竖井投料还原技术在水库输水隧洞施工的可行性分析

2022-03-24董艳青

水利技术监督 2022年3期

董艳青

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁盘锦 124010)

竖井施工技术在水利工程中已经有所应用，尤其在输水隧洞施工中应用相对较为广泛[1- 6]。通过竖井投放混凝土拌和物，在井下利用自卸汽车承接后运输至指定地点进行浇筑施工。隧洞工程质量控制标准较高，而混凝土经过竖井投放后由于受重力作用，在投放过程中速度很快，在竖井底部瞬时承接停止，可能导致混凝土的主要技术指标，主要包括混凝土拌和物和易性、硬化混凝土的强度及耐久性等发生变化，从而影响硬化混凝土质量[7]。混凝土和易性是混凝土拌和物在一定施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、密实的混凝土的性能。和易性包括混凝土拌和物的流动性、黏聚性和保水性三方面[8]。而到目前为止，还没有特别明确的指标能全面的反映混凝土拌和物的和易性。一般常用坍落度来表示混凝土流动性的大小，混凝土的黏聚性和保水性常根据经验，需要通过试验或现场施工的观察来判断其优劣[9]。竖井投料过程中，混凝土拌和物在投放-承接过程中，骨料间经历了相互撞击的作用。根据竖井结构及深度的不同，骨料间的相互作用力也不同，对混凝土骨料的影响也不一样[10- 14]。而这种撞击的直接结果可能导致混凝土拌和物中大粒径骨料破碎、小粒径骨料含量增加，进而导致骨料的级配发生变化，从而改变混凝土的和易性和硬化后混凝土的强度、抗渗性和抗冻性等[14]。鉴于以上分析及竖井投料过程中可能存在的问题，提出了“竖井投料还原试验”方法。所谓“竖井投料还原试验”是指，通过试验将井上、井下混凝土拌和物中的骨料还原，重新测试其颗粒级配、压碎指标等，分析竖井投料对混凝土拌和物中骨料的影响程度，通过对井上和井下混凝土拌和物及硬化混凝土技术指标测试，综合分析研究竖井投料技术的应用。

1 试验内容及方法

1.1 试验内容

为研究竖井投料方法对混凝土拌和物中粗细骨料级配及硬化后混凝土强度及耐久性指标的影响程度，以辽宁省某水库输水工程中竖井工程为例，对其还原试验测试数据进行比较分析本文竖井投料还原试验检测项目主要包括骨料、混凝土拌和物工作性、混凝土中骨料级配以及硬化混凝土性能进行试验，其试验结构如图1所示。

图1 还原试验结构框图

1.2 测试方法

混凝土原材料中的粗骨料是混凝土的骨架支持。在竖井投料的过程中可能对粗骨料性能产生一定的影响，从而改变了混凝土的原有级配，导致硬化混凝土某些性能指标发生变化。故对混凝土原材料要进行相关的试验、测试。

1.2.1骨料质量

根据相关规范对细骨料(河砂)的含泥量、泥块含量、表观密度、饱和面干吸水率、堆积密度、空隙率、细度模数以及粗骨料的含泥量、泥块含量、表观密度、针片状颗粒含量、堆积密度、空隙率等参数进行试验。

1.2.2砂石混合料颗粒级配试验

为了检验、测试竖井投料对混凝土拌和物中骨料级配的影响程度，进行混凝土拌和物中砂石混合料颗粒级配试验。考虑到原材料本身也存在一定的不均匀性，故对拌和前料、拌和后投料前混合料及拌和后投料后混合料分别进行级配测试。颗粒级配试验要测出各粒径级的累计筛余量(砂：SiL；碎石：GiL5-20、GiL20-40)，并依据混凝土配合比中砂的质量比(miS)和碎石的质量比(miG5-20、miG20-40)，根据公式计算砂石混合料的各粒径级累计筛余量(miH)。各粒径级累计筛余量的计算公式如下：

miH=SiL×miS+GiL5-20×miG5-20+miG20-40×GiL20-40

(1)

式中，i—第i级孔径。

1.2.310～20mm粒径级料压碎指标试验

为了检验竖井投料对粗骨料抵抗压碎能力的影响程度，依据DL/T 5151《水工混凝土砂石骨料试验规程》，对混合料中10～20mm粒径级料进行压碎指标试验。压碎指标计算见公式(2)(准确至0.1%)。

(2)

式中，C—压碎指标，%；G0—试样质量，g；G0—试样压碎后筛余量，g。

1.2.4混凝土拌和物性能指标测试

为了检验竖井投料对混凝土拌和物和易性及含气量的影响程度，依据DL/T 5150《水工混凝土试验规程》，现场分别测试了投料前混凝土拌和物和投料后混凝土拌合物的坍落度和含气量，此外对硬化后混凝土性能指标主要测试力学指标抗压强度和耐久性指标抗冻等级和抗渗等级3个参数进行测试，其指标测试方法可详见参考文献[15]。

2 试验结果

2.1 混凝土原材料性能指标测试

在本次试验中砂为河砂，石为河卵石。将拌和前、拌和后投料前和拌和后投料后3种工况下的颗粒级配试验结果进行汇总并分析，结果见表1，并按混凝土原材料性能指标测试要求，对拌和前料及拌和后、投料前料和拌和后、投料后料中10～20mm粒径级料进行压碎指标试验，试验结果见表2。

表1 竖井投料还原试验—砂、石混合料颗粒级配试验结果单位：%

表2 竖井投料还原试验—砂、石混合料10～20mm粒径级料压碎指标试验结果单位：%

通过试验分析筛余变化率在孔径为4.75mm级以上变化率出现负值，分析其原因主要为混合料拌和的过程中机械损伤或损坏所致，而并非所有筛余变化率均为负值，正值的存在也恰是反映了混合料的不均匀性和骨料质地的差异性以及拌和设备输出功率的差异性；在孔径为2.36mm处，筛余变化率出现拐点，粒径越大影响程度越大，在2.36mm孔径筛余累计变化率达到极大值，该孔径以下累计筛余变化率逐渐减小并趋于0，这符合级配分布规律；在2.36mm孔径以下累计筛余变化率以正值为普遍分布，但变化率逐渐减小，这种规律也证明了大粒径骨料破碎，导致小粒径料增加。

2.2 混凝土拌和物性能指标测试

按混凝土拌和物性能指标测试要求，对拌和后、投料前料和拌和后、投料后料的坍落度及含气量进行测试，试验分析结果见表3—4。

表3 竖井投料还原试验—混凝土拌和物坍落度试验结果单位：mm

进行的4组试验中有3组变化量为-3～-5mm(变化率为-15.4%～-2.9%)，1组变化量为39mm(变化率为31.5%)；投料后较拌和后、投料前混凝土拌和物坍落度变化量总体呈现变小趋势，但随着竖井深度的增加，变化量有变大的趋势，但不是很明显。综上分析竖井投料对混凝土拌和物坍落度有一定的损失，但随着竖井深度在一定范围内的增加，坍落度损失量并不是很大，而且规律性也不是很明显。4组含气量试验中有2组变化量为-0.5%～-0.3%(变化率为-0.3%～-0.1%)，2组变化量为-0.0%～-0.0%(变化率均为0.0%)；竖井投料对混凝土拌和物含气量有一定的影响，有损失，但损失量也甚微；随着竖井深度在一定范围内增加，含气量损失的规律性不是很强。竖井投料使混凝土拌和物中含气量有一定的损失，但随着竖井深度在一定范围内的增加，含气量损失量并不是很大，而且规律性也不是很明显。

表4 竖井投料还原试验—混凝土拌和物含气量试验结果单位：%

2.3 硬化后混凝土性能指标测试

按硬化后混凝土性能指标测试要求，对拌和后、投料前和拌和后、投料后混凝土拌和物进行成型、养护、试验，试验结果见表5—7。

表5 竖井投料还原试验—硬化后混凝土抗压强度试验结果

表6 竖井投料还原试验—硬化后混凝土抗渗性能试验结果

表7 竖井投料还原试验-硬化后混凝土抗冻性能试验结果

4组试验中，有2组试件强度偏低，3组试件强度偏高，强度值变化量不大；投料后较投料前混凝土抗压强度值变化范围为-3.9～4.5MPa(变化率为-11.0%～17.6%)；随着竖井深度在一定范围内增加，混凝土试块抗压强度并未表现出明显的规律性。竖井投料对混凝土强度影响很小，而且由于原材料、环境等诸多因素的影响，导致随着竖井深度在一定范围内增加，混凝土抗压强度的变化并未呈现出明显的规律性。拌和后、投料前和投料后混凝土试块抗渗性能均满足设计要求(>W6)；拌和后、投料前和投料后混凝土试块抗冻性能均满足设计要求(>F100)。