢筋混凝土现浇圆涵 。一衬( 暗挖初期 支护或盾构管片) 完成后均需进行厚度为 3 5 0 In n的 9 0 C 3 0 WI O二衬钢筋混凝土施工 ，二衬结构中环向钢筋间 距 1 0 0 m m，纵 向钢筋间距 2 0 0 m m。施工 中采用钢模 台车、自密实混凝土一次浇筑成型。南干渠工程沿线 共设二衬施工竖井 3 2座，竖井间距约 8 0 01 0 0 0 In， 竖井深约 l 5 2 0 i n 。 在施工过程中，发现二衬浇筑断面下部混凝土表 面存在不同程度的气泡 、麻面 ，这种现象在类似工程 中也普遍存在。为提高二衬混凝土浇筑的外观质量 ， 形成一套成熟的、有效的控制措施，从混凝土配合 比、脱模剂、浇筑过程控制等方面开展了试验研究。 2 试验安排 本试验共分为三组，分别针对混凝土配合比、浇 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 1 - 3 0 作者简介：郑艳侠( 1 9 7 6 一) ，女， 高级工程师，博士。 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r En g i n e e r i n g V o l 4 4 No 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 筑过程控制和脱模剂 的应用效果进行分组试验研究 ： ( 1 ) 混凝土配合 比，针对 C 3 0 W1 0混凝土配合 比、模 具及混凝土自密性能指标等选用和调整，配合比选用 分为单掺和双掺两种 ，共试验 3 4组 ；( 2 ) 浇筑过程 控制 ，按照不同标段不同浇筑人料方式 ，在 2个标段 分别进行现场实体实验 ，主要针对混凝 土入仓方式 、 浇筑速率 、辅助振捣措施 、自密性能指标等进行组合 试验，混凝土配合比相同；( 3 ) 脱模剂，分别选用机 油 、油脂脱模剂 、食用色拉油和透气性模布四种方式 进行对比试验 。 3 二衬混凝土配合比试验结果分析 本试验采用系列试配循序渐进 、逐步淘汰的试验 方式 ，重点考虑 了矿物掺合料比例 、自密性能比对和 脱模材料三个因素对混凝土气泡的影响 。 3 1 矿物掺合料掺合比例试配试验 通过单掺 、双掺两种方式 以及 不 同掺合 比的试 验，进行混凝土自密性能变化的对比，其性能指标 主要是 。 、坍 落扩展 度两 项性 能 的中 限和上 限的 对 比。根据 已选出的外 加剂种类 ，在南水北调 总干 渠( 西四环暗涵工程) 使用混凝土配合 比的基础上进 一 步优化 ，采取不 同比例 的单 掺 、双掺配 合 比( 见 表 1 ) ，比较对混凝土实体表面气泡分布的影响。 表 1 矿物掺合料掺合 比例试 配 配合 比 ， C 各材料用量 k g m 代号 水 水泥 粉煤灰 矿渣粉 胶材总量 E 0 4 6 1 7 5 2 6 5 l 1 3 3 8 41 6 F 0 4 6 l 7 5 2 4 7 1 0 6 5 7 41 0 G 0 4 6 l 7 5 2 6 5 8 6 5 7 4 0 8 H 0 4 6 1 7 5 3 0 4 1 0 7 41 1 试验结果显示 ，EH试块 大气泡 比较多 ，主要 分布在底部全部及部分腰线 ，气泡占整个圆洞面积的 5 O 左右 ，气泡连接近直线 ，质量差 ，其中由于 E 、 F拆模时间早 ( 6 h ) ，严重粘模 ；G、H试件气泡占整 个圆洞面积的 2 0 左右 ，质量一般 ，G试件底部有 填充未到的大孑 L ，H试件气泡相对较小，但数量太多 接近直线。 由此得出：单掺配合比粉煤灰掺量过高，新拌混 凝土和易性较好，性能指标随时间损失小，但更容易 产生气泡，混凝土浆体中粉煤灰上浮。随着含气量 增高，不规则气泡上浮更多，受底部模板阻碍 ，气 泡紧贴底模 板部 位 ，须 要更 重 的侧 压力逸 散气 泡 。 双掺配合比中若矿渣粉掺量过多，新拌混凝土粘度 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第 2期 郑艳侠， 等南干渠工程二衬混凝土气泡成因及控制技术 增加 ，性能指 标损 失较 大 ，且有 效气 泡引入 困难 ， 含气量越低 分布于底部气 泡的混凝土质量越差 ，需 要很好把握掺量比例 ，以上试验表明矿物掺合料双 掺 比例为( 1 5 ： 1 5 ) 较好 。 3 2 矿物掺合料的不同取代率试验达到最佳 自密性 能指标配合比改进试验 在选用 G号配合 比双掺 比例基础上 ，通过降低 水胶 比、提高单方用水量 ，增加胶结材料的用量和新 拌混凝土稠度及悬浮力 ，来改善混凝土的流动性 ，使 其达到最佳 自密性能指标来 比较对混凝土实体表面气 泡分布的影响( 见表 2 ) 。 表 2 自密性能指标 改进配合 比对 比试验 配合 比 IV C 各材料用量 k g m。 代号 水 水泥 粉煤灰 矿渣粉 胶材总量 G 0 4 6 l 7 5 2 6 5 8 6 5 7 4 08 X 一2 0 4 5 1 8 O 2 6 0 l 1 2 6 0 4 3 2 X 一4 0 4 5 1 8 O 2 8 0 9 0 6 0 4 3 0 M O 4 2 1 8 O 2 7 9 8 4 8 6 4 4 9 N 0 4 2 1 8 O 3 o o 8 4 6 4 4 4 8 表 2 试验结果显示，x一 2试件大气泡多，主要 分布在底部全部及部分腰线范围 ，气泡 占整个 圆洞面 积的 2 O 左右 ，混凝土质量一般 ； X一 4试件底部分 布细小气泡 ，气泡 占整个 圆洞面积 的 1 0 左右，混 凝土质量 相对较好 ；M 试件 大气 泡相对小 气泡多 ， 主要分布在底部全部及部分腰线 ，气泡占整个圆洞面 积的 1 0 左右 ，混凝土质量好 ；N试件底部两端有 1 m m左右大小的气泡 ，小气泡较多分布在腰线及底 部均匀分布 ，气泡 占整个 圆洞 面积的 0 7 左右 ，混 凝土质量优。 随着胶凝材料的增加 ，新拌混凝土的流动明显好 于以往配合 比，气泡的数 量和气泡大小有 明显改善 ， 未 出现砂线现象。随着矿物掺合料的增加 ，对混凝土 表面气泡有影响，矿物掺合料 中粉煤灰掺量越高 ，含 气量越高 ，混凝土表面气泡的较多 ；矿粉掺量越 高， 新拌混凝土越粘 ，含气量不容易引入 ，混凝土表面气 泡较大。 以上试验表明矿物掺合料双掺比例为( 1 5 ： 1 5 ) 较好，同一配合 比比较，含气量最好介于 3 5 一 4 O ，对混凝土外观质量改善 明显 ，x一 4为最优配 合比。 3 3 脱模材料的对 比试验 根据以上选定配合比及确定外加剂引气的引入 量，对使用不同稀释比例脱模剂、机油、色拉油及 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑艳侠， 等南干渠工程二衬混凝土气泡成因及控制技术 透气性模 布等不同材料进行试块试验 ，来观察对混 凝土实体 表面气泡分布 的影响。共试 验 9组 ，组 号 分别为 x一 4( 1 9 ) 。其 中 x一 4 ( 14 ) 试件与 x一 4 ( 6 7 ) 试件采用不同稀释 比例的油性脱模剂 ；X一 4 ( 5 ) 试 件使用 普通机 油 ；X一4( 8 ) 试 件使 用色 拉 油 ；X一4 ( 9 ) 试件 使用透气性 模布 。脱模剂稀释 比 例为：x一 4 ( 1 、2 、6 ) 为 1 ： 0 5；X一 4 ( 3 ) 为 1 ： 0 4 ； x一 4 ( 4) 为 1： 0 2 ；X一4 ( 7 ) 两侧 面分别为 1： 0 2 和 1 - 0 4 。 试验结果显示 x一4 ( 1 ) 试件气泡较 少 ，零 星地 分布于腰线两侧 中部 ， x一 4 ( 3 ) 与 X一4 ( 4 ) 试件少量 气泡分布于底部及腰线靠后端。x一 4 ( 7 ) 试件大气泡 几乎无 ，少量小气泡分布于上部 ，x一 4 ( 8 ) 试件底部 与腰线下部有少量大小不均气泡 ，分布均匀 ；X一4 ( 9 ) 试件左腰线中下部及端头集中三个 2 5 mm左右 气泡 ，其他部位无气泡 ，腰线有少量折皱纹 ，整体外 观非常光洁。 试验表明，对模具表面进行精细清洁保养，增加 表面光洁度可以减少气泡 的吸附，以利于气泡排出； 因试验结构实体较小 ，只要脱模剂涂刷均匀 ，其油性 脱模稀释 比例对外观影响不大 ，通过综合 比较色拉油 脱模效果较好。透气性模布对混凝土外观质量影响非 常大，对气泡的吸附有利，结构整体光洁度高，但在 模具上贴模布要求整体平整度高，粘结力强，成型后 不慎容易有皱纹。 4 二衬混凝土浇筑工艺研究 现场浇筑工艺研究与配合 比试验同步进行 ，优化 配合比完成前 ，采用原配合 比对现场浇筑施工工艺进 行总结 ，完成优化配合 比后 ，进行混凝土浇筑工艺研 究 。 4 1 原混凝土配合比施工工艺现场试验 二衬混凝土产生气泡浇筑过程控制方面的主要影 响因素有 ：混凝土工作性能、混凝土人仓方式、混凝 土浇筑速率 、辅助振捣措施应用情况等。在现场浇筑 过程中重点进行上述因素的对比试验，总结各项施工 参数，指导现场施工操作，力求达到混凝土表面气泡 控制的最佳效果。脱模材料的选择和使用也是混凝土 外观质量控制 的重要一环，脱模材料的对 比研究与现 场工艺优化试验同时进行 。 4 1 1 浇筑 工艺控制研 究 现场试验阶段， 单车混凝土运输时间在3 o 一 5 0 m i n ， 浇筑人仓温度 2 0 ，泵送距 离 5 01 5 0 m。浇筑过 程控制如下：( 1 ) 混凝土工作性能。依据规范要求， 自 密实混凝土坍落扩展度应控制在( 6 5 05 0 ) m m， 试验采用上、中、下限三种性能，即坍落扩展度分别 控制在 7 0 0 mm、6 5 0 mm、6 0 0 m m 左右 进行 对 比。 ( 2 ) 混凝土入仓方式。台车在拱顶 正上方沿 隧洞顺水 流方 向共设 置了 3个灌注 口，正中设置一个 ，距端头 板 2 m左右各设置一个 ，采用 中间灌注 口入仓和端部 人仓两种方式进行对 比研究。( 3 ) 混凝 土浇筑速率。 采用快速不间断浇筑实验一仓，此时混凝土坍落扩展 度控制在中限( 6 5 0 m m左右) ，不振捣 ，避免混凝土 过稠或过稀出现其他缺陷；其余各实验仓均放慢混 凝土浇筑速率 ，采用分车控制 ，每仓混凝 土理论方 量 4 6 m 左右 ，分 6车运输浇筑 ，控制各 车浇筑速 率 、配合不 同辅助振 捣进行 浇筑。 ( 4 ) 辅 助振捣措 施。台车共设置 6台附着式振捣器( 3 8 0 V，1 5 k W， 振动力为 5 0 0 k g ) ，布设在断面腰线下 4 5 。 角位置两 侧 ，每侧 3台，纵向平均分布 。每 台振捣器 单独设 置开关 ，可独立 工作 、单侧 工作 、全仓 工作 ( 见表 3 ) 。实验过程 中，三种方式全部采用 ，每种实验一 仓。 表 3实验 组合方式划分 振捣 影响因素 单机 单侧 全仓 混凝土坍 上限( 7 0 0 mm) 1仓 1 仓 1 仓 中限( 6 5 0 mm) 1仓 1 仓 1 仓 落扩展度 下限( 6 0 0 mm) 1仓 1 仓 1 仓 成 型后混凝土外观质量分析 显示 ：中问入仓与 端部入仓浇筑混凝土对其外观质量影 响不大 ，两种 入仓方式均可采用 ；坍落扩展度 为上限的混凝土成 型后气泡较小 ，但在施工中易产生其他混凝土缺 陷 如砂线 、翻砂等 ；坍落扩展度为下限 的混凝土成 型 后气泡较 大 ；采 用全仓振 捣较单 机及单 侧气泡 少 ， 分部较为均匀 ，且单机或单侧振捣后易 出现气泡集 中现象。综合比较认为，控制混凝土坍落扩展度为 中限，且浇筑时采用全仓振捣方式为优 ，振捣时间 应控制在 1 01 5 S 。 4 1 2 脱模材料试验研 究 经过市场调查 与施工经验 ，选取 反应 良好 的机 油、油脂脱模剂、水质脱模剂和食用色拉油等四种脱 模剂进行对 比试验。共进行三组实体浇筑试验 ，分别 为使用机油与油脂脱模剂脱模对比、使用机油与食用 色拉油脱模对比和使用油脂脱模剂与食用色拉油脱模 对 比，脱模后效果见图 1 。 经过对几种脱模剂的综合比较，可以看出使用色 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m