林 建
(四川路橋橋梁工程有限責任公司,成都 610041)
南充市下中壩嘉陵江大橋主橋設計為2×160m 下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋,見圖1。主拱為橫啞鈴形桁式拱,拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=1.167,矢跨比1/5。拱肋為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu),截面全寬2.0 m,高度為3.6m。每片拱肋由4根Φ750mm×16mm 的鋼管組成,腹桿采用Φ325mm×12mm 的鋼管,主管內(nèi)灌注C60微膨脹混凝土。由于當?shù)靥烊簧百Y源較為緊缺,故采用機制砂全部替代天然砂以制備C60鋼管微膨脹混凝土。
鋼管混凝土設計為C60微膨脹混凝土,按照兩跨對稱、均衡加載原則,兩跨同步對稱加載,每跨以拱頂分左、右半跨及上、下游同步對稱加載。全橋分兩次灌注,先連續(xù)灌注兩跨8根下弦管,待其強度達到設計強度的80%后再連續(xù)灌注兩跨8根上弦管,以控制拱肋變形。每次灌注時均按照先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的順序進行。
施工采用頂升法多點同步對稱泵送灌注,由兩跨上、下游8個拱腳處同步泵入混凝土,單根主管一次性頂升灌注,由拱頂處排漿。
根據(jù)工程設計要求,鋼管核心混凝土應采用C60微膨脹自密實混凝土,需要具有和易性好、流動性高、不分層離析、坍落度經(jīng)時損失小且緩凝等工作性能[1]。結(jié)合現(xiàn)場灌注特點及混凝土的生產(chǎn)能力、運輸時間、等待時間,并根據(jù)灌注時氣候條件等情況,要求混凝土初始塌落度達到220~230mm,經(jīng)4h塌落度損失≤40mm,初始擴展度≥600mm,經(jīng)4h擴展度損失≤200mm,初凝時間≥16h以上;混凝土配制強度不低于69.9 MPa,為了確保工期,要求混凝土5d強度≥80%配制強度;同時混凝土的膨脹率控制為:標準養(yǎng)護14d不超過2.0×10-4,28d混凝土膨脹率為1.8×10-4±0.1×10-4。
經(jīng)調(diào)查、試驗,工程選用的原材料品種及規(guī)格如下:
1)水泥:華鎣川煤水泥責任有限公司P.O42.5級水泥,性能指標見表1。
表1 水泥的主要性能指標
2)砂:南充小龍河壩機制砂,表觀密度2 637kg/m3;堆積密度1 511kg/m3;空隙率42.7%;細度模數(shù)2.85;石粉含量2.7%,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2001)[2]對C60混凝土用I類機制砂中石粉含量的限值要求;機制砂顆粒級配曲線如圖2所示。
與天然砂相比,機制砂具有顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、細度模數(shù)大、級配不良、需水量大等特性,需要減水率更高的外加劑以克服上述不足。但是,其固有的小于75μm 的石粉在混凝土體系中增加了粉料的含量,起到潤滑、增黏、填充的作用,可以使混凝土拌合物屈服值減小,增加塑性黏度,粗骨料在重力、浮力和砂漿黏性的作用下易保持受力平衡,能懸浮于水泥漿體中,使混凝土不易離析、泌水,免振搗施工效果更好。
3)碎石:南充文峰河壩5~10mm 和10~20mm 碎石;表觀密度2 659kg/m3;堆積密度1 510kg/m3;緊密空隙率43.2%;含泥量0.3%;針片狀含量1.2%;壓碎值3.1%,符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)[3]的要求;碎石顆粒級配曲線如圖3所示。
4)減水劑——四川三三科技有限責任公司SSJS-緩凝型聚羧酸高性能減水劑,固含量30%,減水率25%;
5)膨脹劑——四川三三科技有限責任公司SS-CAS高性能混凝土膨脹劑,質(zhì)量符合《混凝土膨脹劑》(JC 476—2001)[4]的要求;
6)粉煤灰——四川省旭陽水泥有限責任公司粉煤灰(Ⅰ級),需水量比93%;
7)硅粉——四川德昌新瑞環(huán)保科技有限公司,SiO2含量94%,比表面積20 000m2/kg。
混凝土拌合物性能采用初始坍落度、坍落擴展度及其經(jīng)時變化進行評價,坍落度、坍落擴展度試驗按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)[5]進行;力學性能測試依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[6]進行,混凝土抗壓試件為邊長150mm 立方體試塊;混凝土自由膨脹率按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)[7]進行測試,試件尺寸為100mm×100mm×515mm。
3.4.1 膠凝材料組成和用量對混凝土的工作性能和力學性能的影響
采用上述原材料,進行C60鋼管微膨脹混凝土的配合比設計,混凝土配合比及性能如表2、表3所示:
表2 C60鋼管混凝土配合比 /(kg·m-3)
從表3中看出,混凝土的力學強度隨膠凝材料用量的增加而提高;摻入硅粉后,隨著摻量的增多,混凝土的流動性和保坍效果變差,但抗壓強度提高明顯。綜合混凝土的工作性能、力學性能和經(jīng)濟成本,優(yōu)選編號3所示配合比。
表3 混凝土的工作性能與力學性能
3.4.2 砂率對混凝土的工作性能和力學性能的影響
考慮到機制砂顆粒粗糙、級配不良、需水量大,同時使混凝土增黏等特點,在編號3配合比的基礎上,對砂率進行調(diào)整,以得出最佳砂率,使混凝土的工作性能和力學性能進一步提升。
表4 C60鋼管微膨脹混凝土配合比 /(kg·m-3)
表5顯示,采用機制砂配制的C60鋼管微膨脹混凝土,編號6~8的工作性能和力學性能各項指標均能滿足技術(shù)要求。隨機制砂砂率的增加,混凝土的自由膨脹率呈增大的趨勢,而彈性模量逐漸減小。從混凝土的流動性、保坍效果和抗壓強度來看,存在一個最佳砂率,即42%,使混凝土的工作性能和力學性能達到最優(yōu),故選定編號7所示配合比。
表5 混凝土的工作性能與力學性能
根據(jù)混凝土灌注方式、生產(chǎn)能力、運輸條件等,現(xiàn)場布置14臺60 型輸送泵,其中4 號墩2 臺,5 號墩4臺,6號墩2臺,2臺備用;由于5號墩泵送距離遠,另布置4臺接力泵分級泵送,確保輸送泵與鋼管泵送口的距離控制在20m 以內(nèi)。每臺輸送泵由4輛混凝土灌車供料,現(xiàn)場同時布置4臺300kW 發(fā)電機備用。
4.2.1 灌注順序
按照兩跨對稱與均衡加載的原則,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,全橋共分兩次灌注,第一次灌注兩跨下弦內(nèi)側(cè)鋼管、外側(cè)鋼管,第二次灌注兩跨下弦內(nèi)側(cè)鋼管、外側(cè)鋼管,見圖4。
4.2.2 灌注流程
施工準備→泵送砂漿→泵送混凝土→封堵排氣孔→關閉泵送口閘閥→現(xiàn)場清理、養(yǎng)護。
4.2.3 準備工作
1)布置泵送口及輸送管道
泵送口開設在鋼管拱腳處外側(cè),采用輸送管與拱肋鋼管焊接形成,夾角為30°,根據(jù)相貫線用氣割開口,并將割下的鋼管母材保存好,待混凝土灌注完成并達到強度后對開口進行焊補。
2)布置排氣孔、振搗孔、出漿口
排氣孔設置在距跨中23m 及47m 處,采用Φ20mm 鋼管向上接出,泵送出漿后采用木楔堵塞。
振搗孔在拱頂隔板兩側(cè)分別設置,以確保拱頂處混凝土的密實,為了有利于混凝土灌注過程中氣體更好地排出,并防止混凝土溢出污染鋼管,灌注時在每一個振搗孔上方用塑料管接高1.5m。
出漿口布置在拱頂兩側(cè),用Φ120mm 鋼管接出,高度為1.5m。排氣孔、出漿口外接鋼管均在管內(nèi)混凝土達到設計強度后割除,并用開孔時割下的原材進行焊補封堵。
3)鋼管內(nèi)沖洗
每根鋼管灌注前,由拱頂振搗孔的鋼管內(nèi)注入清水以清洗鋼管內(nèi)部,清洗后的水及銹渣由拱腳處開孔排出。
4.2.4 混凝土灌注
1)灌注時間
由于施工處于夏季,混凝土灌注時間選擇在19:00~05:00進行,一方面可避免混凝土塌落度損失過大,利于混凝土在管內(nèi)的頂升,同時也可以使混凝土粗細骨料溫度得到降低,避免日間太陽曝曬;另外一方面可避開白天交通及用電高峰期,有利于保證混凝土運輸?shù)臅惩ǎs短運輸時間,確保單次灌注能在混凝土初凝前完成。
2)泵送砂漿
每次泵送混凝土前,每臺輸送泵先泵送0.5~1m3水泥砂漿,水泥砂漿采用與灌注混凝土相同的膠砂比進行拌制。
3)泵送混凝土
現(xiàn)場建立泵送指揮小組及質(zhì)量控制小組,對施工全程進行指揮、控制,確保單根鋼管混凝土一次連續(xù)灌注完成,一根鋼管混凝土灌注時間控制在最先灌注混凝土的初凝時間以內(nèi)。灌注時采用計算泵入混凝土數(shù)量及敲擊鋼管的方法確定灌注進度,將鋼管間灌注進度差控制在2m 以內(nèi)。
當混凝土到達拱頂振搗孔后,暫停混凝土泵送,采用插入式振搗器進行振搗,排出殘留空氣后繼續(xù)慢速泵送混凝土,直至出漿口排出與泵入時相同的混凝土后,暫停泵送并保持壓力,將振搗孔焊補封閉,然后再間歇泵送一次,以保證拱頂處混凝土密實,隨后關閉泵入口閘閥,等待5min后若無異常情況結(jié)束灌注。單次灌注完成后,及時用清水將鋼管上殘留的混凝土沖洗干凈。
現(xiàn)場每臺輸送泵均安排專人負責記錄灌注混凝土數(shù)量,并及時相互溝通聯(lián)系,確保灌注速度相近。
灌注過程中用全站儀全程監(jiān)測拱軸線的偏位及標高變化情況,與監(jiān)控單位提供的各工況變形值進行比較,若發(fā)現(xiàn)異常,及時報告設計、監(jiān)控及監(jiān)理人員,待核實處理后方可繼續(xù)灌注。
每次灌注留取抗壓試件11組,以獲得3d、5d、7d、28d的混凝土試件抗壓強度值。
由于施工期間正值夏季,為避免高溫對鋼管混凝土產(chǎn)生不利影響,養(yǎng)護采取覆蓋與噴淋結(jié)合的方法?;炷凉嘧⑼瓿珊螅阡摴苌喜扛采w并捆綁土工布,用水泵抽水不間斷噴淋,養(yǎng)護時間不少于7d。
重點對混凝土填充度進行檢測,采用錘擊敲打、鉆小孔取樣及超聲波無損檢測相結(jié)合的方法進行,對灌注不密實的地方采用鉆孔壓漿法進行處理。
表6 鋼管拱肋混凝土澆筑實測項目
全橋鋼管混凝土約1 150m3,于2012年5月1日進行第一次灌注,5月6日灌注第二次,每次灌注時間在10h左右,均為一次性灌注完成,兩次灌注間隔時間為5d。灌注過程中,橋軸線偏位及拱肋變形值均符合設計要求。兩次灌注共留取混凝土試件16組,全部有效,其5d強度達到85%,28d的抗壓強度平均值為72.8 MPa,強度標準差3.6 MPa,強度評定合格。
通過第三方檢測單位采用敲擊、鉆孔及超聲波檢測,重點針對拱頂位置,發(fā)現(xiàn)個別部位存在微小脫空,經(jīng)壓漿處理后滿足設計及規(guī)范要求,整體質(zhì)量良好。
南充市下中壩嘉陵江大橋拱肋采用機制砂制備的鋼管C60微膨脹混凝土具有流動性好、保塑,補償收縮,早強等特點,灌注均勻密實,質(zhì)量滿足設計及規(guī)范要求。目前該橋已順利通車運行,通過監(jiān)控及檢測單位反饋的各項數(shù)據(jù)表明,鋼管混凝土的實施效果達到了預期值,其工藝和技術(shù)可為同類型橋梁的施工提供借鑒和參考。
[1]胡曙光,丁慶軍.鋼管混凝土[M].北京:人民交通出版社,2007.
[2]GB/T 14684—2001,建設用砂[S].北京:中國標準出版社.
[3]JTG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社.
[4]JC 476—2001,混凝土膨脹劑[S].北京:中國標準出版社.
[5]GB/T 50080—2002,普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.
[6]GB/T 50081-2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.
[7]GB/T 50082-2009,普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.