趙 幫 軒

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459 )

隨著西部地區(qū)基礎設施建設不斷推進，大量的鐵路、公路工程在高海拔寒冷地區(qū)修建[1-2]。高海拔地區(qū)具有氣壓和氣溫低、晝夜溫差大、日照時間長、紫外線大等特點，這種高寒的環(huán)境條件對混凝土結構的各項性能和施工關鍵技術提出了更高的要求[3]，而高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁的配合比設計[4-5]、溫度控制、養(yǎng)護措施等研究明顯滯后于工程需求[6-7]。這也成為中國公路橋梁工程設計和施工中的一個重大技術問題。

基于工程實踐需要，一些學者和工程師對高海拔寒冷地區(qū)混凝土配合比進行了研究[8-9]。如陶友海[10]通過摻加少量粉煤灰，提高纖維素纖維混凝土在寒冷環(huán)境下養(yǎng)護期的強度增長率和孔隙結構穩(wěn)定性。王龍志等[11]使用復合型高效外加劑，控制冬季施工含氣量在4%～6%，并通過摻入10%的膨脹劑，緩解混凝土內(nèi)部的溫度應力。惠洪義等[12]添加高效減水劑、10%的粉煤灰和降低水膠比，來提高混凝土強度和抗凍耐久性。同時需要在混凝土箱梁施工過程中，通過施工技術控制，減少混凝土強度的損失。孫廣濱等[13]使用熱水預加熱混凝土原材料并控制運輸和澆筑時的溫度。向敏等[14]根據(jù)高強混凝土水化放熱規(guī)律，提出預制混凝土箱形梁生產(chǎn)過程中蒸汽養(yǎng)護的溫度控制參數(shù)，有效控制了降溫期出現(xiàn)的較大溫度梯度而產(chǎn)生的溫度拉應力。Li等[15]針對箱梁養(yǎng)護時內(nèi)部溫度過高和冷卻速度慢的問題，提出了鉆道循環(huán)水冷卻方法，減小了混凝土箱梁結構內(nèi)外的溫差。趙文斌等[16]通過對低溫、大溫差地區(qū)不同養(yǎng)護方法下混凝土試驗箱梁的溫度和各齡期強度的比較，證實了45℃恒溫蒸汽養(yǎng)護混凝土的抗壓強度高。

在高海拔寒冷地區(qū)，建筑材料、施工環(huán)境、養(yǎng)護條件等因素對混凝土箱梁結構的強度和耐久性有很大影響。為了滿足高海拔寒冷地區(qū)對混凝土結構的高要求，有必要對混凝土結構的關鍵施工技術進行系統(tǒng)研究?；诖耍疚囊許10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標段橋梁工程為依托，對高海拔寒冷地區(qū)混凝土配合比優(yōu)化設計、原材料入倉溫度、箱梁澆筑過程保溫及溫度控制、預制箱梁蒸汽養(yǎng)護措施等進行研究，形成一套高海拔寒冷地區(qū)預制箱梁施工技術，為更多的工程提供技術支持和參考。

1 工程概況

1.1 項目介紹

S10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標段橋梁工程，全長9.050 km，沿線共設置13座橋，其中主線大橋1座共186 m，中橋5座共222.8 m，小橋5座共102.5 m，匝道中橋2座共88.12 m。預制的混凝土箱梁結構長度為30 m和40 m，共804片。

1.2 自然條件

工程項目所在地區(qū)海拔在2 500 m～3 600 m之間，具有氣壓和氣溫低、日照時間長、晝夜溫差大等特點。冬季漫長、干燥、寒冷，最冷月份1月的平均溫度為-8.6℃，最低溫度為-27℃；全年盛行風向NE，年平均風速2.1 m/s，最大風速17 m/s。這種高海拔寒冷環(huán)境對混凝土結構的性能提出了更高的要求，為滿足工程環(huán)境要求，需要對箱梁的混凝土配合比進行優(yōu)化設計。同時，為了保證試驗結果的可信度，本文中的所有試驗均在施工現(xiàn)場進行。

2 高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁配合比確定

2.1 原材料選用

本工程箱梁采用C50混凝土，所用原材料就地取材，水泥采用永登祁連山P.II52.5硅酸鹽水泥，未出現(xiàn)受潮結塊現(xiàn)象，水泥的物理力學指標見表1；粗骨料取自當?shù)夭墒瘓?，選用質(zhì)地堅硬、表面粗糙的石灰?guī)r礫石，粒徑5 mm～20 mm，級配良好，含泥量0.6%，泥塊含量為0.2%；細骨料是當?shù)厣皬S的河砂，選取細度模數(shù)為2.98的中砂，其主要技術指標如表2所列；外加劑有2種，采用蘇博特公司生產(chǎn)的混凝土高效引氣劑和含少量緩凝成份的混凝土高效減水劑。

表1 水泥的基本物理力學性能

表2 細骨料主要技術指標

2.2 試驗配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》[17](JGJ55—2011)規(guī)定及原材料檢測結果，使用混凝土配合比質(zhì)量法，計算得到高海拔寒冷地區(qū)普通混凝土配合比，通過分別摻入減水劑和引氣劑、調(diào)整其他原材料用量，經(jīng)過反復調(diào)試，進一步確定了如表3所示的高海拔寒冷地區(qū)減水混凝土和引氣混凝土配合比，并制定基本性能試驗方案，用來確定箱梁混凝土配合比。

表3 高海拔寒冷地區(qū)混凝土試驗配合比

2.3 基本性能試驗

在制備混凝土試件時，使用儀器對3種高寒混凝土的坍落度和含氣量進行測定；試件成型后放入標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護，將立方體試樣每3塊分為1組，共計3組，分別對應標準養(yǎng)護齡期7 d、14 d和28 d，測試試件抗壓強度，取平均值；長方體試樣3塊為1組，測試試件標準養(yǎng)護28 d的抗折強度，試驗結果見表4。

表4 混凝土基本性能試驗結果

從試驗過程來看，摻加減水劑和引氣劑可以提高高寒混凝土的坍落度和含氣量。與高寒普通混凝土相比，摻入減水劑的高寒減水混凝土的坍落度和含氣量分別提高了100%和50%，摻入引氣劑的高寒引氣混凝土的坍落度和含氣量分別提高了75%和213%，使混凝土的和易性得到改善。從表4的試驗結果看，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d后，高寒普通混凝土、高寒減水混凝土和高寒引氣混凝土的立方體抗壓強度平均值分為43.9 MPa、47.6 MPa、42.4 MPa，與高寒普通混凝土相比，高寒減水混凝土的立方體抗壓強度增加了8.43%，而高寒引氣混凝土的立方體抗壓強度卻減小了3.42%，表明摻入減水劑的高寒減水混凝土早期強度增長較快。

從試驗結果看，在標準養(yǎng)護條件下，混凝土試塊養(yǎng)護28 d后，3種配合比高寒混凝土的抗壓和抗折強度均能達到設計強度值。高寒普通混凝土、高寒減水混凝土和高寒引氣混凝土的立方體抗壓強度平均值分為53.7 MPa、55.4 MPa、51.9 MPa，3種高寒混凝土的抗折強度平均值分別為8.66 MPa、10.44 MPa、8.18 MPa。與高寒普通混凝土相比，高寒減水混凝土的立方體抗壓強度和抗折強度分別增加了2.40%和20.55%，而高寒引氣混凝土的立方體抗壓強度和抗折強度分別降低了4.07%和5.54%。上述結果表明，在本次試驗中摻入減水劑可使混凝土強度增大，摻入引氣劑雖然可改善混凝土和易性，但一定程度會降低混凝土強度。根據(jù)施工場地的自然環(huán)境條件和混凝土基本力學性能試驗結果，本項目選取摻入減水劑的高寒減水混凝土配合比作為箱梁配合比。

3 混凝土澆筑溫度控制及箱梁制作工藝

3.1 混凝土澆筑溫度控制

在高海拔寒冷地區(qū)冬季施工時，外部環(huán)境溫度過低。混凝土拌合前，需對原材料進行預加熱處理，采取直接加熱水的方法，當無法達到攪拌溫度時，骨料應預熱，加熱后的原材料溫度不應大于60℃；確?；炷涟韬狭系某隽蠝囟瓤刂圃?0℃左右，以避免混凝土坍落度損失過大或混凝土進入模具的溫度過低；運輸過程中采取在混凝土罐車上加保溫隔熱層的措施，同時避免長時間靜停，確保入模混凝土溫度大于15℃；對箱梁模板進行預熱，控制混凝土入模后梁體上下溫差小于5℃。

3.2 混凝土箱梁的制作工藝

箱梁底模采用8 mm厚鋼板作為底板，與支座焊接。側模、內(nèi)模、端模采用定型鋼模板?？紤]到地理位置和環(huán)境的特殊性，側模采用彩鋼板封閉，內(nèi)模采用棉篷布包裹保溫。沿內(nèi)?？v梁、側模兩側和頂板對稱布置蒸汽管道和散熱器，采用高壓鍋爐蒸汽加熱養(yǎng)護。梁的鋼骨架采用定型鋼結構工作臺均勻安裝在模板外，并用吊具整體吊入模板內(nèi)，以保證鋼骨架在運輸過程中穩(wěn)定不變形。

混凝土拌合時，需對骨料與水進行加熱，運輸過程中要采取有效的保溫措施，澆筑采用10 t龍門吊配1.5 m3料斗，混凝土入模前不得發(fā)生離析。預制箱梁混凝土澆筑可采取連續(xù)澆筑，當澆筑至距另一端4 m～5 m時，反方向再由另一端開始澆筑，以此避免砂漿全部堆積在梁端預應力錨具位置影響張拉。考慮到高海拔寒冷地區(qū)特殊的氣候環(huán)境，有必要改善低溫引起的預應力損失。錨具、鋼絞線應放在供熱的庫房里，每天按時開始張拉，同一應力區(qū)的鋼絞線要在同一天完成張拉，盡量選在白天氣溫高的時間進行，保證張拉時環(huán)境溫度不低于-15℃?？椎缐簼{應在張拉后1 d內(nèi)完成，管道灌漿必須密實，水泥漿等級不低于M50。封端鋼模采用鋼管、木楔等材料支撐加固，確保在施工過程中不跑模，且便于拆卸。預制箱梁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 預制箱梁施工工藝流程圖

4 高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁養(yǎng)護技術

4.1 箱梁的蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)結構組成

高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁智能蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)主要由動力、控制、供汽管道、養(yǎng)護罩等系統(tǒng)組成。

(1) 動力系統(tǒng)使用型號為4 t/h的蒸汽鍋爐。根據(jù)蒸汽鍋爐罐體內(nèi)的壓力，使用水泵自動對鍋爐注水。

(2) 智能控制系統(tǒng)是計算機程序根據(jù)接收到的智能溫度儀數(shù)據(jù)，控制每個支水管上的電磁閥，實現(xiàn)智能控制蒸汽養(yǎng)護，減少梁體各部位的溫差。

(3) 箱梁蒸汽養(yǎng)護管道布置，主蒸汽管內(nèi)徑為150 mm，支蒸汽管內(nèi)徑為80 mm。制梁臺座里布置1根蒸汽管內(nèi)徑為50 mm，模型兩側、內(nèi)腔及頂板對稱布置8根蒸汽管道直徑為50 mm。

(4) 養(yǎng)護罩系統(tǒng)由養(yǎng)護基座和養(yǎng)護罩組成。

4.2 高海拔寒冷地區(qū)箱梁的蒸汽養(yǎng)護方案

在蒸汽養(yǎng)護初期，蒸汽鍋爐傳遞出高溫水蒸氣對混凝土箱梁進行供熱升溫，蒸汽在混凝土構件上凝結放熱，將蒸汽熱傳給混凝土。預制混凝土箱梁長度為30 m和40 m，在蒸養(yǎng)過程中，智能溫度計布置在箱梁內(nèi)箱和側模上，內(nèi)箱上的溫度儀器布置在跨中和梁端4 m處，側模上均勻布置4個溫度儀器，蒸汽養(yǎng)護升、降溫階段每隔0.5 h自動測溫一次，恒溫養(yǎng)護階段每1 h自動測溫一次。根據(jù)實測溫度的變化情況，采取調(diào)節(jié)蒸汽放入量來控制升降溫速度，進而保證蒸汽到達梁體各處的溫差較小，使混凝土內(nèi)部空隙較少產(chǎn)生。養(yǎng)護中的箱梁如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護中的混凝土箱梁

智能管理器根據(jù)預先設定的程序控制梁體混凝土靜停、升溫、恒溫、降溫四階段，并與智能溫度儀相結合，使蒸汽養(yǎng)護自動化，有效控制梁體裂紋產(chǎn)生及強度損失。當蒸汽均勻到達梁體各處時，由程序自動靜停，在靜停期間，智能溫度儀保證棚溫不低于5℃?；炷翝仓? h～6 h后，自動再次送入蒸汽，進入升溫階段。智能管理器通過控制小型散熱扇保證升溫速率不超過10℃/h，混凝土芯部溫度最高不得超過65℃。進入恒溫階段時，溫度不得超過45℃，并使蒸汽罩內(nèi)各部位的溫差不大于10℃，這有助于箱梁快速達到強度要求。降溫時保溫棚與智能溫度儀共同工作，必要時使用通風扇調(diào)節(jié)通風，降溫期的降溫速度根據(jù)預制混凝土箱梁的尺寸大小，選擇降溫速度不超過10℃/h，防止降溫速度過快，造成混凝土預制構件產(chǎn)生收縮裂縫和溫度拉應力裂縫；梁體溫度與外部環(huán)境相接近時，撤除養(yǎng)護罩，如圖3。

圖3 養(yǎng)護后的混凝土箱梁

5 混凝土箱梁強度現(xiàn)場測試

5.1 測試方案

隨機抽取20塊澆筑滿28 d的高寒減水混凝土箱梁，使用混凝土數(shù)顯回彈儀HD-225D對混凝土箱梁的強度進行驗證。在箱梁兩側各選取5個測區(qū)，測區(qū)應避開鋼筋密集區(qū)和預埋件，并在每個測區(qū)畫出4×4的網(wǎng)格測點，現(xiàn)場檢測如圖4。箱梁表面擦拭干凈后進行回彈測試，回彈儀和被測面垂直，同一點不可彈擊兩次，每一測區(qū)彈擊16次，將每一測區(qū)所測回彈值去掉3個最大值與3個最小值之后取平均值得到該測區(qū)的回彈值，取各測區(qū)回彈平均值作為該箱梁的回彈值。

圖4 混凝土箱梁回彈測試

5.2 測試結果對比分析

將箱梁回彈測試結果，根據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》[18](JGJ/T 23—2001)，查表得出混凝土箱梁的抗壓強度。按照每個箱梁為一組進行列表整理，如表5。

表5 混凝土箱梁回彈測試結果

從表5可見，本次試驗的高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁回彈值在44.7～50.9范圍，折算后的混凝土抗壓強度在52.0 MPa～60.0 MPa，平均強度為56.8 MPa，遠高于混凝土設計規(guī)范規(guī)定的C50混凝土強度標準值52.5 MPa。因此，本次測試的28 d后齡期混凝土箱梁的抗壓強度完全達到設計要求。

從S10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標段橋梁工程混凝土箱梁施工過程和測試結果來看，首先通過室內(nèi)試驗優(yōu)化了高寒減水混凝土配合比，在澆筑過程中進行溫度控制，并采用蒸汽養(yǎng)護措施進行養(yǎng)護以及其他施工措施，生成的混凝土箱梁能夠滿足高海拔寒冷環(huán)境條件下混凝土結構的強度和穩(wěn)定性要求。

6 結 論

(1) 對比不摻外加劑和摻入不同外加劑得到的3種高寒混凝土配合比，摻入減水劑或引氣劑均可改善混凝土的施工性能。從結果看，高寒減水混凝土后期的立方體抗壓強度和抗折強度高于高寒普通混凝土和高寒引氣混凝土，且高寒減水混凝土早期立方體抗壓強度值比高寒普通混凝土和高寒引氣混凝土分別大8.43%和12.26%。本工程根據(jù)試驗結果選用高寒減水混凝土作為施工配合比，有助于提高高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁的早期抗裂性、保證結構安全和可靠性。

(2) 混凝土攪拌前，對骨料和水進行加熱，將混凝土混合料的出料溫度控制在20℃左右，運輸過程中在混凝土罐車上包裹保溫隔熱層，降低熱量流失，避免混凝土坍落度損失過大或混凝土進入模內(nèi)溫度過低。

(3) 采用智能管理器和智能溫度儀協(xié)同工作，通過嚴格控制蒸養(yǎng)管道各處的溫度，使梁體內(nèi)部受熱均勻，有效減少了混凝土凝固時裂隙的產(chǎn)生，保證了箱梁梁體達到強度設計要求，并通過現(xiàn)場回彈測試得到驗證。