泵送水下灌筑坡面混凝土的设计.doc

泵送水下灌筑坡面混凝土的设计周厚贵(中国葛洲坝集团公司宜昌443002)摘要对泵送水下灌筑坡面混凝土，给出了这一特种混凝土的设计方法和程序，提出了一组实用的混凝土配比，作为应用实例，介绍了葛洲坝工程大江防淤堤水下护坡混凝土的实施效果。关键词泵送混凝土水下混凝土坡面浇筑自然成坡1引言在水利水电工程、河海整治工程或港口码头工程的建设中常常会遇到坡面浇筑混凝土的问题。而在这类坡面混凝土的浇筑中，又不乏遇到水下坡面混凝土的浇筑，如水下护堤、护坡、斜面护底、斜面填塘和倾斜结构垫层等。进行水下坡面混凝土的灌筑，通常采用混凝土搅拌运输车供料，混凝土泵(或泵车)配以导管法入仓的施工方法，并在浇筑过程中，由低向高，分排推进，利用混凝土水下自然成坡，经过逐次校正，最后形成水下坡面。针对这类特种混凝土的设计，除了必须满足设计部位的混凝土力学强度和密实性能外，还必须同时满足以下各项要求。首先须满足泵送的要求，即混凝土应具有适度的胶凝材料用量和较好的和易性、可泵性、流动性和粘聚性；其次，须满足水下灌筑的要求，即混凝土应具有相应的流动性、粘聚性和稳定性；第三，还必须满足坡面浇筑的需要，即在一定的设计坡度、施工不立顶模的条件下混凝土应具有一定的自然成坡性能，浇筑后能够形成一道坡面，也就是希望混凝土在水下的自然成坡能够满足或接近于设计坡度值。为此，本文针对上述各项特定要求的泵送水下灌筑坡面混凝土的设计加以研究和探讨。2混凝土的设计2.1混凝土塌落度在一定的值域内，随着混凝土塌落度的增加，泵送压力损失减小，效率随之提高。通常，混凝土泵(车)可泵的范围在9cm23 cm内，但由于泵(车)的使用磨耗和机械能力的降低，下限值应保持在10 cm以上，因此，就满足泵送的需要而言，要求塌落度能在前述塌落度范围内偏大为好。对于水下浇筑而言，为防止混凝土输送过程中的骨料分离，保证灌筑混凝土的扩散半径和密实度，一般要求混凝土塌落度控制在18 cm22 cm为宜，这一范围全部落在可泵的范围之内，故与泵送的要求不存在矛盾。然而，对于坡面施工来说，试验表明，水下混凝土的自然成坡与混凝土塌落度直接相关，且一般塌落度值越大，自然成坡能力就越差，成坡坡度就越缓。图1给出了混凝土塌落度与自然成坡的关系曲线。图1混凝土自然成坡与塌落度的关系从图1中可知，当自然成坡陡于15.5时，要求相应的混凝土塌落度在18 cm以下；而当自然成坡陡于12.0时，则要求相应混凝土塌落度在10 cm以下。这就是说，当设计结构坡度取陡于15.5和12.0时，所相应混凝土塌落度值的范围就会分别与水下灌筑和泵送的塌落度要求相抵触。为了协调这一矛盾，一方面，可以利用混凝土在浇筑一条龙过程中的塌落度损失来提高成坡能力。根据水下混凝土的施工工艺要求，混凝土从出机后到水下浇筑仓位还需要经过运输、泵送、导管下料等一系列过程，在这一过程中，混凝土会产生塌落度损失。该塌落度的损失程度与胶凝材料用量、外加剂、环境温度、出机口塌落度以及停歇时间等有关。图2给出了按表2中的配比拌制、出机口塌落度为18 cm的混凝土拌和物的塌落度沿时损失情况。图2塌落度损失与停歇时间的关系由图2可知，在停歇时间为0.5 h1 h时，塌落度损失为4 cm8 cm，这一损失值可以使泵送和水下成坡要求达到接近和满足。另一方面，可以采取在施工过程中，通过工艺的技巧，对浇筑的混凝土顶面加以特殊处理，使成坡变陡，并利用逐次坡度校正，使整个浇筑坡度满足设计坡度。2.2混凝土水灰比混凝土的水灰比除了对混凝土强度、耐久性等性能有明显影响外，对泵送过程中的粘性阻力系数也有很大影响。试验表明，对于泵送施工而言，当水灰比小于0.40时，混凝土的流动阻力很大，明显表现出非饱和混凝土特征；当水灰比达到0.50时，对混凝土的影响就很小了；而当水灰比大于0.60时，会使混凝土保水性、粘聚性下降，造成混凝土离析、引起堵管。因此，泵送施工要求水灰比宜在0.420.55之间。表1混凝土强度试验成果表水泥品种水灰比W/C抗压强度R28MPa标准差S偏差系数Cv525号硅酸盐0.5032.9313.60.0390.4537.049.60.0250.4038.7113.00.032425号矿碴硅酸盐0.5131.1611.30.0360.4533.61-0.4235.67-注：试件样本的配比如表2，塌落度为18 cm22 cm。对于水下灌筑而言，混凝土在水下的水灰比与强度、耐久性之间的关系同陆上是相类似的。表1给出了设计标号为R28=30 MPa的混凝土强度试验成果，其水灰比范围在0.400.50之间。按照表1中的数据求其线性回归方程，可得采用525号硅酸盐水泥和425号矿碴硅酸盐水泥拌制水灰比为0.400.50的混凝土抗压强度经验公式分别为：R28=10.83+11.33 C/W (MPa) (1)(相关系数r=0.954)和R28=10.29+10.60 C/W (MPa)(2)(相关系数r=0.996)显然，水灰比在0.400.50范围时，可满足水下施工和设计强度的要求。对于坡面浇筑施工而言，它与泵送水下浇筑的要求基本一致。因此，适宜于泵送水下灌筑坡面混凝土的水灰比应选为0.420.50。2.3水泥品种及用量在选取水泥品种时，硅酸盐水泥与其它品种水泥相比，具有需水量小，保水性好等特点，很适宜泵送水下浇筑。但对于一次浇筑量较大的大体积水下混凝土来说，一般不宜使用，而应选用矿碴类水泥为宜。混凝土中水泥的用量除了要考虑混凝土的强度外，还需考虑泵送和水下浇筑的要求。由于泵送混凝土是用灰浆来润滑管壁的，为了减小管道内的摩阻力，必须有足够的浆量包裹骨料表面和润滑管壁，即应具有适当的包裸系数K1和K2，并要求(3)(4)应该注意的是，水泥的用量并非越多越好。太多时，会造成泵送粘聚阻力增大，在水下的保水性减弱。而且用量过多完全是一种不必要的浪费。因此，综合考虑上述多方面因素，水泥用量宜选在300 kg/m3400 kg/m3，其中，300 kg/m3是混凝土胶凝材料总量必须满足的下限值。2.4砂、石及砂率的选择砂、石在混凝土中所占比例最大，主要起骨架和填充作用，还可减少混凝土由于水泥硬化所产生的收缩。为了满足泵送和水下浇筑的要求，骨料最大粒径应小于泵管内径的1/3，故在设计中选取了5mm25 mm和5mm40 mm两种连续级配或5mm25 mm一种级配的骨料。砂子选用天然河砂，细度模数FM为2.80左右。砂率对于混凝土的粘聚性有直接影响。砂率太小时，由于不能填满石子空隙和在石子间形成润滑层，将使混凝土塑性粘度很大，保水性差；而砂率过大，又将增大骨料的比表面积，需要较多的水泥来包裹，并在泵里加压和水下灌筑成型的过程中，降低混凝土的稳定性。因此，确定合适的砂率十分重要。通常，影响砂率的主要因素有骨料最大粒径、种类、级配、水泥用量等。根据有关泵送和水下灌筑混凝土的试验资料和经验，砂率范围以40%45%为宜。因此，在混凝土设计中，参照此范围值选取。2.5外加剂由于有下述多方面的需要：(1)采用矿碴类水泥，希望通过外加剂增强混凝土保水性，减少泌水率；(2)对于泵送施工，希望能在用水量和水灰比不变的情况下，通过掺外加剂增加流动性，提高可泵性；(3)对于水下施工，希望能通过掺外加剂降低泌水量，提高混凝土稳定性；(4)对于较远距离运输，希望混凝土能适当缓凝等。按照上述要求，经过试验选择以具有减水、缓凝多种功能的外加剂木质素磺酸钙较好。外加剂的掺量，在夏季浇筑时应适当加大，而在冬季浇筑时则适当减少。在通常情况下掺量取为0.2%0.3%。2.6混凝土配比设计在综合考虑上述各项要求的基础上，进行泵送水下灌筑坡面混凝土的配合比设计。表2给出了R28=30 MPa，塌落度18 cm22 cm，水灰比0.420.50，水泥采用矿碴大坝水泥，用量300kg/m3400 kg/m3，连续二级(或一级)配骨料，砂率40%50%的一组典型的配比。3混凝土应用实例葛洲坝工程大江防淤堤渐变段护坡，共浇筑混凝土11 300 m3，均采用表2中推荐的设计配合比。经过实施，其效果如下。表2泵送水下灌筑坡面混凝土典型配比编号水灰比W/C砂率S%材料用量kg/m3木钙%塌落度cm水425号水泥砂小石中石10.42401603817407803510.4182220.45401603567498013440.3182230.50401653307601150-0.318223.1新拌混凝土性能按照表2配比对混凝土拌和生产进行控制和调整，新拌混凝土的和易性、流动性、粘聚性、保水性及稳定性等都较好，完全满足泵送、水下灌筑和成坡的综合要求，浇筑期间，未出现因混凝土本身性能和质量所造成的堵管、停仓等事故，施工顺畅。3.2混凝土强度与陆上混凝土施工一样，在水下混凝土浇筑28 d后进行了仓面钻孔取芯试验，共钻5个样孔，并截取10件标准芯样，经抗压强度试验，强度值为28.2 MPa47.7 MPa，平均强度达36.24 MPa，满足设计强度要求。3.3混凝土成坡坡度尽管在混凝土配比设计的试拌中得出的混凝土自然成坡坡度可达13.0，与设计结构坡度12.6非常接近，但在实际施工中，由于边界条件与试拌条件有较大差异，因此，实际成坡坡度缓于13.0，为14.015.0。为此，施工中采取了用塌落度14 cm16 cm的小流动度混凝土向浇筑顶面堆料，逐次校正坡度的方法，使混凝土浇筑的坡面呈波纹面，解决了成坡难题。最后，实际平均坡度为12.62，满足设计要求。4结语对于泵送混凝土和水下混凝土分别进行设计，国内外均已有成熟的方法和公式，但要将它们一并考虑并且用于水下坡面施工，这类资料在国内外都较少见。本文通过对泵送水下灌筑坡面混凝土设计的叙述，展示了对这种具有特殊要求混凝土进行综合分析、统筹优化的设计方法。文中所介绍的典型实例的实施结果表明：前