羅 晶，唐欣薇，莫鍵豪

（1、廣東水電二局股份有限公司 廣州 511300；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641）

0 引言

珠江三角洲水資源配置工程是世界上內(nèi)水壓力最高的長(zhǎng)距離盾構(gòu)輸水隧洞工程，采用了預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)［1-2］，通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)襯施加預(yù)應(yīng)力滿足工程的高內(nèi)壓需求。當(dāng)前復(fù)合襯砌的內(nèi)襯混凝土基本采用鋼模臺(tái)車作為澆筑模板，在有限的作業(yè)空間內(nèi)，難以通過(guò)常規(guī)的低頻振搗器或軟軸式振搗棒在密集的鋼筋和鋼絞線之間充分且精準(zhǔn)地振搗混凝土，容易造成內(nèi)襯厚度不足、空洞等施工質(zhì)量問(wèn)題［3-4］。為解決上述問(wèn)題，擬在鋼模臺(tái)車的模板背面附著氣動(dòng)振動(dòng)器，以保證混凝土的振搗效果。然而，氣動(dòng)振動(dòng)器對(duì)密集鋼筋中的混凝土的振搗效果尚缺乏專門(mén)研究。

本文基于QZD-160 型氣動(dòng)振動(dòng)器開(kāi)展混凝土振搗工藝試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證氣動(dòng)振搗工藝的可行性及適用性，明確該振動(dòng)器的作用深度、布置間距等參數(shù)，為預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的施工工藝提供參考。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 混凝土配合比

本試驗(yàn)的混凝土配合比與珠江三角洲水資源配置工程的內(nèi)襯混凝土保持一致，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C50、W12，混凝土的骨料級(jí)配選用一級(jí)配，其坍落度控制在180～210 mm，且坍落度損失需控制在4 h內(nèi)10 mm，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Concrete

1.2 氣動(dòng)振動(dòng)器性能參數(shù)

氣動(dòng)振動(dòng)器是一種利用壓縮空氣產(chǎn)生振動(dòng)的設(shè)備，當(dāng)壓縮空氣通過(guò)氣動(dòng)振動(dòng)器內(nèi)部時(shí)，能夠產(chǎn)生高頻小幅振動(dòng)，可用于混凝土施工過(guò)程中，將振動(dòng)傳導(dǎo)至預(yù)制模板上，使混凝土中的氣泡被擠出，進(jìn)而更加均勻、密實(shí)［5-6］。試驗(yàn)采用了QZD-160 型氣動(dòng)振動(dòng)器，其性能參數(shù)如下：空氣壓力為6 kg，振動(dòng)力為25 kN，振頻為12 980 Hz，振幅為6.6 mm，耗氧量為580 L/min，重量為42 kg。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程

根據(jù)預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的特性，需分別模擬拱頂與拱腰區(qū)域的氣動(dòng)振搗工藝。

2.1 拱頂混凝土振搗試驗(yàn)

為真實(shí)模擬預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌拱頂區(qū)域的內(nèi)襯混凝土振搗施工，本文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1?和圖1?所示，混凝土的澆筑范圍為3.0 m×3.0 m×0.55 m（長(zhǎng)×寬×高），其中，0.55 m 為預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的內(nèi)襯厚度。試驗(yàn)在混凝土澆筑區(qū)域內(nèi)布置了鋼筋和PVC 管分別模擬預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌中密集的鋼筋與鋼絞線。待混凝土注滿澆筑區(qū)域后，人工刮平混凝土表面，并開(kāi)啟布置于模型中心的氣動(dòng)振動(dòng)器，振動(dòng)器的輸入風(fēng)壓為0.5 MPa。振動(dòng)器開(kāi)啟后，在距離振動(dòng)器0.6 m 半徑范圍內(nèi)的混凝土表面出現(xiàn)明顯氣泡上冒及少量提漿的現(xiàn)象，如圖1?所示。在振搗約13.3 min 后，混凝土表面無(wú)明顯氣泡上冒或提漿的現(xiàn)象，隨即關(guān)閉氣動(dòng)振動(dòng)器。

圖1 拱頂混凝土振搗試驗(yàn)Fig.1 Vibration Test of Concrete in the Arch Crown Area （mm）

2.2 拱腰混凝土振搗試驗(yàn)

與拱頂區(qū)域的混凝土振搗不同，氣動(dòng)振動(dòng)器需產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)才能達(dá)到振搗拱腰區(qū)域混凝土的目的。本文采用尺寸為3.0 m×0.55 m×3.0 m（長(zhǎng)×寬×高）的“側(cè)墻”模擬襯砌的拱腰，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2?所示，共布置4臺(tái)氣動(dòng)振動(dòng)器。由于實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的內(nèi)襯混凝土采用分層澆筑法，故將4 臺(tái)氣動(dòng)振動(dòng)器分兩層布置，下層振動(dòng)器距離模型底端1.0 m，上層振動(dòng)器距離模型頂端0.64 m，兩層之間的凈距為0.66 m。

圖2 拱腰混凝土振搗試驗(yàn)Fig.2 Vibration Test of Concrete in the Arch Waist Area

試驗(yàn)采用分層澆筑法［7-8］，分兩次進(jìn)行布料，布料深度分別為1.75 m 和1.25 m。第一層布料完成后，開(kāi)啟下層的兩臺(tái)振動(dòng)器，振動(dòng)器輸入風(fēng)壓為0.6 MPa。以無(wú)明顯氣泡上冒或混凝土面不再下沉為止，下層振動(dòng)器的開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)為5.5 min。隨后，開(kāi)始第二層布料，如圖2?所示，待布料至模型頂面，人工刮平混凝土表面，并開(kāi)啟上層的兩臺(tái)振動(dòng)器。振搗過(guò)程中，混凝土表面有明顯氣泡上冒現(xiàn)象，且混凝土面均勻下沉。上層振動(dòng)器開(kāi)啟9.2 min后，混凝土表面不再出現(xiàn)明顯氣泡上冒或下沉現(xiàn)象，隨即關(guān)閉振動(dòng)器。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 斷面目測(cè)

以氣動(dòng)振動(dòng)器的位置為圓心，在拱頂振搗試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋砻嬉?.3 m 為半徑增量畫(huà)同心圓，再對(duì)其進(jìn)行對(duì)稱切割，如圖3?所示。通過(guò)觀察切割面的氣孔分布判斷振搗效果，不難看出，沿厚度方向分布較均勻，說(shuō)明單臺(tái)氣動(dòng)振動(dòng)器的作用深度不少于0.55 m。同時(shí)，距離振動(dòng)器越遠(yuǎn)，斷面呈現(xiàn)的氣孔數(shù)量越多，且氣動(dòng)尺寸較大，當(dāng)距離超1.2 m 時(shí)，混凝土呈較疏松狀，如圖3?所示。

圖3 模型斷面目測(cè)Fig.3 Visual Inspection of Model Cross-section

3.2 超聲波檢測(cè)

利用超聲波技術(shù)檢測(cè)氣動(dòng)振動(dòng)器的有效作用范圍，在拱腰振搗試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋砻嫜厮椒较驑?biāo)出六列等豎向間距的測(cè)點(diǎn)，其中第2 列與第4 列需經(jīng)過(guò)振動(dòng)器的中心位置，如圖4?所示。由于超聲波的波速與混凝土的密實(shí)度呈正相關(guān)［9-10］，通過(guò)超聲波檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)的波速，認(rèn)為波速大于平均值的測(cè)點(diǎn)已振搗密實(shí)。繪制超聲波檢測(cè)結(jié)果分布圖如圖4?所示，黃色圓點(diǎn)代表氣動(dòng)振動(dòng)器所在位置，綠色圓點(diǎn)代表波速大于平均值的測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)綠色測(cè)點(diǎn)的范圍畫(huà)出各振動(dòng)器的有效作用范圍分布圖?？梢?jiàn)，單臺(tái)氣動(dòng)振動(dòng)器的有效作用范圍約為0.9 m，為確保工程質(zhì)量，建議將振動(dòng)器在鋼模臺(tái)車上按等邊三角形交錯(cuò)布置，且環(huán)向和縱向的間距均控制在1.5 m內(nèi)。

圖4 超聲波檢測(cè)Fig.4 Ultrasonic Testing （mm）

3.3 鉆孔取芯及密度測(cè)量

在兩組振搗試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线x擇不同半徑位置進(jìn)行鉆孔取芯，取芯位置應(yīng)避開(kāi)鋼筋和PVC 管。將芯樣全數(shù)按上、中、下進(jìn)行分層切割，形成直徑55 mm，高度52 mm 的圓柱體，如圖5 所示，分別測(cè)量其體積與質(zhì)量，計(jì)算各圓柱體的密度，并與同條件試塊實(shí)測(cè)密度進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示，各芯樣的密度較接近，且均低于同條件試塊。可見(jiàn)，芯樣密度不能作為判斷氣動(dòng)振動(dòng)器作用范圍的依據(jù)。

圖5 混凝土芯樣Fig.5 Concrete Core Sample

表2 芯樣密度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Core Sample Density Statistics

4 結(jié)論

⑴當(dāng)單臺(tái)QZD-160型氣動(dòng)振動(dòng)器的運(yùn)行風(fēng)壓為0.5 MPa 時(shí)，其作用深度不小于0.55 m，能滿足珠江三角洲水資源配置工程預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌的內(nèi)襯混凝土振搗施工要求。

⑵QZD-160型氣動(dòng)振動(dòng)器的作用范圍約為0.9 m，建議將振動(dòng)器在鋼模臺(tái)車上按梅花形等邊三角交錯(cuò)布置，環(huán)向和縱向的間距均控制在1.5 m 內(nèi)，且振動(dòng)器運(yùn)行風(fēng)壓需達(dá)到0.6 MPa以上。

⑶混凝土芯樣的密度與氣動(dòng)振動(dòng)器作用范圍無(wú)直接關(guān)系，不能作為分析該設(shè)備作用范圍的直接依據(jù)。