大型土工離心機基礎混凝土質量控制研究

劉春吉

中電建建筑集團有限公司 北京 100120

利用土工離心機可以模擬原型土工結構的受力、變形和破壞，驗證設計方案，進行材料參數研究、驗證數學模型及數值分析計算結果、探索新的巖土工程物理現象，因此在巖土工程領域有較大的應用前景。延慶水科院離心機工程為亞洲最大的離心機試驗室。本項目中混凝土結構基座平整度誤差結構尺寸偏差、裂縫等質量要求高。由于混凝土體積大，在澆筑過程中產生大量的水化熱，如果不采取措施，會產生大面積的裂縫，直接影響工程質量[1]。為達到無裂縫、高精度的設計指標，提高混凝土質量和耐久性，本文從原材料、配合比、混凝土澆筑過程控制及溫度控制方面入手研究。

1 工程概況

本項目為位于北京市延慶區康莊鎮西康路48號大型土工離心機升級改造及試驗研究平臺工程，，距北京市區約80 km。施工場地東側為水資源實驗大廳；南側和西側為北京八達嶺華天國家糧食儲備庫，周邊交通狀況良好，距八達嶺高速公路康莊收費站約2 km。采用長短臂設計型式，變頻電機調速驅動，電機功率：2600KVA，有效轉動半徑為8.0 m，最大有效負載容量：1000g-ton，負載：最大加速度350g，對應最大負載2500kg；加速度200g，對應負載5000kg；試驗吊籃尺寸：2.0 m×1.5 m×2.0 m(<200g);2.0 m×1.3 m×1.5 m(201～350g)。

建筑面積6626 m2，建筑高度18 m，距北京市區約80 km。離心機混凝土墻體厚度1.2 m，部分墻體厚度達8.1 m，墻體高度達到11 m，混凝土分5次澆筑。強度最大標號為C60P8。大型離心機混凝土基座平整度誤差≤1 mm/m；大型離心機與變速箱軸心的偏差≤5 mm；主機室側壁及相關部位平整度允許誤差≤±0.05%(3 mm)；在建造施工中主機室內壁(含頂面及地面)要求光滑平整，需一次澆筑完成，主機室內壁允許進行打磨找平，但不得進行結構修補。

2 工程難點

大離心機基礎混凝土澆筑體積大，采取分次澆筑的方式完成。由于離心機對于基座誤差要求嚴格，在混凝土澆筑中需要特別注意施工質量控制。在澆筑過程中，水泥發生水化反應產生大量的水化熱，如果不采取有效措施，水化熱量導致混凝土內部與表面形成較大溫差，結構發生局部收縮或膨脹，就會產生溫度應力，使混凝土產生大面積微裂縫，直接影響混凝土結構的觀感和質量，難以達到平整度誤差設計標準。

為了使大型離心機基礎的混凝土結構表面平整，接縫處無明顯痕跡和微裂縫，誤差符合要求。現場施工人員分別從原材料的優選、配合比設計、入模溫度控制、振搗、養護和溫度控制等多方面研究，控制混凝土結構質量。

圖1 大型離心機混凝土共分為5次澆筑，其中三次為大體積混凝土澆筑

表1 大型土工離心機澆筑情況

3 混凝土原材料優選

混凝土材料的選擇對結構質量有直接影響，根據工程結構特點選取合適的原材料。混凝土主要材料包括水泥、骨料、各種摻合料和外加劑。為了提高大型土工離心機工程質量，根據大體積混凝土水化熱大的特點，從以下幾個方面加強控制[2]。

3.1 水泥

市場上水泥種類眾多，且性能差別大。在能夠保證混凝土強度要求的前提下，可以選用水化熱小及收縮小的水泥。本項目選用水化熱低的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

3.2 骨料

骨料在混凝土結構中起骨架和填充作用的粒狀材料。在控制粗骨料選擇使用大粒徑，本項目選用5-25 mm碎石，要求含泥量≤1%。細骨料選用含泥量低的好砂。結合實際情況本項目選用水洗中砂，要求含泥量≤3%[3]。

3.3 摻合料

在混凝土中摻入適量的Ⅱ級粉煤灰。球狀顆粒的粉煤灰在混凝土中有潤滑功能，也能改善流動性和可泵性。適量的粉煤灰能減少水泥水化反應產生的熱量，減少內部微裂縫的產生。

3.4 外加劑

外加劑的摻量小，一般情況占比低于水泥用量的5%。但外加劑在混凝土中作用顯著，明顯改善和易性，提高強度和耐久性，減少水泥用量。外加劑的產品質量必須合格，并應先試驗后使用，要有出廠質量合格證和試驗報告單。本項目選用聚羧酸高性能減水劑。

3.5 纖維

在混凝土中加入改性聚丙烯抗裂纖維，主要技術參數如表2所示。能夠提高防裂性能，對于由收縮、溫差等原因導致的微裂縫有明顯改善效果。

表2 聚丙烯纖維主要技術參數

4 混凝土澆筑過程控制

4.1 混凝土配合比設計

在混凝土配置過程中必須結合實際情況進行配比，通過合理的水灰比提高混凝土質量。所以，設計方在設計中必須對大體積混凝土的用途和質量做好全面考慮。降低水化熱和提高礦物摻和料的同時，還要盡可能提高混凝土的耐久性，保證大型土工離心機基礎的質量，提高使用年限[4]。本工程中水灰比：≤0.45；C30/C40坍落度160-180mm，C60坍落度為220-240mm，配合比見表3。

表3 各強度混凝土配合比

4.2 混凝土入模溫度控制

(1) 溫度要求：T水=18℃，T水泥=25℃，T砂=22℃，T石=22℃，派專人在混凝土站測溫，要求商混站對不滿足要求的原材及時作出更換處理。

(2) 混凝土運輸要求：為減少混凝土溫度變化過快，在混凝土罐車外布置保溫隔離層一道，禁止混凝土罐車一次到場過多，在現場等候時間過長。

(3) 混凝土澆筑要求：避免在中午開始澆筑，防止混凝土入模后溫度變化過快。

(4) 常溫時混凝土的入模溫度控制在28℃以下。

4.3 振搗技術

在混凝土振搗時采用Φ50振搗棒，要求工作人員做到快插慢撥。將振動棒上下略有抽動，以使上下振動均勻。分層時振搗棒插入下層50㎜左右，以消除兩層之間接縫。振搗點有規律均勻分布，間距大約450㎜，振搗時間控制在25秒左右。觀察混凝土表面，當灰漿泛出表面即可停止振搗。為壓實混凝土密實度，提高強度和抗裂性能，在凝固前進行二次振搗，這樣可以有效降低混凝土內部微裂縫的出現的可能性[5]。

對于鋼筋排布密集部位，如型鋼位置節點使用尺寸較小的Φ30振搗棒進行振搗，防止振搗棒與鋼筋發生激烈碰撞。振搗時動作不宜過大，對于預埋構件和管道要盡可能減少碰撞，以免移動位置。鋼筋較密區域振搗時采用遠程攝像觀察模式，通過微型攝像頭觀察混凝土內部振搗密實情況。對于大型離心機基座部位表面增加16mm的鋼筋網一層，來保證混凝土的抗裂性與穩定性，對于其他超過1500mm厚的部位，在基礎表面(含頂面與側面)配C14@300的鋼筋網一層。

圖2 觀察鋼筋密集區域內部振搗情況

5 混凝土溫控技術

5.1 溫控指標

入模后混凝土溫度升高值小于50℃；混凝土表面與內部溫度差小于25℃；混凝土溫度降低速率每天不超過2℃；在保溫層拆除時，混凝土表面溫度與空氣溫度差小于20℃[6]。

為了更好的控制溫度差和降溫速率，在混凝土內設降溫管，間距1.2-1.5 m布置，冷水管流速流量控制在1.2-1.5 m3/h，進出口水的溫差應小于6℃。在選好的監測點布置傳感器，動態采集監測混凝土里表溫度數據，根據溫度變化采取措施，控制大體積混凝土裂縫,混凝土溫度數據采集及溫度場分布如圖3所示。

圖3 混凝土溫度數據采集及溫度場分布

5.2 溫控監測設備

將傳感器按照設計位置準確安裝在鋼筋骨架指定位置。在混凝土開始澆筑前，把已經固定好的傳感器插入到位，末端固定好，大約預留25cm。為減小采集數據的誤差，提前對采集器做好防水措施。使用一根規定型號的數據線，將各個采集器串聯起來，并連接到機房的數據適配器的數據總線端口；將數據適配器的USB口與計算機的USB口相聯接。

使用自動配置功能，來配置計算機通訊端口；配置各采集器編號及其傳感器個數、位置、啟用情況；設定測溫時間間隔：設置數據采集器的自動測溫采集時間間隔設定為2小時，讓設備自動定時工作，確保數據和溫度圖形的連續性。數據打印：可以隨時打印出各點整個過程或某時間段內的溫度曲線和報表。

5.3 測試布置

測試區的選擇和測點布置直接影響到溫度控制效果。測試區選擇混凝土澆筑體平面對稱軸線的半條軸線，測試區內監測點應按平面分層布置；測試區內，監測點的位置與數量根據混凝土澆筑體內溫度場的分布情況及溫控的規定確定。

每條軸線至少選取4個監測點位。在厚度方向，表層、底層、中心3處必須設置測點，且間距小于500 mm。保溫養護效果及環境溫度監測點數量應根據具體需要確定。選取混凝土體表以下40 mm處測點溫度作為表層溫度，底面以上40 mm處測點溫度作為底層溫度。大離心機主機室樓板共設置4個測溫點，每豎向點位有3個測溫位置，起步為板澆筑面50mm處位置。大離心機主機室墻體、基座部位分別設置4個測溫點，每豎向點位設有5個測溫位置，起步為澆筑面50 mm的位置。大離心機主機室樓板共設置6個測溫點，每豎向點位有3個測溫位置，起步為板澆筑面50 mm處位置。設置在板的中心位置。

5.4 降溫措施

大離心機基座底板降溫水管水平間距1.2 m，豎向間距1.5 m，-13.5~-8.5 m位置5 m高位置共設置5排降溫水管，第一排距板底0.5 m，上一排與下一排間距1.2 m。大離心機頂板內部降溫管水平間距1.5 m，共設置1排降溫水管,澆筑混凝土時提前試壓試漏情況，因降溫管穿梁，降溫管材質選用DN25鋼管[7]。

大離心機基座部位從基座頂0.5 m至基座底0.5 m螺旋布置降溫管線。澆筑混凝土時提前試壓試漏情況，降溫管材質選用DN15鍍鋅鋼管。基座為3270 mm高，螺旋管螺旋布置高度間距為1 m，螺旋中心半徑為2.5 m，共盤2盤。

6 總結

本文以大型土工離心機為實例，對大體積混凝土質量控制展開研究，可以得出以下結論：

(1) 從原材料的選擇和配合比進行控制，選用水化熱小及收縮小硅酸鹽水泥，低堿含泥量少的粗細骨料，添加適量的摻合料、減水劑及聚丙烯纖維纖維。

(2) 在混凝土澆筑時科學確定配合比，做好入模前的溫度控制，注意做好二次振搗，提高密實度和強度，減少裂縫。

(3) 采用溫控技術實時監測混凝土溫度數據，采取降溫措施，控制混凝土裂縫。