高、長泵程高強度箱梁混凝土配制及施工控制

吳志華，葉順漢

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建建工集團有限責(zé)任公司，福建 福州 350001）

0 引言

近年來，隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁工程的設(shè)計、施工水平不斷提高，大跨度、長距離、高墩臺的橋梁屢屢出現(xiàn)，混凝土泵送施工技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用越來越多。其中高泵程混凝土施工技術(shù)在高塔、高墩身中的應(yīng)用及研究較多，但在施工環(huán)境及條件較差的高墩、長距離、大跨徑的懸澆剛構(gòu)箱梁高強度混凝土中的應(yīng)用及研究相對較少。因此，本文以龍巖石崆山Ⅱ號右線高架橋懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土施工為例，詳細介紹高、長泵程高強度懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土的配制、施工設(shè)備選擇以及施工過程控制等，以期為類似的大跨度、長距離、高墩臺的橋梁懸澆剛構(gòu)箱梁混凝土施工提供一些參考。

1 工程概況

龍巖石崆山Ⅱ號右線高架橋為特大型橋梁，起止樁號為K65+911.00～K66+660.00，橋長749m，橋?qū)?3.75m。該橋下部結(jié)構(gòu)為群樁基礎(chǔ)，空心墩（最大墩高約80.3m），上部結(jié)構(gòu)為65+115+155×3+65m七孔一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)組合體系，箱梁頂寬13.75m，底寬6.75m，箱高8.5～3.0m，按拋物線變化，塊件最大重量為167t，縱、豎雙向預(yù)應(yīng)力（零號塊加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋）。該橋處于R=762.15m的園曲線及相應(yīng)緩和曲線上，縱坡4%，橫坡2%~3%，橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置圖

該橋是一座集大跨徑、高橋墩、長橋、大縱坡、曲線為一體，具有典型的山嶺區(qū)特征的橋梁。工程地處深山峽谷，地勢險峻、場地狹窄、施工環(huán)境極為惡劣。橋梁上部連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土設(shè)計標號為C55，數(shù)量約10240m3，全橋箱梁共有6個T構(gòu)，173個懸澆節(jié)段（不包括0號塊、合攏段和邊跨直線段），均在高空中，采用12套掛籃逐段懸臂澆筑。懸澆箱梁混凝土施工時，因場地限制，在II號橋兩端地面各設(shè)置一座混凝土拌和站，采用泵送，最高泵送高度約90m，水平泵送距離400m以上，最長換算水平距離約891m，為高、長泵程高強度混凝土施工。本工程工期緊、難度大，如何確保箱梁混凝土施工的順利進行是關(guān)鍵。保證高、長泵程高強度混凝土施工的順利進行，重點要解決以下三方面問題:（1）箱梁高強度泵送混凝土配合比設(shè)計；（2）混凝土泵送施工機械設(shè)備的選擇；（3）混凝土施工過程的控制。

2 泵送高強度混凝土的特性

泵送混凝土具有輸送混凝土能力大、速度快、縮短工期、降低費用及能連續(xù)作業(yè)的特點，尤其對于高塔、高墩、高空梁體混凝土的施工，更能顯示出其優(yōu)越性。但隨著泵送高程、距離的增加，對混凝土原材料的選擇、配合比的設(shè)計、摻合料的合理使用、混凝土的可泵性（流動性與穩(wěn)定性）以及施工過程控制等均有著特殊的要求，對泵送機具的配備、輸送管布設(shè)、施工過程控制等，也有嚴格的技術(shù)要求。［1］

高性能混凝土強度等級越高，其粘度越大，流動性越差，泵送時需要很大的壓力來克服管道摩擦阻力，可泵性差。所以，高性能混凝土的配合比和骨料級配需要特別控制。［2］

3 箱梁泵送高強度混凝土配合比設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

（1）高強度混凝土應(yīng)遵循低水灰比、低砂率、高骨膠比的原則。

（2）配制高強度混凝土宜選擇高強度水泥，最大水泥用量不宜超過500kg/m3，以免水泥用量高，造成混凝土拌和物過于粘稠，加大泵送阻力。水灰比宜在0.24～0.38之間。

（3）細骨料宜采用級配良好的中砂，細度模數(shù)不小于2.6。

（4）粗骨料應(yīng)使用堅硬、級配良好的碎石，粒徑不宜超過輸送管徑的1/3。［3］

（5）混凝土拌和物坍落度宜為80～180mm。

（6）使用高效減水劑，摻量宜為膠結(jié)料的0.5%～1.8%。為滿足泵送和施工需要，減水劑應(yīng)有緩凝性能。［4］

3.2 設(shè)計要求

（1）為滿足預(yù)應(yīng)力張拉工期需要，箱梁C55混凝土7d強度應(yīng)達到設(shè)計強度的100%。

（2）坍落度:由于箱梁入模坍落度應(yīng)在70～90mm以上，20～30℃氣溫下坍落度經(jīng)時損失約25～35mm，根據(jù)墩身泵送混凝土的施工經(jīng)驗，泵送300m水平距離，由于壓力泌水原因，坍落度損失約20mm，故設(shè)計箱梁混凝土坍落度為115～160mm。

3.3 原材料選用

（1）水泥:選用海螺牌P.O.52.5*R普通硅酸鹽水泥。

（2）粗骨料:采用花崗巖碎石，粒徑5～31.5mm連續(xù)級配，壓碎值≤6.6%，針片狀≤9.8%。

（3）細骨料:采用金山砂場中砂，細度模數(shù)約為2.93。

（4）外加劑:選用山西萬榮ZG-N1緩凝高效減水劑，減水率約20%，凝結(jié)時間差+300分鐘，抗壓強度比7d≥125%。［5］

3.4 混凝土基準配合比計算

（1）試配箱梁混凝土強度

（2）確定水灰比

未摻外加劑時，Rp=0.48Rc（C/W-0.52），Rc=70.6Mpa，W/C=0.41，減水劑減水率為20%；摻外加劑后，W/C=0.41÷1.2=0.34，不考慮水泥節(jié)約量。

（3）確定單位用水量和水泥用量

單位用水量Wo=1/3（T+Kc），坍落度T=160mm，減水率20%，取Wo為165L/m3；單位水泥量C=485kg/m3。

（4）確定砂、石用量

確定砂率Sp=40%，采用假定容重法，取混凝土容重為2400kg/m3，計算得砂用量S=700kg/m3，碎石用量G=1050kg/m3。

（5）減水劑用量，根據(jù)經(jīng)驗取1.1%摻量，計算得N1=5.34kg/m3。

（6）綜合以上計算結(jié)果，得出箱梁C55混凝土基準配合比

W:C:S:G:N1=0.34:1:1.44:2.16:0.011=165:485:700:1050:5.34 kg/m3。箱梁C55混凝土試配結(jié)果詳見表1。

表1 混凝土配合比表

3.5 混凝土配合比試配調(diào)整與確定

按混凝土基準配合比的W/C分別增加與減少0.03，S分別增加與減少1%，固定單位用水量，定出1#和2#兩份配合比，試拌并制作2組混凝土試件，以得出R-W/C關(guān)系曲線，見表1和圖2。

圖2 R-W/C關(guān)系曲線

根據(jù)R-W/C關(guān)系曲線，確定箱梁混凝土施工配合比，如表2所示。按照表2中混凝土施工配合比試配箱梁混凝土試件，檢測得出混凝土性能，如表3所示。

表2 箱梁混凝土施工配合比表

表3 試配混凝土性能

由表3可知，該施工配合比混凝土性能達到了設(shè)計要求。在N2墩0#塊箱梁的混凝土施工試運行中，換算一次水平泵送距離460m，箱梁混凝土入泵坍落度150mm，入模坍落度125mm，和易性良好，可滿足施工要求。

4 泵送施工機械設(shè)備的選擇

高強度混凝土在泵送的過程中，自身極易出現(xiàn)變形，同時由于相關(guān)剪切值較小，使得屈服值遠超過剪切強度。要想達到較好的泵送效果，在忽略高強度混凝土自身性能的基礎(chǔ)上，還需要合理地使用輸送泵機、泵管，并做好施工方案制訂與管道鋪設(shè)工作。［6］

4.1 泵管布設(shè)

4.1.1混凝土輸送管的選配要求

（1）混凝土輸送管應(yīng)根據(jù)工程特點、施工場地條件、混凝土澆筑方案等進行合理選型和布置。［7-8］

（2）混凝土輸送管規(guī)格應(yīng)根據(jù)粗骨料最大粒徑、混凝土輸出量和輸送距離以及拌合物性能等進行選擇，并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差：GB/T 17395》的有關(guān)規(guī)定。

（3）混凝土輸送管強度應(yīng)滿足泵送要求，不得有龜裂、孔洞、凹凸損傷和彎折等缺陷。應(yīng)根據(jù)最大泵送壓力計算出最小壁厚值。［7］

（4）管接頭應(yīng)具有足夠強度，并能快速裝拆，其密封結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴密可靠。

（5）在超高泵送的泵管布置中，應(yīng)盡可能減少彎管以及軟管的使用。彎管需采用90°大彎，可最大限度降低泵管內(nèi)部混凝土的摩擦阻力。［9］

4.1.2 輸送管選擇

根據(jù)混凝土輸送管選配要求及本工程箱梁混凝土施工現(xiàn)場實際情況，決定輸送管采用φ125mm泵管，壁厚9mm的耐磨超高壓管道。根據(jù)施工地形，各墩懸澆箱梁高程、跨度，按管線盡可能短，少用彎管、軟管的原則布設(shè)泵管。

根據(jù)施工組織安排，石崆山高架橋起點端混凝土拌和站負責(zé)供應(yīng)N1、N2、N3墩頂?shù)南淞夯炷?，混凝土輸送管自橋起點端的混凝土拌和站開始布設(shè)至N1、N2、N3墩頂?shù)南淞海唤K點端混凝土拌和站負責(zé)供應(yīng)N4、N5、N6墩頂?shù)南淞夯炷?，混凝土輸送管自橋終點端的混凝土拌和站開始布設(shè)至N4、N5、N6墩頂?shù)南淞焊鞫障淞?。泵管豎向沿各個空心墩墩身向上布設(shè)（圖3），然后再順著箱梁各個懸澆節(jié)段水平延伸。

圖3 Ω形卡固定泵管

因混凝土輸送管為Φ125mm，向上垂直管每1m按水平長度4m換算，經(jīng)計算得出各墩箱梁最長布管距離（其中垂直管、各角度彎管、軟管已換算成水平管長），如表4所示。

表4 各墩箱梁最長布管距離

4.2 混凝土輸送泵選擇

混凝土輸送泵是泵送混凝土施工的核心設(shè)備，根據(jù)該橋懸澆箱梁混凝土施工特點、混凝土輸送距離（表4）、最大輸出量、混凝土澆注施工計劃以及各種型號輸送泵的性能，確定輸送泵選擇常用的兩種型號：HBT90C型和HBT60A型混凝土拖泵。HBT90C型輸送泵最大輸出壓力壓力16MPa，最遠水平泵送距離600m；HBT60A型輸送泵額定壓力30MPa，最大輸出壓力10.5MPa，最遠水平泵送距離400m。

根據(jù)表4中的布管距離及測算的泵送過程壓力損失，當(dāng)換算水平輸送距離小于600m時，采用一臺HBT90C型輸送泵可滿足施工要求；當(dāng)換算水平輸送距離大于等于600m時應(yīng)用HBT90C型泵和HBT60A型泵各一臺聯(lián)機泵送，HBT60A型泵放在靠近墩的地點。全橋共配備3臺HBT90C型泵和2臺HBT60A型泵。

5 箱梁泵送混凝土施工過程控制

5.1 原材料質(zhì)量控制

（1）砂石料、水泥、外加劑等材料由試驗人員按規(guī)定頻率進行抽檢，各級質(zhì)檢人員巡檢，保證混凝土骨料合格，水泥、外加劑質(zhì)量穩(wěn)定。在施工過程中，重點控制砂石料質(zhì)量。

（2）砂的細度模數(shù)應(yīng)控制在2.6～3.0之間，級配應(yīng)在Ⅱ區(qū)中砂范圍。I區(qū)粗砂由于其拌和物內(nèi)摩擦力大，易產(chǎn)生泌水，坍落度損失過大，易堵管。Ш區(qū)細砂拌和物粘性大，流動性差，也易堵管。

（3）碎石質(zhì)量現(xiàn)場控制主要在兩個方面：碎石級配和針片狀含量。碎石級配不好，粒徑過大，空隙率偏大，會使混凝土拌和物離散性增加，和易性變差，容易堵管，也會使混凝土缺陷增多，影響強度。針片狀含量增加，使碎石比表面積增大，增加需水量，使混凝土坍落度降低，且由于粒形差，骨料顆粒間摩擦力增大，降低了混凝土的流動性，勻質(zhì)性，容易堵管并且影響強度。

通過箱梁混凝土施工過程的測試，總結(jié)出碎石針片狀含量與坍落度損失及由此引起的堵管概率存在以下關(guān)系，見表5。

表5 碎石針片狀含量、坍落度損失及堵管概率關(guān)系

因此碎石級配應(yīng)控制在5～31.5mm連續(xù)級配區(qū)間內(nèi)，針片狀含量應(yīng)在10%以內(nèi)，含量在10%～15%時宜用在泵程近的墩上，大于15%不能使用。針片狀含量大于10%時混凝土強度平均值R=60.6MPa比總平均值R=61MPa略有降低。為控制好碎石質(zhì)量，級配不好的碎石應(yīng)重新回破過篩；堆料場堆料不均勻應(yīng)進行翻動，避免粗細顆粒過分集中。碎石應(yīng)嚴格控制分粒級，搭配使用。

5.2 箱梁混凝土拌和、輸送、澆筑的控制

（1）混凝土拌和站、輸送泵等機械設(shè)備應(yīng)專人操作，持證上崗，嚴格按操作規(guī)程執(zhí)行。機械設(shè)備應(yīng)實行“三保”，施工前應(yīng)試運行，保證良好并能連續(xù)工作。

（2）混凝土攪拌應(yīng)嚴格按規(guī)范要求進行，應(yīng)特別注意加水量的控制，應(yīng)按試驗室測定的砂石料含水率確定實際加水量并以入泵坍落度復(fù)核，確保按規(guī)定水灰比攪拌，攪拌時間必須足夠，保證混凝土均勻，和易性好。

（3）混凝土輸送泵宜在最大輸送壓力的80%以下進行，壓力過大，應(yīng)反泵點動，檢查泵管，否則當(dāng)壓力大于20MPa時極易堵管。開始泵送時，混凝土泵應(yīng)處于勻速緩慢運行并隨時可反泵的狀態(tài)。泵送速度應(yīng)先慢后快，逐步加速。同時，應(yīng)觀察混凝土泵的壓力和各系統(tǒng)的工作情況，待各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后，方可以正常速度進行泵送。［10-11］當(dāng)作業(yè)有間歇時，應(yīng)使泵經(jīng)常轉(zhuǎn)動，以防堵管，泵送時，應(yīng)使料斗保持有2/3的混凝土，以防管路吸入空氣，發(fā)生氣堵。

（4）在實際操作中，經(jīng)常由于混凝土泵管清理不干凈或混入雜物導(dǎo)致堵管，因此施工前應(yīng)特別注意泵管檢查、清理和保養(yǎng)，施工中應(yīng)由專人護管，接頭應(yīng)嚴密，混凝土施工前泵送清水檢查，確認混凝土泵和輸送管中無異物后，用水泥砂漿潤滑混凝土泵和輸送管內(nèi)璧。［7］潤滑用漿料泵出后應(yīng)妥善回收，不得作為結(jié)構(gòu)混凝土使用。

（5）對箱梁混凝土懸臂澆筑全過程進行施工監(jiān)控，重點注意對稱、平衡、分層進行，并隨時檢查掛籃、模板及預(yù)應(yīng)力管道等的偏差不超過規(guī)定值，箱梁的線形和標高控制在允許誤差范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

在石崆山右線Ⅱ號高架橋箱梁泵送混凝土整個施工過程中，共進行了115次混凝土澆筑施工，C55混凝土28天取樣218組，試件混凝土強度總平均值R=61MPa，最大批標準差2.4MPa，小于0.06R，最短達到預(yù)應(yīng)力張拉控制強度85%R，時間為3.5天。全橋懸澆箱梁混凝土泵送施工過程順利，無質(zhì)量、安全事故發(fā)生。

實踐證明，該工程施工所采用的箱梁混凝土配合比性能良好，施工過程混凝土質(zhì)量、橋梁線形及標高控制較好，有效保障了工程施工質(zhì)量、安全及工期，取得良好的經(jīng)濟和社會效益，值得在今后類似工程中應(yīng)用。