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      高、長泵程高強度箱梁混凝土配制及施工控制

      2022-10-11 04:34:10吳志華葉順漢
      關(guān)鍵詞:輸送管泵管輸送泵

      吳志華,葉順漢

      (1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350007;2.福建建工集團有限責(zé)任公司,福建 福州 350001)

      0 引言

      近年來,隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展,橋梁工程的設(shè)計、施工水平不斷提高,大跨度、長距離、高墩臺的橋梁屢屢出現(xiàn),混凝土泵送施工技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用越來越多。其中高泵程混凝土施工技術(shù)在高塔、高墩身中的應(yīng)用及研究較多,但在施工環(huán)境及條件較差的高墩、長距離、大跨徑的懸澆剛構(gòu)箱梁高強度混凝土中的應(yīng)用及研究相對較少。因此,本文以龍巖石崆山Ⅱ號右線高架橋懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土施工為例,詳細介紹高、長泵程高強度懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土的配制、施工設(shè)備選擇以及施工過程控制等,以期為類似的大跨度、長距離、高墩臺的橋梁懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土施工提供一些參考。

      1 工程概況

      龍巖石崆山Ⅱ號右線高架橋為特大型橋梁,起止樁號為K65+911.00~K66+660.00,橋長749m,橋?qū)?3.75m。該橋下部結(jié)構(gòu)為群樁基礎(chǔ),空心墩(最大墩高約80.3m),上部結(jié)構(gòu)為65+115+155×3+65m七孔一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)組合體系,箱梁頂寬13.75m,底寬6.75m,箱高8.5~3.0m,按拋物線變化,塊件最大重量為167t,縱、豎雙向預(yù)應(yīng)力(零號塊加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋)。該橋處于R=762.15m的園曲線及相應(yīng)緩和曲線上,縱坡4%,橫坡2%~3%,橋型布置見圖1。

      圖1 橋型布置圖

      該橋是一座集大跨徑、高橋墩、長橋、大縱坡、曲線為一體,具有典型的山嶺區(qū)特征的橋梁。工程地處深山峽谷,地勢險峻、場地狹窄、施工環(huán)境極為惡劣。橋梁上部連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土設(shè)計標號為C55,數(shù)量約10240m3,全橋箱梁共有6個T構(gòu),173個懸澆節(jié)段(不包括0號塊、合攏段和邊跨直線段),均在高空中,采用12套掛籃逐段懸臂澆筑。懸澆箱梁混凝土施工時,因場地限制,在II號橋兩端地面各設(shè)置一座混凝土拌和站,采用泵送,最高泵送高度約90m,水平泵送距離400m以上,最長換算水平距離約891m,為高、長泵程高強度混凝土施工。本工程工期緊、難度大,如何確保箱梁混凝土施工的順利進行是關(guān)鍵。保證高、長泵程高強度混凝土施工的順利進行,重點要解決以下三方面問題:(1)箱梁高強度泵送混凝土配合比設(shè)計;(2)混凝土泵送施工機械設(shè)備的選擇;(3)混凝土施工過程的控制。

      2 泵送高強度混凝土的特性

      泵送混凝土具有輸送混凝土能力大、速度快、縮短工期、降低費用及能連續(xù)作業(yè)的特點,尤其對于高塔、高墩、高空梁體混凝土的施工,更能顯示出其優(yōu)越性。但隨著泵送高程、距離的增加,對混凝土原材料的選擇、配合比的設(shè)計、摻合料的合理使用、混凝土的可泵性(流動性與穩(wěn)定性)以及施工過程控制等均有著特殊的要求,對泵送機具的配備、輸送管布設(shè)、施工過程控制等,也有嚴格的技術(shù)要求。[1]

      高性能混凝土強度等級越高,其粘度越大,流動性越差,泵送時需要很大的壓力來克服管道摩擦阻力,可泵性差。所以,高性能混凝土的配合比和骨料級配需要特別控制。[2]

      3 箱梁泵送高強度混凝土配合比設(shè)計

      3.1 設(shè)計原則

      (1)高強度混凝土應(yīng)遵循低水灰比、低砂率、高骨膠比的原則。

      (2)配制高強度混凝土宜選擇高強度水泥,最大水泥用量不宜超過500kg/m3,以免水泥用量高,造成混凝土拌和物過于粘稠,加大泵送阻力。水灰比宜在0.24~0.38之間。

      (3)細骨料宜采用級配良好的中砂,細度模數(shù)不小于2.6。

      (4)粗骨料應(yīng)使用堅硬、級配良好的碎石,粒徑不宜超過輸送管徑的1/3。[3]

      (5)混凝土拌和物坍落度宜為80~180mm。

      (6)使用高效減水劑,摻量宜為膠結(jié)料的0.5%~1.8%。為滿足泵送和施工需要,減水劑應(yīng)有緩凝性能。[4]

      3.2 設(shè)計要求

      (1)為滿足預(yù)應(yīng)力張拉工期需要,箱梁C55混凝土7d強度應(yīng)達到設(shè)計強度的100%。

      (2)坍落度:由于箱梁入模坍落度應(yīng)在70~90mm以上,20~30℃氣溫下坍落度經(jīng)時損失約25~35mm,根據(jù)墩身泵送混凝土的施工經(jīng)驗,泵送300m水平距離,由于壓力泌水原因,坍落度損失約20mm,故設(shè)計箱梁混凝土坍落度為115~160mm。

      3.3 原材料選用

      (1)水泥:選用海螺牌P.O.52.5*R普通硅酸鹽水泥。

      (2)粗骨料:采用花崗巖碎石,粒徑5~31.5mm連續(xù)級配,壓碎值≤6.6%,針片狀≤9.8%。

      (3)細骨料:采用金山砂場中砂,細度模數(shù)約為2.93。

      (4)外加劑:選用山西萬榮ZG-N1緩凝高效減水劑,減水率約20%,凝結(jié)時間差+300分鐘,抗壓強度比7d≥125%。[5]

      3.4 混凝土基準配合比計算

      (1)試配箱梁混凝土強度

      (2)確定水灰比

      未摻外加劑時,Rp=0.48Rc(C/W-0.52),Rc=70.6Mpa,W/C=0.41,減水劑減水率為20%;摻外加劑后,W/C=0.41÷1.2=0.34,不考慮水泥節(jié)約量。

      (3)確定單位用水量和水泥用量

      單位用水量Wo=1/3(T+Kc),坍落度T=160mm,減水率20%,取Wo為165L/m3;單位水泥量C=485kg/m3。

      (4)確定砂、石用量

      確定砂率Sp=40%,采用假定容重法,取混凝土容重為2400kg/m3,計算得砂用量S=700kg/m3,碎石用量G=1050kg/m3。

      (5)減水劑用量,根據(jù)經(jīng)驗取1.1%摻量,計算得N1=5.34kg/m3。

      (6)綜合以上計算結(jié)果,得出箱梁C55混凝土基準配合比

      W:C:S:G:N1=0.34:1:1.44:2.16:0.011=165:485:700:1050:5.34 kg/m3。箱梁C55混凝土試配結(jié)果詳見表1。

      表1 混凝土配合比表

      3.5 混凝土配合比試配調(diào)整與確定

      按混凝土基準配合比的W/C分別增加與減少0.03,S分別增加與減少1%,固定單位用水量,定出1#和2#兩份配合比,試拌并制作2組混凝土試件,以得出R-W/C關(guān)系曲線,見表1和圖2。

      圖2 R-W/C關(guān)系曲線

      根據(jù)R-W/C關(guān)系曲線,確定箱梁混凝土施工配合比,如表2所示。按照表2中混凝土施工配合比試配箱梁混凝土試件,檢測得出混凝土性能,如表3所示。

      表2 箱梁混凝土施工配合比表

      表3 試配混凝土性能

      由表3可知,該施工配合比混凝土性能達到了設(shè)計要求。在N2墩0#塊箱梁的混凝土施工試運行中,換算一次水平泵送距離460m,箱梁混凝土入泵坍落度150mm,入模坍落度125mm,和易性良好,可滿足施工要求。

      4 泵送施工機械設(shè)備的選擇

      高強度混凝土在泵送的過程中,自身極易出現(xiàn)變形,同時由于相關(guān)剪切值較小,使得屈服值遠超過剪切強度。要想達到較好的泵送效果,在忽略高強度混凝土自身性能的基礎(chǔ)上,還需要合理地使用輸送泵機、泵管,并做好施工方案制訂與管道鋪設(shè)工作。[6]

      4.1 泵管布設(shè)

      4.1.1混凝土輸送管的選配要求

      (1)混凝土輸送管應(yīng)根據(jù)工程特點、施工場地條件、混凝土澆筑方案等進行合理選型和布置。[7-8]

      (2)混凝土輸送管規(guī)格應(yīng)根據(jù)粗骨料最大粒徑、混凝土輸出量和輸送距離以及拌合物性能等進行選擇,并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差:GB/T 17395》的有關(guān)規(guī)定。

      (3)混凝土輸送管強度應(yīng)滿足泵送要求,不得有龜裂、孔洞、凹凸損傷和彎折等缺陷。應(yīng)根據(jù)最大泵送壓力計算出最小壁厚值。[7]

      (4)管接頭應(yīng)具有足夠強度,并能快速裝拆,其密封結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴密可靠。

      (5)在超高泵送的泵管布置中,應(yīng)盡可能減少彎管以及軟管的使用。彎管需采用90°大彎,可最大限度降低泵管內(nèi)部混凝土的摩擦阻力。[9]

      4.1.2 輸送管選擇

      根據(jù)混凝土輸送管選配要求及本工程箱梁混凝土施工現(xiàn)場實際情況,決定輸送管采用φ125mm泵管,壁厚9mm的耐磨超高壓管道。根據(jù)施工地形,各墩懸澆箱梁高程、跨度,按管線盡可能短,少用彎管、軟管的原則布設(shè)泵管。

      根據(jù)施工組織安排,石崆山高架橋起點端混凝土拌和站負責(zé)供應(yīng)N1、N2、N3墩頂?shù)南淞夯炷?,混凝土輸送管自橋起點端的混凝土拌和站開始布設(shè)至N1、N2、N3墩頂?shù)南淞海唤K點端混凝土拌和站負責(zé)供應(yīng)N4、N5、N6墩頂?shù)南淞夯炷?,混凝土輸送管自橋終點端的混凝土拌和站開始布設(shè)至N4、N5、N6墩頂?shù)南淞焊鞫障淞?。泵管豎向沿各個空心墩墩身向上布設(shè)(圖3),然后再順著箱梁各個懸澆節(jié)段水平延伸。

      圖3 Ω形卡固定泵管

      因混凝土輸送管為Φ125mm,向上垂直管每1m按水平長度4m換算,經(jīng)計算得出各墩箱梁最長布管距離(其中垂直管、各角度彎管、軟管已換算成水平管長),如表4所示。

      表4 各墩箱梁最長布管距離

      4.2 混凝土輸送泵選擇

      混凝土輸送泵是泵送混凝土施工的核心設(shè)備,根據(jù)該橋懸澆箱梁混凝土施工特點、混凝土輸送距離(表4)、最大輸出量、混凝土澆注施工計劃以及各種型號輸送泵的性能,確定輸送泵選擇常用的兩種型號:HBT90C型和HBT60A型混凝土拖泵。HBT90C型輸送泵最大輸出壓力壓力16MPa,最遠水平泵送距離600m;HBT60A型輸送泵額定壓力30MPa,最大輸出壓力10.5MPa,最遠水平泵送距離400m。

      根據(jù)表4中的布管距離及測算的泵送過程壓力損失,當(dāng)換算水平輸送距離小于600m時,采用一臺HBT90C型輸送泵可滿足施工要求;當(dāng)換算水平輸送距離大于等于600m時應(yīng)用HBT90C型泵和HBT60A型泵各一臺聯(lián)機泵送,HBT60A型泵放在靠近墩的地點。全橋共配備3臺HBT90C型泵和2臺HBT60A型泵。

      5 箱梁泵送混凝土施工過程控制

      5.1 原材料質(zhì)量控制

      (1)砂石料、水泥、外加劑等材料由試驗人員按規(guī)定頻率進行抽檢,各級質(zhì)檢人員巡檢,保證混凝土骨料合格,水泥、外加劑質(zhì)量穩(wěn)定。在施工過程中,重點控制砂石料質(zhì)量。

      (2)砂的細度模數(shù)應(yīng)控制在2.6~3.0之間,級配應(yīng)在Ⅱ區(qū)中砂范圍。I區(qū)粗砂由于其拌和物內(nèi)摩擦力大,易產(chǎn)生泌水,坍落度損失過大,易堵管。Ш區(qū)細砂拌和物粘性大,流動性差,也易堵管。

      (3)碎石質(zhì)量現(xiàn)場控制主要在兩個方面:碎石級配和針片狀含量。碎石級配不好,粒徑過大,空隙率偏大,會使混凝土拌和物離散性增加,和易性變差,容易堵管,也會使混凝土缺陷增多,影響強度。針片狀含量增加,使碎石比表面積增大,增加需水量,使混凝土坍落度降低,且由于粒形差,骨料顆粒間摩擦力增大,降低了混凝土的流動性,勻質(zhì)性,容易堵管并且影響強度。

      通過箱梁混凝土施工過程的測試,總結(jié)出碎石針片狀含量與坍落度損失及由此引起的堵管概率存在以下關(guān)系,見表5。

      表5 碎石針片狀含量、坍落度損失及堵管概率關(guān)系

      因此碎石級配應(yīng)控制在5~31.5mm連續(xù)級配區(qū)間內(nèi),針片狀含量應(yīng)在10%以內(nèi),含量在10%~15%時宜用在泵程近的墩上,大于15%不能使用。針片狀含量大于10%時混凝土強度平均值R=60.6MPa比總平均值R=61MPa略有降低。為控制好碎石質(zhì)量,級配不好的碎石應(yīng)重新回破過篩;堆料場堆料不均勻應(yīng)進行翻動,避免粗細顆粒過分集中。碎石應(yīng)嚴格控制分粒級,搭配使用。

      5.2 箱梁混凝土拌和、輸送、澆筑的控制

      (1)混凝土拌和站、輸送泵等機械設(shè)備應(yīng)專人操作,持證上崗,嚴格按操作規(guī)程執(zhí)行。機械設(shè)備應(yīng)實行“三保”,施工前應(yīng)試運行,保證良好并能連續(xù)工作。

      (2)混凝土攪拌應(yīng)嚴格按規(guī)范要求進行,應(yīng)特別注意加水量的控制,應(yīng)按試驗室測定的砂石料含水率確定實際加水量并以入泵坍落度復(fù)核,確保按規(guī)定水灰比攪拌,攪拌時間必須足夠,保證混凝土均勻,和易性好。

      (3)混凝土輸送泵宜在最大輸送壓力的80%以下進行,壓力過大,應(yīng)反泵點動,檢查泵管,否則當(dāng)壓力大于20MPa時極易堵管。開始泵送時,混凝土泵應(yīng)處于勻速緩慢運行并隨時可反泵的狀態(tài)。泵送速度應(yīng)先慢后快,逐步加速。同時,應(yīng)觀察混凝土泵的壓力和各系統(tǒng)的工作情況,待各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后,方可以正常速度進行泵送。[10-11]當(dāng)作業(yè)有間歇時,應(yīng)使泵經(jīng)常轉(zhuǎn)動,以防堵管,泵送時,應(yīng)使料斗保持有2/3的混凝土,以防管路吸入空氣,發(fā)生氣堵。

      (4)在實際操作中,經(jīng)常由于混凝土泵管清理不干凈或混入雜物導(dǎo)致堵管,因此施工前應(yīng)特別注意泵管檢查、清理和保養(yǎng),施工中應(yīng)由專人護管,接頭應(yīng)嚴密,混凝土施工前泵送清水檢查,確認混凝土泵和輸送管中無異物后,用水泥砂漿潤滑混凝土泵和輸送管內(nèi)璧。[7]潤滑用漿料泵出后應(yīng)妥善回收,不得作為結(jié)構(gòu)混凝土使用。

      (5)對箱梁混凝土懸臂澆筑全過程進行施工監(jiān)控,重點注意對稱、平衡、分層進行,并隨時檢查掛籃、模板及預(yù)應(yīng)力管道等的偏差不超過規(guī)定值,箱梁的線形和標高控制在允許誤差范圍之內(nèi)。

      6 結(jié)語

      在石崆山右線Ⅱ號高架橋箱梁泵送混凝土整個施工過程中,共進行了115次混凝土澆筑施工,C55混凝土28天取樣218組,試件混凝土強度總平均值R=61MPa,最大批標準差2.4MPa,小于0.06R,最短達到預(yù)應(yīng)力張拉控制強度85%R,時間為3.5天。全橋懸澆箱梁混凝土泵送施工過程順利,無質(zhì)量、安全事故發(fā)生。

      實踐證明,該工程施工所采用的箱梁混凝土配合比性能良好,施工過程混凝土質(zhì)量、橋梁線形及標高控制較好,有效保障了工程施工質(zhì)量、安全及工期,取得良好的經(jīng)濟和社會效益,值得在今后類似工程中應(yīng)用。

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