蘇湘華，楊占峰

(廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530011)

1 引言

中國近20年來CFST(鋼管混凝土)拱橋發(fā)展迅速、應用廣泛，根據(jù)文獻[1]及后續(xù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019年1月已有450余座。該橋型發(fā)展速度快，但相關的計算理論、施工規(guī)范并未跟上，直至2013年，住建部才發(fā)布了第一本國標GB 50923-2013《CFST拱橋技術規(guī)范》。一些省份，如廣西，編制了地方標準對規(guī)范進行了補充，但仍有一些技術問題未能解決。其中，制約該橋型進一步發(fā)展的一項問題就是CFST脫黏問題。文獻[2-3]研究表明：CFST脫黏問題普遍存在在CFST拱橋中，一直是工程界的難題，對其極限承載力和耐久性影響較大。造成CFST脫黏的因素有許多，其中，施工和混凝土收縮是重要的原因。為解決脫黏問題，部分專家、學者提出了一些新的施工工藝和新材料，該文介紹真空輔助灌注技術及自密實無收縮混凝土在CFST拱橋中的應用及其應用效果，以驗證上述新工藝、新材料的理論，為同類橋型施工提供借鑒。

2 工程概況

馬灘紅水河特大橋為主橋跨徑336 m的中承式CFST拱橋，全長553 m。大橋分左右兩幅橋，全寬達55.8 m，主體鋼結構約14 000 t。主拱矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.167。拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面高7.0 m，拱腳截面高12 m，拱圈凈矢高80 m。主弦管直徑1.2 m，管內灌C55混凝土，單管灌注混凝土約400 m3。大橋總體布置及橫斷面如圖1、2所示。

圖1 馬灘紅水河特大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 馬灘紅水河特大橋橫斷面圖(單位：cm)

拱肋管內混凝土采用“兩岸對稱，從下往上，兩級接力連續(xù)泵送頂升”的方式灌注。全橋共16根主弦管，共需進行16次灌注。首先，在拱腳和拱肋2/3高度處的弦管上開設進漿孔，焊接進漿閥門。然后，在兩岸拱腳處各布置兩臺80型混凝土輸送泵，將泵管沿拱背布置，連接到進漿閥。施工時，兩岸各使用4臺罐車運輸混凝土至泵機，用泵機連續(xù)向上壓注，直至混凝土到達拱頂，然后從拱頂排出浮漿。

3 真空輔助灌注技術應用

CFST灌注時，由于混凝土含氣，其在向上壓注過程中不斷將內部氣泡內的氣體釋放出來，因此，會在其表面與鋼管壁之間形成氣囊，影響混凝土的密實性。另外，拱頂區(qū)段的弦管較平緩，管內空氣易懸浮在鋼管頂部，混凝土在該區(qū)段不易將其擠出，也會在混凝土與鋼管壁間形成氣囊，影響CFST灌注的密實性。

為排除管內空氣，馬灘紅水河特大橋拱肋CFST灌注時參考廣西地標的要求，采用了真空輔助泵送頂升壓注技術。抽真空系統(tǒng)構造如圖3所示。

圖3 抽真空系統(tǒng)布置示意圖

(1) 抽真空系統(tǒng)與拱肋弦管通過拱頂出漿管連接，連接管采用高壓軟管。

(2) 拱肋弦管與抽真空系統(tǒng)設一個閥門1，閥門設于出漿管或連接管的頂部。

(3) 真空泵與拱肋弦管之間設一個儲漿桶，桶的底部呈錐形，錐形底部設出漿管和閥門2。

(4) 真空泵和儲漿桶之間設真空檢測表和閥門3。

(5) 抽真空系統(tǒng)內部以及與外部的各處連接應保證牢固密封，不漏漿、不漏氣。

真空輔助灌注操作步驟：

(1) 首先，在拱頂用型鋼搭設施工平臺，將抽真空設備安裝在拱頂，并在拱肋鋼管的1/8、1/4、3/8及拱頂抽真空系統(tǒng)處設置真空表。進行真空輔助灌注拱肋混凝土前，先提前進行空鋼管試抽真空，檢驗設備的運轉情況以及整個系統(tǒng)的密封性。

(2) 開始灌注后，當混凝土埋過進漿口2 m，確認進漿口不會漏氣后暫停灌注，啟動真空泵將弦管內空氣抽出，達到-0.08 MPa的真空度，然后繼續(xù)泵送第一級管內混凝土?；炷另斏^程中，每泵送完1車就記錄一次各點的真空讀數(shù)，隨時保持弦管內真空度維持在-0.08 MPa左右。

(3) 第一級泵送混凝土面接近排漿口，先將負壓釋放，直至弦管內恢復常壓狀態(tài)后，打開排漿口排出管內浮漿。浮漿排完后，關閉出漿口閥門。當?shù)谝患壔炷吝吔缑娴竭_二級進漿管下50 cm時，打開第二級進漿管閥門，暫停第一級泵機，啟動第二級泵機。直到混凝土邊界面高于第二級進漿管2 m時，然后啟動抽真空系統(tǒng)，待真空度達到-0.075～-0.086 MPa(絕對真空現(xiàn)場無法達到，多次試驗表明，采用-0.08 MPa左右的真空度可實現(xiàn)灌注密實無氣囊)時，第二級泵機繼續(xù)泵送混凝土。期間，隨時保持弦管內真空度維持在-0.08 MPa左右。

(4) 當二級管內混凝土泵送到拱頂，拱頂出漿管開始出漿時，將混凝土泵送至儲漿桶內至少1.0 m3后，暫停二級泵機，緩慢打開空氣閥門，拆開真空系統(tǒng)與主弦管的連接，真空系統(tǒng)退出工作。然后泵機繼續(xù)泵送混凝土。卸除負壓時，人工用鐵錘敲擊出漿管，靠聲音辨識混凝土面在出漿管內的位置，檢查混凝土是否有回落，當發(fā)現(xiàn)混凝土面下降后，立即通知泵機再泵進混凝土，使混凝土重新填滿出漿管，確保排漿管內混凝土面不回落至鋼管內，以防止空氣回流至鋼管。反復進行上述操作，直至負壓卸載完畢。

(5) 真空系統(tǒng)退出后，二級泵機繼續(xù)泵送混凝土，拱頂出漿管不斷排出浮漿，當管口浮漿排盡，出現(xiàn)良好混凝土后，暫停泵送，靜置10 min。然后泵送兩下，再靜置10 min。當出漿管內無明顯氣泡后，關閉二級進漿管閥門，完成單條主弦管澆筑。

灌注過程中，現(xiàn)場技術人員詳細記錄每泵送完1車混凝土后各處真空表的讀數(shù)，該文選取有代表性的一次真空度記錄(左幅上游內側下弦管)進行分析，具體如表1所示。

表1 真空度檢測記錄(南寧岸半拱數(shù)據(jù))

從表1可看出：CFST灌注過程中，管內始終維持-0.08 MPa左右的負壓。馬灘紅水河特大橋共16根主弦管，均采用了真空輔助灌注。

4 自密實無收縮混凝土

為解決管內混凝土間的脫空問題，大橋項目組研發(fā)了可控制可設計膨脹混凝土。原理是在混凝土中摻加CaO和MgO兩種新型膨脹劑，利用特制的CaO類膨脹組分實現(xiàn)強度生成過程中的早期膨脹，利用高活性MgO類膨脹組分實現(xiàn)中期膨脹，利用低活性MgO膨脹組分實現(xiàn)后期膨脹，通過采用不同活性膨脹組分多元復合，實現(xiàn)硬化混凝土分階段、全過程的收縮抑制，達到無收縮的目的。

傳統(tǒng)補償收縮混凝土可補償一定的收縮量，JGJ/T 178-2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》要求28 d限制膨脹率為-0.01%，未能做到真正的無收縮。項目組參照該規(guī)程對自密實無收縮混凝土提出了更高的試驗控制指標，具體如表2所示。

表2 自密實無收縮混凝土體積變形控制指標

為確?；炷吝_到設計的性能，使用磨圓整形的碎石作為混凝土骨料，以提高其工作性能及骨架密實性；使用優(yōu)質的天然砂作為細集料；以及使用Ⅰ級粉煤灰和42.5級硅酸鹽水泥。

經(jīng)多次試驗后，得出了混凝土的配合比，滿足上述指標要求。項目組還進行了1∶1的CFST收縮試驗。試驗采用3根直徑1.2 m的鋼管，每根3 m高，分別進行基準(不摻膨脹劑)、單摻(摻1種膨脹劑)、雙摻(摻兩種膨脹劑)3種混凝土的收縮對比。在鋼管中心布置了徑向及軸向應變計，測試其混凝土澆筑完成后的內部溫度及變形歷程。采集了50 d的數(shù)據(jù)(圖4)，圖4顯示，雙摻混凝土的性能較優(yōu)，從灌注完成至50 d齡期一直呈微膨脹狀態(tài)，未發(fā)生收縮。

圖4 試驗管混凝土軸向應變歷程

采用雙摻混凝土進行實橋灌注，配合比見表3。

表3 自密實無收縮混凝土配合比 kg

采用表3配合比，得到混凝土坍落度為180～220 mm，擴展度為580～650 mm，工作性能良好，實橋灌注較成功?；炷凉嘀凉绊?，從出漿管排出后，浮漿也較少。

5 CFST成形效果檢測

由圖4可知：灌注完3 d，混凝土尚未開始收縮。在3 d齡期時采用敲擊法和超聲波對整條CFST的灌注密實性進行檢查，各測區(qū)檢測結果如表4所示。

表4顯示，3 d齡期CFST灌注飽滿性好，填充密實，真空輔助灌注有效。

對28 d齡期的CFST采用超聲波法檢測其黏結情況，采集了聲速、波幅和波形等數(shù)據(jù)及圖形，各測區(qū)檢測結果如表5所示。

同時，在拱頂弦管內埋設兩個應變計進行混凝土變形測定，從灌注完成開始，連續(xù)自動測量和記錄，結果如圖5所示。

表4 CFST檢測結果(3 d齡期)

注：各測區(qū)波形均正常、清晰。

表5 左幅上游內側下弦管CFST超聲波檢測結果(28 d齡期)

注：各測區(qū)波形均正常、清晰。

圖5 實橋混凝土鋼管內中心混凝土軸向應變歷程

從圖5可看出：混凝土的變形曲線在前3 d呈上升趨勢，而后下降，從第5 d開始呈平緩，但一直保持正應變狀態(tài)，采用雙摻膨脹劑制作自密實無收縮混凝土是成功的。150 d齡期后，對部分聲速值低于4.5 km/s的部位進行鉆孔驗證，未發(fā)現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。灌水檢查也無滲漏現(xiàn)象。

6 結語

要提高CFST的密實性，減少和杜絕混凝土與鋼管間的脫空現(xiàn)象，可先采用真空輔助灌注技術將混凝土灌滿，其次，使用自密實無收縮混凝土，使其在鋼管中不產生收縮。事實證明，上述新技術和新材料的聯(lián)合應用可大幅提高CFST的質量及耐久性，同時提高拱肋的極限承載力，這亦是CFST拱橋邁向更大跨徑的保障和途徑。