常泰長江大橋沉井水下抗分散混凝土施工關鍵技術*

韓鵬鵬,仇正中,張 磊,吳啟和

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室,湖北 武漢 430040;3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430040;4.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

水下自密實混凝土屬于高性能混凝土,具有高流動性和均勻性,在沉井隔艙鋼結構內,無須振搗僅靠自重就能填充沉井隔艙內部[1]。Horszczaruk等[2]研究了粉煤灰摻量對混凝土性能影響,發現當粉煤灰含量>40%時,混凝土具有良好的工作性能。張藝清等[3]以硅粉作為絮凝材料、粉煤灰作為堿水材料進行合理配合比設計,制備出水下高流動性和水下抗分散高性能混凝土。翁龍[4]通過研究浪濺區和水變區混凝土腐蝕程度,發現在混凝土添加礦物以后會增加表面氯離子濃度。Yang等[5]開展了骨料粒徑對混凝土性能影響研究,發現混凝土最大骨料增大時,混凝土抗拉強度減小。王迎飛等[6]通過數理統計分析得出自密實混凝土水下較陸上離散稍有增加,可以適當放寬粗骨料粒徑。宋偉明等[7]總結蘇通大橋水下自密實混凝土配合比設計工藝,對同類施工具有指導和借鑒意義。汲生軍等[8]通過在普通混凝土中加入抗分散劑研究混凝土在水下的流動性能,可對施工水域無污染。通過摻入聚丙烯酰胺絮凝劑和硅粉,董蕓等[9]研究摻合料、水粉比、砂率等因素對混凝土抗壓強度和流動性影響,摻入硅粉可有效增強混凝土抗分散性能和抗壓強度。為保證冬季自密實混凝土流動性,李俊毅等[10]選擇無氯、低堿高效防凍劑保證混凝土工作性能。董東等[11]從控制混凝土流動性、混凝土凍結時間、水下無縫監控等方面進行全方位檢測,能確定在7d內達到抗壓強度100%。依托滬通長江大橋,翁智財等[12]通過間隙通過性試驗和灰色關聯度分析,為水下自密實混凝土制備提供了試驗和理論依據。在自密實混凝土設計方法和制備技術方面,劉運華等[13]評述了已有的工作進展,測試和分析混凝土流變性能及硬化后的微觀結構。李方賢等[14]采用常規方法對自密實混凝土進行檢測,發現膠凝材料在480～550kg/m3,混凝土流動性、抗離析性及氣孔結構較小。呂興軍等[15]對自密實混凝土配合比設計理念及國內外方法進行了總結,對砂石含量計算方法具有良好借鑒意義。

相對于廣泛使用傳統水下混凝土,在沉井隔艙狹小空間內,如何保證水下自密實混凝土不發生離析現象,對混凝土制備提出了更高要求,結合常泰長江大橋沉井隔艙內混凝土澆筑,研究砂率、膠凝材料量、粉煤灰摻量、增黏劑對自密實混凝土影響,提出水下抗分散混凝土最優配合比。結合抗分散混凝土封艙施工工藝,最終完成沉井隔艙內水下混凝土澆筑。

1 工程概況

常泰長江大橋主航道橋為雙層斜拉橋,其中主跨為1 176m。上層為高速公路,下層為鐵路和城際鐵路,主墩采用臺階式沉井基礎,沉井平面呈圓端形,底面尺寸95.0m×57.8m,沉井共有36個井孔和28個隔艙,其中沉井外部、內部隔艙厚度分別為2,1.4m,如圖1所示。首節沉井采用鋼殼結構拼裝而成,在注水著床后在隔艙內進行水下混凝土澆筑。

圖1 沉井結構布置(單位:cm)

2 重難點分析

常泰長江大橋沉井截面尺寸大,井壁混凝土澆筑順序應保持橫軸向和縱軸向對稱,底部必須以全斷面支撐防止沉井傾斜,對現場施工布置要求高。普通水下混凝土澆筑易發生水析現象,沉井隔艙內部結構復雜難以充填密實,需研制新型水下自密實抗分散混凝土。沉井基礎首節43m,水下混凝土澆筑落差大,澆筑時間長,現有水下混凝土難以保證工程質量。

3 水下自密實混凝土配合比設計

本次試驗采用常泰長江大橋水上攪拌船生產混凝土,其中碎石二級配粒徑為5～20mm,表觀密度為2 650kg/m3;采用細度模數為2.5的Ⅱ區中砂,水泥為江蘇省鶴林生產的普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為鎮江生產I級粉煤灰,拌合水來自泰州自來水廠,混凝土試驗基本配合比水膠比為0.38,膠凝材料為460kg/m3(水泥322kg/m3,粉煤灰138kg/m3),砂率為50%,粉煤灰摻量為30%,減水劑為4.6kg/m3。將混凝土所需水泥、砂、水等材料加入到混凝土拌合船中,攪拌完成后采用運輸車在江邊進行原位試驗。

在原有配合比基礎上,試驗設計水膠比(0.33,0.37,0.39,0.41,0.43)、膠凝材料用量(380,420,460,490,520kg/m3)、砂率(46%,48%,50%,52%,54%)、粉煤灰摻量(0,10%,20%,30%,40%)等因素對混凝土工作性能的影響,水下混凝土和易性試驗參考DL/T 5720—2015《水工自密實混凝土技術規程》[16]測試混凝土流動性與坍落擴展度,本次試驗通過混凝土在漏斗流出時間考察其流動性,混凝土脫模后進行鉆芯取樣,按DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》[17]測試混凝土抗壓強度,對其混凝土性能進行分析。

3.1 水下自密實混凝土工作性能分析

混凝土流動性是重要性能指標,膠凝材料用量越大,漏斗流出時間越短。當膠凝材料用量為380～440kg/m3時,混凝土漏斗流出時間下降較快,流出時間減小近30%,如圖2a所示。漏斗流出時間均隨著水膠比的增大逐漸減低,水膠比在0.34～0.38時,混凝土在漏斗內流出時間下降最快,如圖2b所示。漏斗流出時間均隨著增黏劑摻量的增加先減小而后有增大,當增黏劑摻量為2%時,混凝土漏斗流出時間最小,如圖2c所示。

漏斗流出時間隨著砂率的增大先減小而后略有增大趨勢,在一定范圍內砂率越大導致固體顆粒間的摩擦和碰撞減少,流動性能改善,但隨著砂率的繼續增大,漿體含量一定時包裹骨料的漿體層厚度變小,潤滑度下降,新拌混凝土的流動性反而會受到影響。當砂率達到52%時,V形漏斗流出時間最小,如圖2d所示。隨著粉煤灰摻量逐漸增大,混凝土中粉煤灰發揮了良好的富漿效應、微集料填充效應和滾珠潤滑形態效應,使混凝土擴展度得到較好改善。隨著粉煤灰摻量在10%～30%,貫入度出現微幅下降,混凝土穩定性有所增加,當粉煤灰摻量在30%時,混凝土具有較好的工作性能,如圖2e所示。

3.2 水下自密實混凝土抗壓性能分析

將澆筑混凝土切割成100mm×100mm×100mm立方體試塊,研究膠凝材料、砂率、水膠比等因素對混凝土抗壓強度的影響。

膠凝材料用量(380～520kg/m3)對混凝土力學性能的影響如圖3a所示。在相同膠凝材料用量情況下,混凝土7,28,56d強度出現先增加后減小趨勢,添加膠凝材料后,混凝土強度均可滿足水下C40混凝土設計強度等級要求。整體而言,膠凝材料用量對混凝土抗壓強度影響并不顯著,56d抗壓強度均保持在60MPa以上。

圖3 混凝土力學性能分析

水膠比(0.34～0.42)對混凝土力學性能的影響如圖3b所示。隨水膠比增加,不同齡期混凝土強度呈逐漸降低趨勢,水膠比越大,降低幅度越明顯,當水膠比在0.34～0.38時,混凝土強度的降低相對平緩,當水膠比>0.38時,混凝土強度降幅較顯著。水膠比為0.42的7,28,56d齡期混凝土試件抗壓強度相對于水膠比0.34的混凝土抗壓強度分別降低32%,23%,24%。水膠比在0.34～0.42時,混凝土長齡期強度均可滿足水下C40混凝土設計強度等級要求。

砂率(44%～54%)對混凝土力學性能的影響如圖3c所示,隨著砂率增加,不同齡期混凝土強度基本呈先增加后降低再略有增加趨勢,砂率變化對混凝土強度影響最大為12%,整體而言,砂率變化對混凝土強度的影響相對較小。砂率在0.44～0.54時,混凝土長齡期強度均可滿足C40混凝土設計強度等級要求。當砂率為0.48時,同一齡期混凝土的抗壓強度最大,這可能與該砂率下自充填混凝土骨料達到緊密堆積的狀態有關。

粉煤灰摻量(0～40%)對混凝土力學性能的影響如圖3d所示。隨著粉煤灰摻量增加,早齡期7d混凝土強度呈逐漸降低趨勢,粉煤灰摻量越高,7d強度越低;隨著粉煤灰摻量增加,混凝土28d和56d齡期強度基本呈逐漸增加趨勢。早期強度的降低可能與粉煤灰早期活性未發揮有關,隨著粉煤灰摻量增加,混凝土的早期強度降低;而28d和56d后期強度的提升與粉煤灰的二次火山灰效應作用有關。混凝土中增黏劑含量較低,對混凝土強度基本無影響。

3.3 最終配合比推薦

根據對上述試驗結果分析,可看出水膠比、膠凝材料用量和粉煤灰摻量是影響混凝土工作性能的主要因素,而砂率和增黏劑摻量對混凝土工作性能的影響相對較小。綜合考慮水膠比、膠凝材料用量、砂率、粉煤灰摻量和增黏劑摻量等因素對混凝土工作性能、穩定性、力學性能和耐久性能的影響,沉井隔艙內水下自密實混凝土最優配合比為:水泥312kg/m3,粉煤灰138kg/m3,增黏劑10kg/m3,砂860kg/m3,碎石860kg/m3,水175kg/m3,減水劑4.4kg/m3。

4 沉井隔艙內水下混凝土施工技術

4.1 施工整體布置

沉井隔艙內水下混凝土澆筑時,在沉井對角布置2艘混凝土攪拌船進行混凝土生產,同時布置2艘浮式起重機進行輔助起重作業,沉井頂部安裝4臺拖泵。混凝土攪拌船生產的混凝土通過自身的布料桿輸送至沉井上的拖泵,拖泵將混凝土泵送至料斗進行混凝土澆筑。混凝土生產過程中,在混凝土攪拌船左右進行砂石補料,水下混凝土澆筑布置如圖4所示。

圖4 沉井水下混凝土澆筑設備布置

4.2 沉井頂面布置

由攪拌船生產混凝土,通過攪拌船的布料桿供料至沉井頂面的拖泵,拖泵通過泵管泵送至沉井頂面的布料機進行混凝土澆筑,4臺HGY24/3布料機均安裝在沉井中隔墻的十字交叉位置附近,如圖5所示。根據混凝土澆筑順序,布料機需在施工過程中挪動1次,以覆蓋沉井頂面。

圖5 布料機布置

料斗分為3種類型:集料斗、承料斗、補料斗。集料斗用于第1次水下混凝土澆筑時,封口混凝土澆筑施工及后續混凝土供料,集料斗的容量不小于封口混凝土方量。承料斗用于封口混凝土澆筑,封口混凝土澆筑完成后將其拆除,利用補料斗進行補料。

4.3 施工澆筑順序

沉井共有28個隔艙,分為A～E 5種類型的標準隔艙,形狀主要為十字形、土字形、工字形3種。考慮井壁內部支撐結構基本為橫向布置,在水平方向對混凝土流動限制少,按隔艙各導管覆蓋5m的距離范圍(混凝土流動半徑≥4m),同時確保每個轉角內設置1套導管的原則,對各隔艙導管進行布置,每個隔艙最多布置7根導管。同時,各導管間布置測點,監測隔艙混凝土澆筑高度,沉井隔艙類型如圖6所示。

圖6 沉井隔艙類型

按施工安排,2艘攪拌船供料,最少需同時對稱澆筑2個艙,其中1艘拌合船按照1號→2號→3號→4號→5號→6號→7號→8號→9號→10號→11號→12號→13號→14號隔艙的順序澆筑,另外一艘拌合船按1′號→2′號→3′號→4′號→5′號→6′號→7′號→8′號→9′號→10′號→11′號→12′號→13′號→ 14′號隔艙的順序澆筑(見圖7)。同時,在澆筑過程中關注沉井姿態、應力和撓度等監測數據,并根據實際監測數據對澆筑順序進行調整。

5 結語

1)通過混凝土流動性試驗,研究水膠比、粉煤灰、砂率、增黏劑、膠凝材料用量對混凝土工作性能分析,當膠凝材料保持在420～460kg/m3,水膠比0.34～0.38,砂率為50%,粉煤灰摻量為30%,增黏劑摻量在2%時,自密實混凝土具有良好的流動性能;在同等條件下,只有水膠比對混凝土材料抗壓強度有顯著影響,當水膠比增加時,混凝土抗壓強度有所降低。

2)在沉井隔艙內澆筑普通水下混凝土前,首先用抗分散水下自密實混凝土進行首封,可避免混凝土產生離析現象。

3)沉井隔艙內水下混凝土澆筑方量大,需始終保持對稱澆筑,需合理平面布置才能避免沉井姿態傾斜。

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