漢陽(yáng)河特大橋自密實(shí)微膨脹混凝土的制備及其施工工藝

朱劍，伍遠(yuǎn)華，楊光志，楊小峰，向常華

(五峰土家族自治縣交通運(yùn)輸局，宜昌 443400)

摘要：以Ⅱ級(jí)粉煤灰和硅灰作為礦物摻和料，利用當(dāng)?shù)厣笆牧?、P·O 42.5水泥和HCSA高性能膨脹劑，制備出了C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，并應(yīng)用于宜昌五峰漢陽(yáng)河特大橋鋼管拱橋中。工程應(yīng)用表明：制備出的混凝土滿足標(biāo)準(zhǔn)和施工要求，適當(dāng)摻量的膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土收縮，外加劑中增粘組分及引氣組分可明顯提升混凝土的黏聚性和流動(dòng)性，通過(guò)采用泵送頂升現(xiàn)場(chǎng)施工工藝成功對(duì)宜昌五峰漢陽(yáng)河特大橋進(jìn)行了施工。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)；C50高強(qiáng)；微膨脹；鋼管混凝土；施工工藝

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.004

Abstract:This paper prepared the C50 self compacting and micro expansional concrete by using P·O 42.5 cement,high-performance expansive agent,local raw aggregate and adding fly ash II,silica fume mineral admixtures.It was successfully applied into the construction of Hanyang River steel tube arch bridge in Wufeng County,Yichang City.The engineering application showed that:the concrete with proposed construction mixture proportion met the standard and construct requirements;the appropriate amount of expansive agent compensated the shrinkage degree of concrete;the viscosity and fluidity of the concrete was significantly improved by adding tackifier constituents and air entraining components in admixture.The construction was carried out successfully with lift pumping construction technology.

收稿日期：2015-06-10.

基金項(xiàng)目：高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2012CEM004).

作者簡(jiǎn)介：朱劍(1982-),工程師.E-mail:17156471@qq.com

Preparation and Construction Technology of Self-compacting

Expansive Concrete for Hanyang River Bridge

ZHUJian,WUYuan-hua,YANGGuang-zhi,YANGXiao-feng,XIANGChang-hua

(Transportation Bureau of Wufeng Tujia Autonomous County, Yichang 443400，China)

Key words:self compacting;C50 high strength;micro expansion;steel tube-confined concrete;construction technology

鋼管混凝土是指將混凝土填充到鋼管中,由鋼管和核心混凝土共同承擔(dān)荷載的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]。這種復(fù)合構(gòu)件能有效地提高鋼管混凝土的穩(wěn)定性和承載能力，簡(jiǎn)化了施工工序，縮短了施工工期，節(jié)約了各項(xiàng)成本，同時(shí)降低了對(duì)環(huán)境的破壞，符合資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的要求。

1工程概況

漢陽(yáng)河特大橋是一級(jí)公路陸城-漁洋關(guān)延伸段重點(diǎn)工程，是五峰縣境內(nèi)連接宜昌-張家界高速的重要干線橋梁。該橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)399 m，主跨171 m，主橋?yàn)樯铣惺戒摴芑炷凉皹颍瑯蚺c谷底高差達(dá)100 m，是五峰境內(nèi)第一座鋼管拱橋，也是五峰最高、最長(zhǎng)的一座橋。該項(xiàng)目能優(yōu)化區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)五峰新縣城的建設(shè)，改善五峰對(duì)外交通條件，緩解城市交通壓力，開(kāi)發(fā)利用沿線豐富的自然資源和旅游資源，帶動(dòng)沿線民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，幫助五峰縣的脫貧致富，進(jìn)一步拓寬城市發(fā)展空間，提速新型城市化發(fā)展進(jìn)程都具有十分重要的意義。建成通車后，將為五峰西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)及周邊地區(qū)群眾的出行、沿線經(jīng)濟(jì)和旅游的發(fā)展提供有力保障。

漢陽(yáng)河特大鋼管混凝土拱橋(主拱、綴板、立柱)采用C50鋼管自密實(shí)混凝土進(jìn)行灌注，采用泵送頂升法灌注混凝土，共8根鋼管、4個(gè)綴板和12根立柱，每根鋼管需自密實(shí)高強(qiáng)混凝土104方，拱座兩邊各52方；每根綴板需25方，；立柱共需400方。該項(xiàng)目克服了山區(qū)晝夜溫差大，夏季施工溫度高等難點(diǎn)，通過(guò)減少膠凝材料用量，降低水灰比等措施保證了鋼管自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的各項(xiàng)工作性能和強(qiáng)度要求，同時(shí)用礦物摻合料替代部分水泥，既提高了混凝土的性能，又節(jié)約了成本，實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

2技術(shù)性能要求

設(shè)計(jì)的C50鋼管自密實(shí)混凝土首先要保證優(yōu)良的自密實(shí)性能，滿足自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程SF1、VS1的要求，同時(shí)混凝土易于泵送施工，早期強(qiáng)度上升明顯，后期強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，含氣量符合施工要求規(guī)定。為確保施工質(zhì)量，對(duì)其鋼管混凝土具體性能指標(biāo)要求如下：

1)物理力學(xué)性能：混凝土早期強(qiáng)度高，3 d抗壓強(qiáng)度大于等于40 MPa，4 d強(qiáng)度達(dá)到45 MPa以上，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到100%，不振搗混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到振搗混凝土抗壓強(qiáng)度的98%以上。

2)工作性能：良好泵送性能，坍落度大、和易性好、不泌水離析且自密實(shí)，初凝時(shí)間>14 h，初始坍落度220～260 mm，初始坍落擴(kuò)展度550～650 mm，T500擴(kuò)展時(shí)間2～20 s，2 h后坍落度≥200 mm，2 h后擴(kuò)展度≥500 mm，3 h后坍落度≥160 mm， 3 h后擴(kuò)展度≥350 mm。

3)體積變形性能：密閉環(huán)境下混凝土28 d自由膨脹率(2.0～4.0)×10-4，360 d徐變系數(shù)<1.8。

4)氣體含量：粘聚性和保水性好，拌合物含氣量小于2.0%。

3試驗(yàn)原材料

1)水泥：宜都華新P·O 42.5水泥；

2)砂：洞庭湖中砂，表觀密度ρa(bǔ)=2 682 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.89，含泥量0.7%；

3)碎石：五峰崇陽(yáng)石廠5～25 mm和5～20 mm連續(xù)級(jí)配普通碎石，表觀密度ρa(bǔ)=2 718 kg/m3，針片狀含量3.6%，壓碎值11.7%；

4)粉煤灰：湖南石門(mén)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的Ⅱ級(jí)灰技術(shù)要求；

5)硅灰：SiO2含量92%，比表面積18 600 m2/kg，需水量比122%；

6)膨脹劑：天津豹鳴HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨脹劑；

7)減水劑：武漢蘇博特YJ-1型聚羧酸減水劑，減水率26%，固含量27%；

8)水：采用生活用水。

4C50自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土施工配合比設(shè)計(jì)

4.1　施工配合比的確定

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)膠凝材料種類及用量、水膠比、礦物摻合料替代率、砂率、膨脹劑等影響因素的研究，并考察施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況后，了解到將于鋼管主拱、綴板、立柱此三個(gè)部位進(jìn)行C50自密實(shí)微膨脹混凝土的灌注。其中，主拱的施工為一次頂升泵送，綴板為求保險(xiǎn)應(yīng)進(jìn)行二次接力泵送，立柱則需使用高拋工藝，因此這三個(gè)施工部位的混凝土性能便存在一定的差異。如綴板中的混凝土大顆粒的石子應(yīng)盡量減少，且粘聚性更好；用于高拋的混凝土宜降低配合比中石子的比例，粘聚性也應(yīng)很好。同時(shí)為使混凝土在更長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)仍有良好的保塑性能，應(yīng)適當(dāng)增加減水劑的摻量，并需摻入增粘組分以防止混凝土離析、扒底。

表1　C50鋼管自密實(shí)混凝土施工配合比　/(kg·m -3)

注：綴板配合比中所用石子粒徑為5～20 mm；立柱配合比中減水劑里增粘組分的摻量變?yōu)?.0%。

4.2　施工配合比力學(xué)性能及工作性能

經(jīng)系列實(shí)驗(yàn)研究后， C50鋼管混凝土的施工配合比進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，其力學(xué)性能和工作性能見(jiàn)表2。

表2　C50鋼管混凝土施工配合比的各項(xiàng)性能

注：由于鋼管混凝土的自密實(shí)特性，成型混凝土試塊時(shí)不進(jìn)行振搗處理。

如表2所示，各組混凝土工作性能良好，含氣量低，28 d強(qiáng)度富余較大，膨脹率符合要求。為適應(yīng)緊湊的施工進(jìn)度安排，C50混凝土應(yīng)在3～5 d的強(qiáng)度即達(dá)到90%及以上，故將水泥用量從410 kg/m3增加至430 kg/m3，則使混凝土4 d強(qiáng)度均超過(guò)了90%。而且，由于膠凝材料用量增多，混凝土的流動(dòng)性能也略有提升。從施工配合比的混凝土工作性能數(shù)據(jù)可看出，盡管摻加硅灰和提高增粘組分的方式都能使混凝土的粘度增大，不過(guò)2#混凝土較3#混凝土的流動(dòng)性更好，且硅灰的摻入使其各齡期的強(qiáng)度得到了一定幅度的增長(zhǎng)，因此2#配合比的混凝土適宜進(jìn)行綴板的施工，而3#配合比的混凝土可進(jìn)行立柱的高拋施工。1#適合主拱泵送施工。

4.3　膨脹性能研究

為使混凝土的密閉環(huán)境自由膨脹率符合要求，該試驗(yàn)控制膠凝材料用量為560 kg/m3，減水劑量為1.2%,水膠比為0.295，研究膨脹劑摻量為0 kg/m3、40 kg/m3、45 kg/m3、50 kg/m3、55kg/m3對(duì)混凝土膨脹性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摻EAACⅡ型膨脹劑可以一定程度地補(bǔ)償混凝土的收縮，并隨膨脹劑摻量的增加而逐漸增大。摻量為8%(45 kg/m3)EAACⅡ型膨脹劑時(shí)，56 d自膨脹率在3.4×10-4左右,滿足鋼管混凝土補(bǔ)償收縮的要求，混凝土的56 d密閉自由膨脹率數(shù)值在3.0×10-4以上，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5鋼管混凝土施工工藝

5.1　鋼管混凝土的拌合

要求拱肋鋼管混凝土泵送施工在4 h之內(nèi)完成。因此，混凝土總拌合量不宜低于40 m3/h，如果現(xiàn)場(chǎng)拌合，則每岸至少兩臺(tái)拌合機(jī)，且要求計(jì)量準(zhǔn)確，如果有一臺(tái)拌和機(jī)出現(xiàn)故障，仍然能保證鋼管混凝土泵送連續(xù)施工；水泥、粉煤灰溫度宜低于50 ℃；砂、石集料宜采取遮陽(yáng)措施，避免太陽(yáng)暴曬影響拌合物工作性能；拌合前測(cè)試砂含水率，拌合過(guò)程中每2 h測(cè)試砂含水率；混凝土拌合時(shí)間宜90～120 s，以保證拌合充分。

如果采用商品混凝土站集中拌合，則建議采用兩個(gè)拌和樓同時(shí)進(jìn)行攪拌，每個(gè)拌和樓分別供應(yīng)一端，并選擇合適的位置搭設(shè)平臺(tái)，方便膨脹劑、硅灰等原料的投放。同時(shí)每個(gè)拌和樓配置4臺(tái)混凝土罐車，以保證混凝土供應(yīng)量，確保灌注施工能夠連續(xù)進(jìn)行，避免因混凝土供應(yīng)不足導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停泵，最終導(dǎo)致堵管等現(xiàn)象；混凝土罐車在運(yùn)輸中不得隨意加水。

5.2　鋼管混凝土的運(yùn)輸

混凝土的灌注施工須在現(xiàn)場(chǎng)已備有三車混凝土，第四車已從攪拌站發(fā)出后方可開(kāi)始，防止由于交通堵塞等原因?qū)е碌幕炷凉?yīng)不足，確保施工連續(xù)進(jìn)行。

由于現(xiàn)場(chǎng)地形較復(fù)雜，混凝土罐車難以將混凝土運(yùn)送至泵車附近，因此，兩岸均需設(shè)置混凝土溜槽，以便將混凝土順利運(yùn)送至泵車料斗。同時(shí)為了確保料斗中有足夠的混凝土，并且能夠混合均勻，應(yīng)該將料斗進(jìn)行加高。

在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)注意施工時(shí)的氣溫，若氣溫較高，則應(yīng)對(duì)鋼管外壁進(jìn)行適時(shí)的灑水降溫，或者覆蓋土工布后進(jìn)行灑水降溫，防止由于氣溫過(guò)高導(dǎo)致管內(nèi)混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失快，影響施工。

5.3　拱肋鋼管混凝土的施工

在拱頂要牢固焊接隔倉(cāng)板，使整根鋼管分為兩倉(cāng)，兩岸同時(shí)對(duì)稱泵送，根據(jù)拱橋的跨距、拱高、混凝土拌合能力等因素采用一次泵送到頂。泵管的布置應(yīng)合理，盡量避免彎折布設(shè)，且必須綁好接牢，以免混凝土灌注過(guò)程中泵管晃動(dòng)劇烈而脫落。泵送混凝土前，先泵送0.3～0.4 m3水潤(rùn)濕鋼管內(nèi)壁，并觀察是否漏水，以保證泵管連接牢固，再泵送兩斗(0.6 m3)砂漿對(duì)鋼管進(jìn)行潤(rùn)濕。

泵送時(shí)在拱腳處開(kāi)灌注孔，在拱頂兩側(cè)50 cm左右開(kāi)排氣孔，排氣孔為焊接在拱肋上的一截鋼管，鋼管直徑15 cm，高度1.5 m，要有一定傾斜角度，防止混凝土灑到鋼管上，影響鋼管的外觀。混凝土對(duì)稱頂升至拱頂后應(yīng)先冒出水和砂漿，然后是混凝土，從排漿管排出1 m3混凝土后不得停機(jī)，每3～4 min打兩下，保證管內(nèi)混凝土填充密實(shí)。

泵管設(shè)置如圖2所示。

5.4　綴板鋼管混凝土的施工

綴桿必須與綴板焊接牢固，避免施工過(guò)程中脫焊，起不到限制綴板變形的作用。在拱角處開(kāi)排氣孔，排氣孔鋼管傾斜角度為30°～45°，在拱頂處焊接隔倉(cāng)板，在L/4處開(kāi)孔，接好泵管，提前做好接力泵送準(zhǔn)備，避免因?yàn)楹附硬焕喂潭鴮?dǎo)致綴板變形。施工方法與拱肋施工一致。

5.5　立柱鋼管混凝土的施工

立柱采用高拋工藝，在立柱中段應(yīng)采用阻力網(wǎng)以避免混凝土產(chǎn)生離析分層，最好一根立柱一次高拋完成，同時(shí)應(yīng)注意泵管的灑水和覆布處理，減少泵送壓力，避免堵管。

具體施工方法與拱肋施工類似。

6工程應(yīng)用效果

漢陽(yáng)河特大鋼管拱橋采用泵送頂升法灌注混凝土，共8根鋼管和4個(gè)綴板，每根鋼管需自密實(shí)微膨脹高強(qiáng)混凝土104方，拱座兩邊各52方。C50自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土由五峰宗和商混攪拌站拌合，1 h混凝土拌合量在30～40方，運(yùn)輸距離5 km左右，混凝土出站抽樣的坍落度230～250 mm，擴(kuò)展度580～610 mm。正常情況下新拌混凝土半個(gè)小時(shí)可以到達(dá)工地。在工地現(xiàn)場(chǎng)抽樣，坍落度230～250 mm，擴(kuò)展度550～600 mm，坍落度幾無(wú)損失。

C50自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土澆筑后3 d強(qiáng)度可以達(dá)到85%，4 d強(qiáng)度可以達(dá)到95%，7 d后強(qiáng)度完全達(dá)到100%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)早期強(qiáng)度較高，縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了人工成本。

7結(jié)論

a.基于施工當(dāng)?shù)卦牧?，利用施工配合比能夠制備出具有良好力學(xué)性能、工作性能和符合施工要求的自密實(shí)補(bǔ)償收縮鋼管混凝土。

b.摻加HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨脹劑能有效解決混凝土收縮的問(wèn)題，產(chǎn)生微膨脹的效果，增加了鋼管拱橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

c.通過(guò)對(duì)不同施工部位的施工配合比微調(diào)，合理調(diào)配施工工藝，順利進(jìn)行了宜昌漢陽(yáng)河特大橋主拱、綴板、立柱混凝土泵送灌注，滿足設(shè)計(jì)要求。

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