超大體積、高等級混凝土一次性澆筑技術研究

徐海江，魯學成，秦小鋒

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

超大體積、高等級混凝土一次性澆筑技術研究

徐海江，魯學成，秦小鋒

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

針對外砂河大橋主墩0#塊超大體積、高等級混凝土一次性澆筑的具體工程實踐，從鋼筋綁扎、模板固定、混凝土下料、振搗及溫控等方面進行研究探討，確保混凝土一次性澆筑成功。該成果在外砂河大橋主墩0#塊2 369m3C55混凝土一次澆筑中成功應用。

大體積；一次性；混凝土；澆筑

1　工程概況

外砂河大橋主橋為61 m+108 m+61 m三跨梁拱組合橋，采用“先梁后拱”工藝，其中主梁為雙向預應力結構，采用掛籃懸澆。主墩0#塊為C55混凝土，寬44.5 m、長13m、高6.5 m，混凝土總方量2 369 m3，其中中橫梁長4 m、高6.5 m、寬44.5 m，最大腹板寬10.596 m、高6.5 m、長13 m，具體尺寸如圖1和圖2所示。根據施工計劃，主墩0#塊在6～8月一次澆筑。

圖1　二分之一0#塊斷面圖（單位：cm）

圖2　二分之一0#塊斷面圖（單位：cm）

2　重難點分析

外砂河大橋主墩0#塊主要技術難點如下：

（1）0#塊高度較高，豎向鋼筋的剛度相對較小，不足以支撐頂板鋼筋及頂板上的人員、機具荷載，必須采取措施進行加固，保證鋼筋骨架的尺寸。

（2）模板高度大，混凝土側壓力大，而對拉螺桿長度長（最長達44.5 m）、剛度小，導致模板在混凝土側壓力作用下位移大。

（3）鋼筋及波紋管密集，混凝土下料、振搗困難。

（4）0#塊為高等級、大體積混凝土，而且在夏季澆筑，混凝土溫度控制是工程難點之一。

3　主要施工工藝及解決措施

針對外砂河大橋主墩0#塊超大體積、高等級混凝土一次性澆筑的具體工程實踐，從鋼筋綁扎、模板固定、混凝土下料、振搗及溫控等方面進行研究探討，確保混凝土一次性澆筑成功。

3.1鋼筋綁扎固定

加固方式采用∠75×5型鋼做勁性骨架，用于支撐頂板鋼筋。勁性骨架的設置與冷卻水管的定位骨架相結合考慮。如圖3所示，中橫梁處的勁性骨架高6.4 m，長44 m（在3.2 m設置一個走道，用于混凝土澆筑時振搗通道）。

3.2模板固定

將外側模下口與0#塊支架固定，確保模板下口在澆筑混凝土過程中不會發生位移，然后采用25的精軋螺紋鋼作為對拉螺桿，對拉螺桿的層間距1.3 m、橫向間距1 m，每根對拉螺桿受力為61.2 kN。為減少對拉螺桿在澆筑混凝土中的變形，必須對對拉螺桿進行預緊，理論預緊力為61.2 kN，則在澆筑混凝土過程中對拉螺桿不會被拉長，即外側模無位移產生。但是由于外側模之間無法設置內撐，對拉螺桿的預緊力必然會導致外側模產生向0#塊側的位移，所以無法提前預緊對拉螺桿。經過研究確定，在澆筑混凝土過程中同步預緊對拉螺桿，利用混凝土的側壓力平衡對拉螺桿的預緊力，采用扭力扳手確定預緊力，同時在對拉螺桿預緊過程中采用全站儀同步檢測外側模的位移情況，避免對拉螺桿的預緊力過大而導致模板向內傾斜。外側模的加固如圖4所示。

圖3　中橫梁處勁性骨架結構示意（單位：m）

圖4　外側模加固示意（單位：m）

3.3混凝土下料、振搗

3.3.1混凝土下料

0#塊頂板鋼筋密集，混凝土輸送泵管無法直接穿過頂板鋼筋進行布料，但是由于0#塊高度為6.5 m，如果直接在頂板上布料，混凝土的自由下落高度大于2 m[1]，必然會導致混凝土離析，為此在0#塊頂板位置設置下料孔，下料孔的間距為4.2 m，下料孔直徑為400 mm，便于混凝土輸送泵管直接通過下料孔進入0#塊內部進行布料。下料孔處切斷的鋼筋在混凝土澆筑高度達到4.5 m后逐步進行恢復。下料孔的平面布置如圖5所示。

圖5　下料口布置示意（單位：m）

3.3.2混凝土振搗

混凝土的振搗主要存在兩方面的難題：一是鋼筋密集，而且0#塊的高度為6.5 m，混凝土工站在頂板上振搗無法保證混凝土的振搗質量；二是腹板是傾斜的，腹板根部振搗棒無法振搗到位。為此主要通過以下措施解決：

（1）設置振搗通道，混凝土工進入0#塊內部進行振搗。振搗通道的設置與鋼筋的勁性骨架相結合考慮（見圖3、圖6），同時避讓外側模的對拉螺桿。振搗通道使用完成后恢復結構鋼筋。

圖6　振搗通道及引導管設置示意

（2）設置引導管，振搗棒順著引導管進行振搗，確保斜腹板根部的振搗質量。引導管采用56×2 mm的鋼管制作，內徑大于振搗棒的外徑，在澆筑混凝土過程中同步拔出（見圖6）。

3.4混凝土溫控

溫度控制的方法和制度需根據氣溫、混凝土配合比、結構尺寸、約束情況等具體條件確定。根據本工程的實際情況，結合數值分析的結果，對0#塊制定如下溫控標準[2]：

（1）澆筑溫度不超過28℃。

（2）內部最高溫度不超過70℃。

（3）混凝土最大內表溫差不超過25℃。

（4）通水冷卻過程中，冷卻水管入水口水溫與出水口水溫之差不超過15℃。

（5）溫峰過后混凝土緩慢降溫，通過保溫控制混凝土最大降溫速率不超過2.0℃/d，降溫初期容許降溫速率不超過3.0℃/d。

為滿足以上指標要求，從以下四個方面進行研究：

（1）優化混凝土配合比，減少水化熱產生，降低絕熱溫升。

（2）混凝土預冷，降低混凝土的入模溫度。

（3）混凝土內部埋設冷卻水管，降低混凝土內部溫度。

（4）外部保溫保濕，降低內外溫差[3]。

3.4.1優化混凝土配合比，降低混凝土水化熱的產生

（1）采用低水化熱的膠凝材料體系。為了降低混凝土的水化熱同時又能提高混凝土的密實性，采用粉煤灰和礦粉復摻技術，降低水泥的用量以達到降低水化熱的目的。

（2）選用優質聚羧酸類高性能緩凝減水劑。高性能聚羧酸緩凝減水劑兼顧減水、引氣和緩凝效果，可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性，降低混凝土水灰比以達到減少水化熱的目的。同時高性能聚羧酸緩凝減水劑具備引氣作用，可改善混凝土和易性、均質性，提高混凝土變形性能和抗開裂性能。

（3）選用級配良好、低熱膨脹系數、低吸水率的粗骨料。以滿足0#塊C55混凝土強度、施工性能及抗裂性能為準則，通過對比不同膠凝材料用量、不同礦物摻合料比例、不同砂率條件下混凝土的坍落度、擴展度、坍落度損失、容重、凝結時間、水化熱溫升、抗壓強度等性能指標，并結合外加劑相應配方的調整，混凝土配合比見表1。

表1　外砂河大橋混凝土配合比　kg/m3

3.4.2混凝土預冷，降低入模溫度［4］

相同混凝土，入模溫度高的溫升值要比入模溫度低的大許多，所以在混凝土拌和過程中，嚴格控制混凝土原材料溫度（見表2），具體控制措施主要包括：

（1）水泥：通過中間儲存轉運倉，盡量延長水泥降溫時間，禁止剛出廠水泥直接入攪拌站。

（2）砂、碎石：提前1 d采用土工布進行覆蓋，防止太陽直射，并灑水降溫，灑水以保證土工布濕潤為準。

（3）拌和水：水本身就是混凝土組成部分，其冷量可以全額利用。外砂河大橋采用往蓄水池投放冰塊的方式降低拌和水溫度，現場測量拌和水溫度為9℃左右，能夠起到較好的降溫作用。

（4）碎冰拌和：以冰代水，利用片冰相變，可以提高大量的融解潛熱，外砂河大橋采用在當地冰站就近采購成品片冰，使用碎冰機進行破碎后，通過帶式輸送機加到拌和機中，每立方米混凝土加冰20 kg。目前項目采用碎冰粒徑小于2 cm，在拌和120 s后碎冰完全融化成水，通過對比試驗確定加碎冰對混凝土的強度、工作性能等沒有影響，每立方米混凝土加20 kg碎冰，混凝土的出機溫度可降低2℃。

（5）在罐車中加液氮冷卻：外砂河大橋采用在罐車中加液氮降溫[5]。液氮冷卻具體操作過程如下：將液氮通過輸送管道到達混凝土攪拌車入口，液氮和罐車中混凝土直接接觸，通過罐車不停攪拌混凝土達到充分降低混凝土溫度的目的；液氮冷卻的壓力維持在0.4～0.6 MPa，加氮量52.3 kg/m3，混凝土溫度降低4～5℃。

表2　原材料降溫效果分析

通過上述降溫措施可降低混凝土出機溫度8～10℃，混凝土的出機溫度可控制在26～28℃，滿足入模要求。

3.4.3混凝土冷卻水管，通冷卻水降低內部溫度

在確保水管不漏水的前提下，采用江（海）水直接冷卻。覆蓋水管即開始不間斷通水，提高冷卻效果，有效壓制溫峰。0#塊中部和兩端混凝土厚度大于1.2 m區域，冷卻水管間距加密至50～60 cm。現場20套水管，按照0.6 m/s水流速度控制，供水能力要達到80 m3/h。進水溫度26～33℃，出水溫度30～37℃，進出水溫差在4℃左右。

3.4.4倉面噴霧、模板包裹，混凝土外部進行保溫保濕，降低內外溫差

采用了倉面噴霧系統，在倉面上均勻布置噴頭以及連接水管。將淡水霧化后噴灑到倉面，能有效地提高倉面濕度，降低頂面模板以及鋼筋的溫度，改善工人的施工環境。同時倉面噴霧系統還能提高混凝土養護的濕度，提高混凝土的養護質量。側面及端頭采用土工布包裹，避免陽光直射模板，保持模板溫度恒定，避免出現較大的溫度波動，同時延長拆模時間。

4　實施效果

外砂河大橋36#主墩、37#主墩0#塊澆筑分別用時52 h、48 h，成型后的0#塊質量優良，無缺陷，超大體積0#塊一次澆筑工藝成功。大體積混凝土溫度監控結果如下：

4.1有限元分析結果

（1）建立數值模型。為了準確地對0#塊的水化熱過程做出模擬，采用有限單元法建立完整的0#塊模型進行分析，有限元模型如圖7所示。模型中節點總數6 360個，單元總數26 399個。在數值模型中，根據施工實際情況混凝土一次澆筑成型。

圖7　0#塊有限元模型及混凝土澆筑14 h后的溫度

（2）溫度場分析。由圖7可知，0#塊混凝土溫度最大值出現在澆筑后14 h，最高溫度為69.82℃。

4.2現場實施效果

（1）溫度監測結果。由圖8可知，混凝土內部最高溫度控制在70℃以內。

圖8　中腹板中層溫度

（2）實體結構監測結果。混凝土強度滿足要求，結構無裂縫產生。

5　結　語

針對外砂河大橋主墩0#塊超大體積、高等級混凝土一次澆筑的具體工程實踐，從鋼筋綁扎、模板固定、混凝土下料、振搗及溫控等方面進行研究探討，確保混凝土一次澆筑成功。主要經驗與不足如下：

（1）混凝土一次澆筑成型，無施工縫產生，結構的整體性更好，保證混凝土耐久性，確保橋梁的使用壽命。

（2）超大型混凝土結構，結構鋼筋的鋼筋剛度相對較小，通過勁性骨架的設置，減少了鋼筋在自重條件下的變形，確保了鋼筋的結構尺寸。

（3）采用在澆筑混凝土過程中同步預緊對拉螺桿的工藝，有效解決了超長對拉螺桿變形過大的難題。

（4）通過下料孔、振搗通道和引導管的設置，成功解決超大體積橋梁混凝土振搗難題，保證了施工質量。

（5）綜合運用液氮、碎冰拌和、冷卻水循環、溫度監控等大體積混凝土溫度控制技術，實現超大體積高標號混凝土一次性澆筑，在國內同類工程一次性澆筑體積最大。該項技術有效降低了主墩0#塊混凝土入模溫度，合理控制0#塊混凝土澆筑、養護過程中的溫度場，混凝土外觀良好，被業主評定為樣板工程。

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTS 202-1—2010，水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程[S].

[3]臧駿，袁竹，秦小鋒.超大體積高等級混凝土控裂技術研究[J].市政技術，2015，33（5）：42-45.

[4]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999．

[5]張明雷，李進輝，劉可心.大體積混凝土現場溫控措施比較分析[J].施工技術，2013，42（S1）：168-171．

U445

B

1009-7716（2016）04-0119-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.037

2015-12-22

徐海江（1979-），男，江西豐城人，工程師，學士，從事道路橋梁工程施工技術管理工作。