歐陽幼玲 南京水利科學(xué)研究院

傅勇明 福建省福州港口發(fā)展中心

錢文勛 陳迅捷 南京水利科學(xué)研究院

陳思興 福建省福州港口發(fā)展中心

重力式碼頭是我國南方，尤其是福建省沿海地區(qū)主要采用的碼頭形式。而沉箱是重力式碼頭結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其預(yù)制質(zhì)量直接影響到碼頭整體質(zhì)量。沉箱構(gòu)件混凝土面積大，常規(guī)工藝施工時(shí)容易出現(xiàn)外觀缺陷（包括氣孔、蜂窩、麻面、砂線、色差大等），養(yǎng)護(hù)稍不當(dāng)則出現(xiàn)塑性開裂。隨著沉箱重量和高度的不斷增加，大型沉箱整體預(yù)制的質(zhì)量通病也愈來愈明顯，不能得到有效的解決。

混凝土真空脫水工藝技術(shù)自上世紀(jì)80年代于公路建設(shè)中推廣應(yīng)用，后來在水工建筑施工中進(jìn)行過少數(shù)幾例實(shí)際應(yīng)用，如吉林松花江二江上游紅石電站溢流壩面施工、江蘇宜興橫山水庫溢洪道施工等，而在港工建筑施工中尚未有先例。但就是這些少數(shù)的水利工程應(yīng)用，使我們看到了真空脫水工藝在建筑工程施工中的特別之處，可以解決混凝土施工中存在的很多技術(shù)問題。將真空脫水工藝與滑模施工結(jié)合起來，則可以使滑模施工的速度提高，實(shí)現(xiàn)連續(xù)澆注施工，很好地解決大倉面澆注時(shí)間差造成的混凝土脫模拉裂問題，以及有效地克服滑模施工混凝土表面收縮裂縫等問題。同時(shí)，混凝土表層致密，能有效地改善混凝土表面光潔度和質(zhì)量。

本文研究對比了真空脫水工藝和普通施工工藝下混凝土的性能，并將真空脫水工藝應(yīng)用于某重力式碼頭沉箱混凝土構(gòu)件的施工，為克服預(yù)制沉箱經(jīng)常出現(xiàn)的表面蜂窩、麻面、氣孔、砂線以及表面塑性裂縫等質(zhì)量缺陷提供了一種新的技術(shù)途徑。

1.試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所采用的原材料中，水泥為海螺P.O42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，28d活性指數(shù)78%；礦渣粉為S95 級磨細(xì)高爐礦渣粉，7d和28d活性指數(shù)分別 80%和108%；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.77，為Ⅱ級配區(qū)的中粗砂；粗骨料為5～31.5mm的人工骨料；外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑，減水率27.8%。

各膠材的化學(xué)組成見表1。

表1 原材料的化學(xué)成分（%）

1.2 混凝土配合比及試驗(yàn)方法

混凝土試驗(yàn)配合比見表2。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比

真空脫水混凝土試驗(yàn)方法依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2020）中“真空脫水混凝土試件的成型與養(yǎng)護(hù)方法”及“混凝土拌合物真空脫水率試驗(yàn)”進(jìn)行?；炷恋恼婵彰撍捎蒙衔?，真空吸墊由透水模板襯墊上覆加聚乙烯塑料密封層組成。透水模板襯墊由耐堿性能優(yōu)良的高分子聚合物紡織纖維材料和高分子聚合物排水網(wǎng)格復(fù)合而成。分子聚合物紡織纖維材料均勻、密布、穿刺略大于水分子直徑的微孔，使混凝土中多余的水分在真空作用下能輕易透過微孔進(jìn)入排水網(wǎng)格，繼而排出混凝土模板。混凝土真空吸水機(jī)最大真空度0.1 MPa。試驗(yàn)抽吸真空度控制為0.06～0.08 MPa，真空處理時(shí)間20min。脫水完畢，混凝土再次振動(dòng)密實(shí)并表面抹光?；炷猎嚰?jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期后進(jìn)行各項(xiàng)性能測試。

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土真空脫水工藝參數(shù)

2.1.1 真空度控制

混凝土真空脫水時(shí)真空度的高低對脫水率及脫水后的擠壓密實(shí)效果有一定的影響，較高的真空度導(dǎo)致了較大的壓力差，脫水率相對較大。混凝土在不同真空度和處理時(shí)間下的脫水率見表3。表3的試驗(yàn)結(jié)果表明了不同真空度和處理時(shí)間與脫水率的關(guān)系，即真空度越大，真空脫水處理時(shí)間越長，混凝土的脫水率越大。但當(dāng)真空度達(dá)到0.066MPa以后，隨著真空脫水處理時(shí)間的延長，混凝土的脫水效率明顯降低。

表3 混凝土在不同真空度和處理時(shí)間下的脫水率(%)

根據(jù)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對于厚度較大的混凝土，需要采用較大真空度?？紤]脫水效果和施工效率兩方面因素，因此建議混凝土進(jìn)行真空脫水處理時(shí)的最低真空度應(yīng)不低于表4的數(shù)值。

2.1.2 真空脫水時(shí)間和脫水有效深度

混凝土真空脫水的有效深度與真空度傳遞的深度有關(guān)，真空度傳遞深度越大，脫水有效深度就越大。如圖1所示裝置用于測定真空脫水時(shí)混凝土中真空度的傳遞深度?；炷羶?nèi)部不同深度處的真空度的測試結(jié)果見表5。混凝土中真空度傳遞深度試驗(yàn)結(jié)果表明，真空度最深可傳達(dá)到30cm處，但所用時(shí)間較長，且真空度值也較低低。

圖1 真空度傳遞深度測定裝置

表4和表5的結(jié)果同時(shí)表明，真空脫水工藝下脫水時(shí)間宜控制在20min以內(nèi)，超過20min后，脫水效率大為降低。

表4 真空脫水控制最低真空度建議值

表5 混凝土內(nèi)部真空度（MPa）

2.2 真空脫水混凝土性能

混凝土真空脫水工藝是利用真空泵產(chǎn)生的壓力差，對澆注成型后的新鮮混凝土施加擠壓抽吸作用，脫出部分拌合水和氣泡，使混凝土密實(shí)的一項(xiàng)工藝技術(shù)。由于真空脫水排出了新拌混凝土體內(nèi)的水分和氣泡，并得到擠壓密實(shí)，經(jīng)脫水處理后的混凝土性能將呈現(xiàn)出多項(xiàng)特點(diǎn)。

2.2.1 塑性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

真空混凝土即混凝土真空脫水處理后，在初凝之前即具有了一定的物理堆積強(qiáng)度，即塑性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?；炷凉腆w顆粒間毛細(xì)水含量降低，毛細(xì)孔徑減小，空隙彎液面附加壓力增大，使顆粒間產(chǎn)生收縮。真空擠壓作用也增加了顆粒間的內(nèi)摩擦力，從而形成了類似固體性質(zhì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。經(jīng)過真空脫水的混凝土，其塑性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到了0.2MPa～0.5MPa，滿足《滑動(dòng)模板工程技術(shù)規(guī)范》(GB50113-2019)中滑動(dòng)模板提升的強(qiáng)度要求。在這樣的強(qiáng)度之下，高5米的混凝土預(yù)制構(gòu)件立即拆模不會(huì)發(fā)生變形。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

真空脫水工藝對混凝土抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度性能的影響結(jié)果見表6。

表6 真空脫水工藝對混凝土強(qiáng)度性能的影響

表6的試驗(yàn)結(jié)果可知，真空脫水工藝提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，特別是早期抗壓強(qiáng)度提高明顯；真空脫水混凝土的抗沖磨強(qiáng)度比非真空混凝土提高了66%，真空脫水工藝顯著提升了混凝土的抗沖磨性能?；炷两?jīng)真空脫水后形成高致密無缺陷混凝土層是混凝土強(qiáng)度，特別是抗沖磨強(qiáng)度顯著提高的原因所在。

2.2.3 耐久性能

采用RCM法分別對真空和非真空混凝土的抗氯離子滲透性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖2的測試結(jié)果顯示，真空脫水混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較非真空混凝土降低了54%，真空脫水工藝顯著提升了混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖2 真空脫水工藝對鋼筋混凝??土耐久性能的影響

3.工程應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)研究成果，在福州港某重力式碼頭沉箱預(yù)制中進(jìn)行了試驗(yàn)性施工應(yīng)用。

3.1 施工工藝

混凝土真空脫水設(shè)備機(jī)具系統(tǒng)由脫水機(jī)組、真空模板、連接管和連通器等組成。其中脫水機(jī)組和連接管等均為定型產(chǎn)品，真空模板則需根據(jù)施工工況決定大小及形式。真空模板在真空脫水過程中的作用主要是在混凝土面形成真空腔，將真空傳遞進(jìn)混凝土內(nèi)部，并使模板內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的外荷載擠壓新鮮混凝土。真空模板在原滑動(dòng)模板的外側(cè)設(shè)置一個(gè)連通器，通過連接管與脫水機(jī)組相連，模板內(nèi)測放置一層透水模板襯墊。

施工前對設(shè)備狀況、管路是否堵塞、真空模板的密閉性能進(jìn)行認(rèn)真檢查，保證空載時(shí)系統(tǒng)的真空度不低于0.080MPa?；炷翝沧⒑?，檢查真空模板四周是否與混凝土緊密服帖，保證開啟真空脫水機(jī)組后在模板內(nèi)形成真空腔。

混凝土入倉澆注振搗密實(shí)結(jié)束后，即可對新鮮混凝土表面進(jìn)行脫水處理，脫水處理完畢即可提升滑模進(jìn)行新一層混凝土澆注振搗施工，從而加快施工進(jìn)度。

混凝土滑模施工真空脫水主要工藝流程如下：

真空脫水設(shè)備機(jī)具系統(tǒng)準(zhǔn)備——混凝土入倉澆注——振搗密實(shí)——真空脫水——提升施工滑?！炷寥雮}澆注——振搗密實(shí)——真空脫水。

3.2 施工效果

3.2.1 表觀效果

真空脫水施工工藝與非真空脫水施工工藝下的混凝土表觀性能效果對比見圖3。真空脫水施工工藝使混凝土表層均勻脫水，混凝土表層干硬且致密，有效克服了混凝土表面蜂窩、麻面、氣孔、砂線以及表面塑性裂縫等缺陷。

圖3 使用真空脫水工藝后混凝土的表觀效果

3.2.2 表層回彈強(qiáng)度

對混凝土進(jìn)行28d表層回彈強(qiáng)度現(xiàn)場檢測，采用真空脫水工藝的混凝土表層回彈強(qiáng)度為61.1～70.5 MPa，而采用標(biāo)準(zhǔn)工藝的混凝土其表層回彈強(qiáng)度為47.6～55.9 MPa，真空脫水工藝顯著增加了混凝土的表層強(qiáng)度。這是因?yàn)榻?jīng)真空脫水后，由混凝土表面向內(nèi)部水膠比逐漸變化，表面最低，距離表面越遠(yuǎn)越接近初始水膠比。因此，在混凝土有效脫水范圍內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度也隨著深度而不同，尤其是表層混凝土的水膠比可以下降很多，形成高致密無缺陷混凝土層。

4.結(jié)語

（1）考慮脫水效果和施工效率兩方面因素，真空脫水工藝的真空度宜控制為0.06～0.08MPa，真空脫水時(shí)間不超過20min。

（2）混凝土經(jīng)過真空脫水后具有0.2～0.5MPa的塑性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，特別是早期抗壓強(qiáng)度提高明顯；真空脫水混凝土的抗沖磨強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能顯著提升。

（3）真空脫水工藝使混凝土表層致密，有效地改善了混凝土表觀光潔度和質(zhì)量，避免了混凝土的塑性開裂。真空脫水工藝是提高混凝土強(qiáng)度和耐久性能以及表觀質(zhì)量的一種有效技術(shù)措施，可在港工混凝土中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。