大型后張預(yù)應(yīng)力高性能混凝土箱梁在礦石碼頭中的應(yīng)用控制

馬玉臣

（河北省水運(yùn)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，天津 300132）

1 工程概況

曹妃甸新建礦石碼頭二期工程位于曹妃甸甸頭深槽處，工程建設(shè)規(guī)模為兩個(gè)25萬噸級(jí)深水泊位。碼頭結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為766.8 m，總寬均為31 m，主體為高樁墩式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)墩臺(tái)平面尺寸為31m×26 m，高度6.4 m（不含磨耗層），墩臺(tái)之間由大型后張預(yù)應(yīng)力梁連接，其中前后沿軌道處各布置1榀箱形梁，單榀梁混凝土方量近172 m3，重約434 t，其間為10榀T型梁，單榀梁混凝土方量近32 m3，重量為85～93 t。本工程共使用后張預(yù)應(yīng)力箱型軌道梁32榀，T型梁160榀。所有梁均在固定預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，水運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)使用大型起重船安裝。碼頭墩臺(tái)斷面圖、箱型軌道梁立面圖和斷面圖分別見圖1、圖2和圖3。

2 工程特性分析[1]

1） 使用過程中結(jié)構(gòu)承受荷載大，箱梁上安裝自重近2 500 t卸船機(jī)，運(yùn)行動(dòng)荷載大，對(duì)箱梁的質(zhì)量要求高。

2）工程位于北方外海海域，潮氣大，使用期間受氯離子侵蝕影響，對(duì)耐久性要求較高。

3）單榀梁混凝土澆筑方量大，且施工期為高溫季節(jié)，混凝土抗裂性要求高。

4）箱梁屬于內(nèi)空腔薄壁結(jié)構(gòu)，鋼筋數(shù)量多，結(jié)構(gòu)緊密，并設(shè)有波紋管及各種預(yù)埋件等，給混凝土澆筑、振搗等工藝均帶來較大的難度，質(zhì)量控制難度大。

5）因箱梁為大跨度結(jié)構(gòu)，使用中存在彈性變形在所難免，軌道對(duì)箱梁的適應(yīng)性能有待于實(shí)踐檢驗(yàn)。

3 混凝土原材料控制

3.1 水泥

因C3A含量較高的水泥需水量大，水化熱高，與外加劑適應(yīng)性差，收縮也會(huì)增大，為控制水化熱和改善混凝土的體積穩(wěn)定性和抗裂性能，選用天津駱駝牌P.O42.5水泥，其檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 1號(hào)箱梁立面圖

圖3 1號(hào)箱梁斷面圖

表1 水泥物理化學(xué)分析

3.2 礦物摻合料

配置高性能混凝土應(yīng)摻加穩(wěn)定均勻的優(yōu)質(zhì)摻合料，研究表明，使用兩種或兩種以上的摻合料復(fù)合而成的礦物摻合料，其效果通常能明顯優(yōu)于單一礦物摻合料。本工程采用磨細(xì)礦渣粉和硅灰組成復(fù)合摻合料，充分發(fā)揮不同摻合料的作用，達(dá)到疊加效應(yīng)，滿足水化熱低、抗氯離子滲透和強(qiáng)度的要求。磨細(xì)礦渣粉和硅灰的檢驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表2 磨細(xì)礦渣粉物理化學(xué)分析

表3 硅灰物理化學(xué)分析

3.3 細(xì)骨料

砂子使用級(jí)配良好、細(xì)度模數(shù)在2.6~3.0的山東萊州河砂。檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

3.4 粗骨料

碎石選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好、針片狀及壓碎指標(biāo)小的石灰石，粒徑為5~25 mm連續(xù)粒級(jí)，產(chǎn)地為天津薊縣。同時(shí)為進(jìn)一步保證混凝土質(zhì)量，采取洗石工藝，最大程度地減少石料的石粉等雜質(zhì)含量。檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 砂子檢驗(yàn)結(jié)果

表5 碎石檢驗(yàn)結(jié)果

3.5 外加劑

由于梁體有F300的抗凍要求，在混凝土中需要摻入引氣劑。由于在北方港口抗凍混凝土的配合比設(shè)計(jì)中尚無混合使用第三代聚羧酸型高效減水劑與引氣劑的混凝土抗凍指標(biāo)達(dá)到F300的經(jīng)驗(yàn)，故選用了經(jīng)多年使用產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勻質(zhì)性能良好的天津雍陽(yáng)產(chǎn)UNF-5液體高效減水劑[8]，引氣劑采用天津砼久建材有限公司生產(chǎn)的AE型混凝土引氣劑。檢驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。

表6 減水劑檢驗(yàn)結(jié)果

表7 引氣劑（松香熱聚物）檢驗(yàn)結(jié)果

3.6 混凝土拌和用水

混凝土拌和使用自來水，經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

4 高性能混凝土配比

各次試配高性能混凝土配比結(jié)果見表8，最終選定編號(hào)為2號(hào)的混凝土配合比參數(shù)。

5 混凝土施工工藝

5.1 箱梁模板

為確保箱梁制作的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，本次模板設(shè)計(jì)委托專業(yè)單位根據(jù)施工實(shí)際情況，設(shè)計(jì)為定型鋼模板，面板厚度5 mm，采用 [10槽鋼作為肋板，肋板間距30 cm，圍囹采用 [10槽鋼，下口使用對(duì)穿螺栓加固，上口采用木頂撐和對(duì)穿螺栓來保證模板外形尺寸。

5.2 箱梁混凝土澆筑

混凝土在現(xiàn)場(chǎng)攪拌，采用強(qiáng)制式攪拌設(shè)備，絕熱罐車運(yùn)至澆筑現(xiàn)場(chǎng)，利用泵車下灰。考慮箱梁鋼筋比較密，而且是內(nèi)外模，采取以下措施：

1）原材料降溫。對(duì)于水泥，制定供應(yīng)計(jì)劃，加大水泥的儲(chǔ)備量，水泥提前進(jìn)場(chǎng)，使其充分降溫，同時(shí)在水泥罐周圍加設(shè)隔溫保護(hù)罩，保證水泥溫度低于40℃；對(duì)于細(xì)骨料，采取遮陽(yáng)措施，粗骨料采取冷水洗石降溫。拌和用水采取降溫措施，蓄水池修建在地下，同時(shí)在蓄水池內(nèi)投入冰塊；進(jìn)行熱工計(jì)算，保證混凝土澆筑溫度在15℃左右。

2）施工時(shí)間。采取在下午或晚間低溫時(shí)段進(jìn)行混凝土澆筑。

3）混凝土澆筑。箱梁混凝土的振搗采用插入式振動(dòng)器。底板混凝土澆筑從端頭及頂板預(yù)留工作孔下料，用振搗棒振搗，插點(diǎn)均勻、嚴(yán)密，不得漏振。底板澆筑完成一段后，將內(nèi)模部分的活動(dòng)模板壓緊固定，立即澆筑腹板混凝土。腹板混凝土澆筑采用對(duì)稱、分層下料的方式，分層厚度不大于50 cm。振搗時(shí)，振搗棒移動(dòng)間距不大于30 cm，每次插入下層混凝土的深度宜為5～10 cm，兩側(cè)腹板混凝土的下料和振搗須對(duì)稱、同步進(jìn)行，以避免內(nèi)模偏位。振搗時(shí)振搗棒嚴(yán)禁接觸底胎。

根據(jù)箱梁鋼筋密、有波紋管、振搗困難等特點(diǎn)，混凝土拌和嚴(yán)格按重量法施工，采用電子計(jì)量、強(qiáng)制式拌和，嚴(yán)格控制水膠比在0.33～0.35之間，以減少表面氣泡、砂線等缺陷。坍落度控制在150～170 mm。箱梁混凝土的澆筑采用一次成型工藝，由一端開始澆筑底板混凝土，澆筑長(zhǎng)度約8～10 m，待封底后開始澆筑腹板及頂板混凝土。當(dāng)腹板混凝土的分層坡腳達(dá)到底板8～10 m位置后，再向前澆筑8～10 m位置，以此類推，澆筑到距另一端8～10 m位置時(shí)，及時(shí)封底后變換方向，從端頭向中部澆筑腹板及頂板混凝土。

表8 高性能混凝土配合比參數(shù)、氯離子、電通量

5.3 抹面

由于泵送，混凝土坍落度較大，造成箱梁頂面浮漿、泌水較嚴(yán)重，箱梁表面容易開裂，所以箱梁頂面處理是防止箱梁頂面開裂的關(guān)鍵，本次施工采取以下措施：

1）在箱梁混凝土澆筑到頂面后清除頂面浮漿及泌水，二次澆筑混凝土，輕微振搗，然后二次振搗。

2）加強(qiáng)二次抹面，在粗抹、壓光的基礎(chǔ)上，待混凝土達(dá)到初凝前進(jìn)行二次抹面，抹成麻面。

5.4 養(yǎng)護(hù)

高性能混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)要求較高且周期較長(zhǎng)，否則不利于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)和降低內(nèi)外溫差，減少水化熱。主要控制養(yǎng)護(hù)濕度和溫度，針對(duì)箱梁高性能混凝土養(yǎng)護(hù)采取了以下措施：

1）在混凝土澆筑完畢后，利用后張預(yù)留孔通入循環(huán)水進(jìn)行內(nèi)部養(yǎng)護(hù)；同時(shí)在箱梁表面苫蓋二層土工布，結(jié)合人工澆水和設(shè)置自滴罐自滴養(yǎng)護(hù)。

2）在箱梁內(nèi)、外模板拆除后，將內(nèi)腔兩端臨時(shí)封堵，利用箱梁的內(nèi)腔蓄水養(yǎng)護(hù)；同時(shí)在箱梁外表面仍苫蓋二層土工布，用自滴罐養(yǎng)護(hù)。

3）在箱梁內(nèi)布設(shè)測(cè)溫裝置，通過測(cè)溫掌控混凝土內(nèi)部溫度，控制混凝土內(nèi)部最高溫度不高于50℃，保證內(nèi)外溫差在25℃內(nèi)。

6 箱梁預(yù)制施工控制效果指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

6.1 混凝土強(qiáng)度

通過大量同條件試塊的抗壓強(qiáng)度證明，選用的配合比混凝土強(qiáng)度5 d時(shí)已經(jīng)達(dá)到了90%以上，具備了現(xiàn)場(chǎng)張拉條件，減少了箱梁張拉等待時(shí)間，為保證預(yù)制進(jìn)度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。表9為4—7月份預(yù)制期間，每個(gè)月同條件試塊試壓1~5 d不同齡期強(qiáng)度的平均值。

表9 混凝土同條件養(yǎng)護(hù)下早期強(qiáng)度MPa

6.2 溫度測(cè)控

在做好梁身潮濕養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，也加強(qiáng)內(nèi)外溫度的監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)期不間斷的監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，預(yù)應(yīng)力梁的內(nèi)外溫差明顯小于25℃。表10為7月份高溫時(shí)對(duì)XL-15梁內(nèi)外溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果值。

表10 XL-15箱梁內(nèi)外部溫度監(jiān)測(cè)值 ℃

6.3 耐久性

1）混凝土中使用的粗、細(xì)骨料經(jīng)檢測(cè)為非堿活性，混凝土總堿含量為2.12 kg/m3。

2）礦渣粉的摻入降低了總體水化熱，延長(zhǎng)了水化的時(shí)間，降低了水化放熱的速率，增加了混凝土的密實(shí)性，從而減少了很多與早期水化熱有關(guān)的缺陷，如裂縫等，降低了凍融循環(huán)過程中水的滲入量，提高了抗凍性能。

3）礦渣粉[7]明顯改變了水泥硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)，主要是改變了孔隙結(jié)構(gòu)，二次水化填充了大量的孔隙；同時(shí)具有一定的減水效果（俗稱礦物外加劑），降低了混凝土的水灰比，也就減少了混凝土的孔隙?；炷量箖鋈谛约半娡拷Y(jié)果分別見表11和表12。

表11 混凝土抗凍融性能數(shù)據(jù)結(jié)果%

表12 澆筑成型試樣及鉆芯取樣測(cè)得的混凝土電通量值C

6.4 外觀

隨著梁體混凝土快要澆筑到頂面時(shí)，提前對(duì)其坍落度進(jìn)行控制，在可泵送的條件下，將坍落度降到最小，盡量減少用水量，減少混凝土頂面的收縮裂縫。采用此配合比和方法在施工過程中混凝土和易性良好，不泌水，不離析，澆筑后頂面及側(cè)面未發(fā)現(xiàn)裂縫。

7 箱梁現(xiàn)場(chǎng)使用效果

箱梁采用運(yùn)輸方駁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，利用起重船安裝，礦石碼頭經(jīng)過1 a多運(yùn)營(yíng)，對(duì)箱梁狀態(tài)進(jìn)行檢查。

1）變形小。在箱梁預(yù)制時(shí)采取預(yù)留10 mm拱度，在動(dòng)荷載作用下，箱型軌道梁較好地適應(yīng)了卸船機(jī)運(yùn)行荷載，軌道和箱梁均未發(fā)現(xiàn)明顯變形。

2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。箱梁上面層混凝土在運(yùn)營(yíng)后，在箱梁頂面面層、箱梁與T梁間及箱梁與其它結(jié)構(gòu)間，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沉降、位移等，說明結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定和整體性良好。

8 結(jié)語

1）大型后張預(yù)應(yīng)力箱型梁可以用于深水泊位大噸位碼頭的軌道梁。因其跨距大、數(shù)量少，施工周期變短，減少了各項(xiàng)隱患和投資，性價(jià)比較高。

2）必須采取措施保證高性能混凝土預(yù)應(yīng)力梁的施工質(zhì)量，以確保結(jié)構(gòu)的耐久性、大承載性能和較強(qiáng)的荷載適應(yīng)能力。

3）必須采取措施確保構(gòu)件外形尺寸和內(nèi)在實(shí)物質(zhì)量，以確保構(gòu)件在安裝后嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)的荷載承載位置，防止偏心或偏載，否則容易造成梁體的非正常失效或降低耐久性。

4）因外海深水泊位單獨(dú)樁基礎(chǔ)存在“頭重腳輕”現(xiàn)象，單、雙樁樁帽結(jié)構(gòu)容易因晃動(dòng)增大施工難度或風(fēng)險(xiǎn)，群樁基礎(chǔ)連接后的穩(wěn)定性較好地解決了這一問題，群樁墩臺(tái)對(duì)大跨距和大型構(gòu)件適應(yīng)性強(qiáng)，因此建議設(shè)計(jì)單位加大對(duì)更大跨距箱型軌道梁結(jié)構(gòu)在深水特別是外海碼頭的應(yīng)用研究，增大項(xiàng)目的效益。

5）建議設(shè)計(jì)單位加大對(duì)其它專業(yè)碼頭采用該結(jié)構(gòu)形式的研究，拓寬應(yīng)用范圍，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

[1] 馮乃謙.高性能混凝土的發(fā)展與應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2003（4）：3-8.

[2]GB175—2007，通用硅酸鹽水泥[S].

[3] JTJ268—96，水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范[S].

[4]JGJ55—2000，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[5]JTJ275—2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JTS257—2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]GB/T18046—2008，用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉[S].

[8]GB8076—2008，混凝土外加劑[S].