滑模混凝土脫模強度檢測方法的研究及應用

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,廣泛應用于豎井、面板、斜井、溢流面、隧洞底拱、渠道等結構建筑物。在滑模混凝土施工過程中,滑模脫模時的混凝土強度是影響其能否滑升的關鍵技術指標之一。其脫模強度是否適宜關系到混凝土澆筑的質量:脫模強度較低時混凝土易出現垮塌、表面鼓脹現象;脫模強度過高時則會出現模板滑升困難、混凝土拉裂等現象[1]。

雙江口水電站為大渡河干流水電28級梯級規劃中(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,是大渡河流域水電梯級開發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。雙江口水電站的開發任務主要為發電,電站裝機容量為2 000 MW,多年平均發電量為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,調節庫容為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、引水發電系統等組成。攔河大壩為礫質土心墻堆石壩,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,受現場強光照、晝夜溫差大(極差達到18℃)的氣候條件影響,難以對混凝土的早期強度發展進行精確地預測和控制,而滑模的脫模強度則與其相關[2]。《水工建筑物滑模施工技術規范》DL/T 5400-2016中規定采用貫入阻力法評價滑模混凝土的脫模強度[3]。在室內通過篩取砂漿測定貫入阻力并繪制時間與貫入阻力的關系曲線圖,根據相關規范要求的脫模強度在曲線圖上找到對應的時間即為脫模時間。但該方法存在無法進行現場檢測和無法真實反映現場滑模混凝土脫模強度的問題,其誤差較大,容易造成質量和安全事故。鑒于此,項目部依托雙江口水電站工程進行了技術攻關,研制出滑模混凝土現場脫模強度測量裝置,并對滑模混凝土脫模強度檢測方法進行了探索。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用過程。

2 滑模施工混凝土脫模強度測量裝置的研制

滑模施工混凝土脫模強度現有的檢測方法是在室內通過篩取砂漿并測定貫入阻力、繪制時間與貫入阻力的關系曲線圖[4],根據不同部位(如豎井、墩墻、混凝土面板、斜井)要求的脫模強度在曲線圖上找到與其相對應的時間即為脫模時間。現場施工時,只要混凝土達到上述脫模時間即可脫模。但該檢測方法在現場使用時存在以下缺陷:(1)需要篩取砂漿,導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度進行實時檢測;(3)現場滑模混凝土受氣溫、風速、光照等氣候條件影響較大,且該方法不能反映現場混凝土強度的實時變化。綜上所述:該檢測方法無法真實反映現場滑模混凝土脫模時的強度,誤差較大,容易發生質量和安全事故。

目前國內尚無準確檢測滑模混凝土現場脫模強度的儀器設備及測試方法。滑模提升后,由于混凝土脫模強度不滿足相關技術要求將造成質量事故或存在安全隱患。混凝土的脫模強度不滿足相關要求造成的事故有兩種形式。A類形式:混凝土強度偏低,倉面混凝土出現垮塌、鼓包現象;B類形式:混凝土強度偏高,混凝土出現拉裂、模板變形現象。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A類質量事故后,停工處理10 d后才恢復施工,所造成的直接經濟損失為74 562元;單次出現B類質量事故后,將停工處理12 d后才能恢復施工,所造成的直接經濟損失為89 512元。

針對現有檢測方法存在的不足,此次研制的滑模混凝土脫模強度測量裝置(以下簡稱測量裝置)結合了混凝土貫入阻力儀和混凝土回彈儀的混凝土強度的檢測原理[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,據此計算混凝土的強度。該裝置主要用于檢測滑模混凝土脫模時的強度,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;同時現場檢測時無需進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

采用該測量裝置進行檢測的步驟為:室內標定和現場測試。

(1)室內標定: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度;②將另一份混凝土裝入試模振搗密實后用于標定測量裝置;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度和脫模時間。室內標定成果見表1,貫入阻力與時間關系曲線見圖2,貫入阻力儀室內測試情況見圖3,新研制儀器室內測試標定情況見圖4。

表1 室內標定成果表

圖2 貫入阻力與時間關系曲線圖

圖3 貫入阻力儀室內測試照片

圖4 新研制儀器室內測試標定照片

(2)現場測試: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,待測針貫入深度達到室內標定試驗的貫入深度時停止施壓,記錄貫入壓力值;③現場每次測試16點,去掉3個最大值和3個最小值后取剩余10點測值的算術平均值為測定壓力值;④根據檢測結果確定滑模是否繼續滑升。新研制儀器現場測試情況見圖5。

圖5 新研制儀器現場測試照片

3 新研制的測量裝置與貫入阻力法相比具有的特點及優點

該測量裝置研制時遵循簡單、適用、方便、試驗結果準確可靠的原則。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度并依據檢測結果確定脫模時間、指導滑模施工。

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行檢測,從而降低了檢測人員的勞動強度;同時,無檢測棄渣產生實現了綠色環保;(3)能夠在現場及時檢測,每次檢測僅需10 min,并可在現場提供檢測結果;(4)檢測結果準確可靠,能夠真實反映現場混凝土的實際強度。

采用該測量裝置在施工現場不同環境條件下對滑模混凝土的脫模強度進行了檢測,發現混凝土貫入阻力隨環境溫度的升高而逐漸增大。現場不同氣候條件下測量裝置與貫入阻力法結果比對情況見表2。

表2 現場不同氣候條件下測量裝置與貫入阻力法結果比對表

4 現場應用情況

在滑模混凝土施工過程中,第一層混凝土澆筑完成后,按照室內試驗進行現場脫模強度的時間進行預估,待該時間達到后,將滑模提升約7 cm進行現場混凝土脫模強度檢測,將現場脫模強度測量裝置的測針端部與混凝土表面接觸,測針應垂直于混凝土表面,經10 s后使測針貫入室內試驗確定的深度,記錄貫入阻力值,該值即為即時混凝土強度。現場測試時,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個測值的算術平均值作為檢測結果。依據脫模強度檢測結果及施工應用情況后發現:將脫模強度控制在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、拉裂等現象。如無上述現象發生,則所確定的脫模強度適宜;如存在上述現象,則應調整脫模時間。通過采用新的檢測方法,蓋板滑模混凝土未發生因脫模時間過短出現的“坍塌、鼓包”現象,同時亦未發生因脫模時間過長出現的“混凝土拉裂”現象。滑模混凝土澆筑后其表面光滑,形體結構滿足要求。運用該檢測方法后,可以有效保障滑模混凝土的脫模強度(時間)和適宜的滑升速度,減少因現有檢測技術不能完全反映滑模現場脫模強度造成的質量事故及安全事故,減少返工處理和缺陷修補造成的經濟損失。該檢測方法成功應用后,“滑模混凝土現場脫模強度測量裝置”獲得了國家知識產權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工法,所實施的《滑模混凝土現場脫模強度測量裝置研制》獲得中國電力企業聯合會“2022年度電力職工技術創新獎三等獎”(證書號:PIA-2022-ZG-3254)。

5 結 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場脫模強度進行檢測的工程實踐證明:該裝置能夠在現場及時確定滑模的脫模時間,檢測數據準確度高,能夠有效控制滑模的滑升時間和滑升速度,從而為現場施工提供了有力的技術支持。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、拉裂等質量事故,進而產生間接的經濟效益;同時還能夠避免脫模過晚造成的滑模動力提升系統負荷過大產生的安全隱患,進而產生安全效益。該裝置在整個檢測過程中無混凝土棄渣,進而產生出環保效益。

該檢測方法既可應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度并據此控制適宜的滑升速度,亦可廣泛應用于水利水電、礦山、鐵路、公路等工程中采用滑模施工的結構。