鋼管混凝土拱橋中自密實(shí)混凝土的質(zhì)量控制要點(diǎn)

楊雄杰，李明鋒

（中交四公局（北京）公路試驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，廣東 深圳 518040）

鋼管混凝土拱橋中自密實(shí)混凝土的質(zhì)量控制要點(diǎn)

楊雄杰，李明鋒

（中交四公局（北京）公路試驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，廣東 深圳 518040）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其混凝土的獨(dú)特性，其灌注的自密實(shí)混凝土應(yīng)具有良好的流動(dòng)性、粘聚性、可泵性、抗離析性及自密實(shí)的性能，因而其質(zhì)量控制顯得尤為關(guān)鍵和重要。本文以陜西寶漢高速公路石門水庫特大橋混凝土灌注案例為基礎(chǔ)，重點(diǎn)系統(tǒng)性地闡述了鋼管拱橋中澆筑自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的質(zhì)量控制要點(diǎn)，并對(duì)以后同類工程混凝土的施工質(zhì)量控制提供借鑒和指導(dǎo)意義。

鋼管拱橋；自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土；頂升壓注；質(zhì)量控制要點(diǎn)；密實(shí)度檢測(cè)

1 工程概況

石門水庫特大橋是陜西寶漢高速坪坎至漢中石門段重要的控制性工程，設(shè)計(jì)為有推力的中承式鋼管混凝土拱橋，左右幅分離，橋跨布置為 2×13m 預(yù)制空心板+262m 跨徑鋼管混凝土拱+2×16m 預(yù)制空心板，計(jì)算跨徑 248m，計(jì)算矢跨比 1/4，拱軸線為 m=1.5 的懸鏈線。拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，斷面為啞鈴形，主拱肋外徑為 950mm，內(nèi)填充 C50 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。該橋造型獨(dú)特、優(yōu)美，享有“西北第一跨”的美譽(yù)。

2 施工方法簡(jiǎn)介

鋼管混凝土的澆筑主要有三種方法：人工逐段澆搗法、泵送頂升壓注法和立式高位拋落灌注法，根據(jù)本工程的實(shí)際情況，選擇泵送頂升壓注法進(jìn)行施工。即從鋼管兩側(cè)拱腳處開孔并裝上有閥門的進(jìn)料口，拱頂處設(shè)置排漿孔，進(jìn)料口接上混凝土泵車的泵管，在壓力的作用下對(duì)稱的進(jìn)行頂升壓注，無需振搗使混凝土達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。毫無疑問混凝土拌合物的質(zhì)量是決定鋼管混凝土澆筑成功與否的關(guān)鍵因素。

鋼管混凝土泵送頂升工藝為：泵送水（0.3～0.5m3）→同配合比砂漿（約 1m3）→泵送 C50 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土→排漿孔冒出新鮮混凝土（約 1.5m3）→關(guān)閉止?jié){閥→完成壓注。泵送施工過程應(yīng)保持輸送泵儲(chǔ)料斗內(nèi)混凝土量不少于料斗容量的一半，采用高壓泵送，且不得反泵。

3 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的工作機(jī)理

自密實(shí)混凝土具有高工作性、抗離析性、間隙通過性和填充性。按照流變學(xué)理論，新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為：τ=τ0+ηⅹγ（τ 為剪切應(yīng)力；τ0為屈服剪切應(yīng)力；η 為塑性粘度；γ 為剪切速度），其中 τ0是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力，τ 為在外力作用下混凝土拌合物內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，在 τ≥τ0時(shí)混凝土產(chǎn)生流動(dòng)；η是拌合物內(nèi)部組織其流動(dòng)的一種性能，其越小則在相同外力作用下流速越快，因此 τ0和η是反應(yīng)流動(dòng)性的主要流變參數(shù)，自密實(shí)混凝土的配制就是通過各材料的比例組成使所得混凝土的屈服剪切應(yīng)力 τ0減小到適宜范圍同時(shí)又具有足夠的塑性粘度η，使集料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水且能自流平填充，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)，對(duì)于混凝土本身會(huì)存在一定的收縮，所以通過加入一定量的膨脹劑來補(bǔ)償混凝土自身的收縮，以達(dá)到與鋼管壁的良好黏結(jié)，有效的發(fā)揮好鋼管混凝土形成的“套箍效應(yīng)”。自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土施工配合比控制主要就是在眾多變化的因素中尋求相對(duì)的穩(wěn)定，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制，以獲得具有良好流動(dòng)性和工作性能的高品質(zhì)混凝土。

4 施工前的準(zhǔn)備工作

4.1 完善施工前的相關(guān)制度

施工前必須明確配合比審批制、崗位責(zé)任制、施工技術(shù)和安全交底制度。本項(xiàng)目的自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比嚴(yán)格按照 JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并歷經(jīng)“驗(yàn)證→評(píng)審→批復(fù)”等程序。

鋼管中混凝土澆筑工序是一個(gè)系統(tǒng)性的、有組織性的作業(yè)，對(duì)參與到這個(gè)系統(tǒng)中的人員都必須落實(shí)相關(guān)制度，尤其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和試驗(yàn)人員，必須明確其崗位職責(zé)，強(qiáng)化質(zhì)量意識(shí)，加強(qiáng)思想教育，并做好技術(shù)交底工作。技術(shù)交底可以使每個(gè)人在施工中任務(wù)明確、銜接得當(dāng)，促進(jìn)澆筑作業(yè)順利完成。

4.2 確定相關(guān)參數(shù)

4.2.1 拌合機(jī)稱量系統(tǒng)的校準(zhǔn)

計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確是混凝土拌合的基礎(chǔ)保證，混凝土拌合前使用自備的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)拌合稱量系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，并在正常的拌合生產(chǎn)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏差的校準(zhǔn)，當(dāng)材料稱量超過允許偏差，應(yīng)通過調(diào)整落差值或更換匹配的傳感器等方法來解決，水和外加劑對(duì)混凝土性能影響較大，尤其注意其偏差情況。各材料的允許偏差如表 1 所示。

表1 每盤混凝土原材料的允許偏差

4.2.2 試拌及單盤拌合時(shí)間的確定

對(duì)混凝土的拌合，依據(jù) GB 50164－2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中要求，對(duì)高性能混凝土攪拌時(shí)間在 60s 基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，一般延長(zhǎng) 30s，但因各設(shè)備的型號(hào)、拌合方量及磨損程度不同而不能一概而論，有必要進(jìn)行試拌作業(yè)確定相關(guān)參數(shù)，可以在核查混凝土拌合物指標(biāo)的同時(shí)，檢查允許偏差和對(duì)比不同攪拌時(shí)間下混凝土狀態(tài)情況，本項(xiàng)目所用的混凝土拌合機(jī)為三一重工生產(chǎn)的 HZS90 型強(qiáng)制式攪拌機(jī)，經(jīng)對(duì)比拌合時(shí)間，確定在 120s 時(shí)可以獲得拌合均勻、狀態(tài)良好的混凝土。需要指出的是，混凝土的拌合時(shí)間指的是所有材料進(jìn)入攪拌缸開始攪拌至出料的時(shí)間。此次試拌混凝土的檢測(cè)指標(biāo)為：初始坍落度為 240mm，擴(kuò)展度為 620mm，倒錐 T500為11.2s；同時(shí)為模擬現(xiàn)場(chǎng)坍落度損失，將拌合物存儲(chǔ)于混凝土罐車中，3h 后測(cè)定：坍落度為 230mm，擴(kuò)展度為 600mm，拌合物均勻、未離析、未泌水、粘聚性良好，坍落度損失小，各性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，滿足進(jìn)行正常施工作業(yè)的性能。

5 原材料進(jìn)場(chǎng)的質(zhì)量控制

進(jìn)場(chǎng)材料的控制主要是從數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行的：

（1）對(duì)混凝土拌合所用的原材料分類儲(chǔ)存，做好標(biāo)識(shí)。其規(guī)格型號(hào)及生產(chǎn)廠家必須與配合比設(shè)計(jì)時(shí)一致，進(jìn)料數(shù)量比一次壓注所需的數(shù)量要有富余，盡量避免中途材料的進(jìn)場(chǎng)。尤其是砂子，其含水率的變化，直接影響砂率和單位用水量，繼而影響混凝土的性能，會(huì)增加控制難度。

（2）嚴(yán)控進(jìn)場(chǎng)材料質(zhì)量，堅(jiān)決拒絕不合格材料的進(jìn)場(chǎng)和使用。在現(xiàn)場(chǎng)可通過目測(cè)、手感及便攜工具等進(jìn)行初步驗(yàn)收，尤其是砂子、碎石，細(xì)度模數(shù)過大、級(jí)配較差、含泥量較大的批次禁止入場(chǎng)。夏季施工嚴(yán)控進(jìn)場(chǎng)水泥的溫度，避免熱水泥的進(jìn)場(chǎng)直接使用。粉煤灰的初步檢驗(yàn)可觀察其外觀及細(xì)度，品質(zhì)優(yōu)良的 F 類 Ⅰ 級(jí)粉煤灰顏色較淺，色澤一致，細(xì)度較細(xì)，還可用 100 倍的手持顯微鏡進(jìn)行觀察，顯微鏡下的Ⅰ 級(jí)粉煤灰會(huì)呈現(xiàn)出密密麻麻大小不同發(fā)亮的玻璃微珠，若顏色發(fā)黑、看不到玻璃珠的粉煤灰可當(dāng)場(chǎng)拒收。膨脹劑的初步驗(yàn)收可觀察其色澤和細(xì)度，并進(jìn)行啤酒試驗(yàn)快速測(cè)其膨脹性能。初步驗(yàn)收后在使用前須按頻率及時(shí)進(jìn)行自檢或委托第三方進(jìn)行檢測(cè)，確保所使用材料符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6 自密實(shí)混凝土拌合物質(zhì)量控制

6.1 自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能的控制

自密實(shí)混凝土的工作性能優(yōu)越，坍落度擴(kuò)展大，對(duì)材料比較敏感，在其他材料穩(wěn)定的前提下該配合比控制的關(guān)鍵就是單位用水量，自密實(shí)混凝土對(duì)水敏感，過多會(huì)增大混凝土的離析，過少會(huì)使得流動(dòng)性能達(dá)不到要求，難以泵送，影響澆筑。而這一部分引起變化的水的來源，主要就是骨料含水率的變化，為此在澆筑工作開始之前便與物資部門溝通，確保每次進(jìn)場(chǎng)骨料的數(shù)量必須充足，質(zhì)量穩(wěn)定，而且在澆筑過程中，試驗(yàn)室每小時(shí)檢測(cè)一次骨料含水率情況，盡量減少因材料波動(dòng)因素對(duì)混凝土產(chǎn)生的影響。有研究表明每方混凝土增減 5kg 的用水量會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生 1MPa 左右的影響。

膨脹劑的加入必須足量有效。在鋼管和混凝土的粘結(jié)中膨脹劑扮有重要的角色，自密實(shí)混凝土在逐漸水化過程中體積會(huì)產(chǎn)生一定的收縮，而膨脹劑的作用就是補(bǔ)償這一部分收縮，使得混凝土與鋼管貼的更緊密，更好的發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的“套箍效應(yīng)”，提高承載力，提高耐久性。

混凝土的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制，3d 強(qiáng)度不低于 40MPa，28d 不低于設(shè)計(jì)值并滿足評(píng)定要求；拌合物的性能指標(biāo)也要嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，自密實(shí)混凝土屬于大流態(tài)混凝土，要求混凝土拌合物粘聚性好，不離析、不泌水，初始坍落度 (230±30)mm，初始擴(kuò)展度為 500～650mm，T500時(shí)間 5～20s，保坍性能良好，3h 損失不大于 30mm，初凝時(shí)間12～16h。

自密實(shí)混凝土拌合嚴(yán)格按照換算后的施工配合比進(jìn)行，各指標(biāo)按照設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)進(jìn)行控制，合理做好人員分工，發(fā)揮好團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。我項(xiàng)目在混凝土澆筑作業(yè)中，兩臺(tái)攪拌機(jī)和施工現(xiàn)場(chǎng)均有經(jīng)驗(yàn)豐富的專職試驗(yàn)人員進(jìn)行質(zhì)量控制，隨時(shí)做好混凝土的監(jiān)測(cè)工作，出站前和現(xiàn)場(chǎng)澆筑前均要觀察粘聚性和流動(dòng)性并進(jìn)行坍落度試驗(yàn)（圖 1），檢測(cè)坍落度、擴(kuò)展度、 T500指標(biāo)是否符合要求，并密切關(guān)注坍落度損失情況，及時(shí)做好溝通，反饋現(xiàn)場(chǎng)施工情況，做好記錄?；炷猎跐仓^程中出現(xiàn)坍落度過大或過小的情況必須及時(shí)調(diào)整并查找原因，根據(jù)坍落度的大小范圍可微調(diào)外加劑的摻量來獲得良好性能的混凝土；在外加劑調(diào)整仍無法獲得良好效果時(shí)，可在水灰比保持不變情況下，適量調(diào)整水泥漿，改善拌合物的坍落度及工作性能，兩種方法也可以結(jié)合使用，以確保入泵混凝土性能的良好。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的坍落度、擴(kuò)展度試驗(yàn)

表2 允許間歇時(shí)間

需要指出的是混凝土性能的控制不能僅僅停留在符合設(shè)計(jì)坍落度 200～260mm、擴(kuò)展度 500～650mm 這一層次上，而應(yīng)考慮實(shí)際情況在此范圍內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)控制，以減少混凝土拌合物的波動(dòng)性，這樣利于混凝土泵送壓力和壓注速度的穩(wěn)定性及混凝土的均勻和密實(shí)性。我項(xiàng)目在混凝土過程控制中入泵坍落度控制在 220～240mm，擴(kuò)展度控制在550～620mm，T500時(shí)間 9～15s，實(shí)踐證明混凝土在此狀態(tài)下泵送壓力穩(wěn)定可靠，混凝土密實(shí)。

6.2 自密實(shí)混凝土拌合物溫度的控制

環(huán)境溫度、拌合物本身溫度過高會(huì)直接影響混凝土坍落度損失，影響混凝土的泵送。自密實(shí)混凝土要求 3h 損失不大于 30mm，必須控制好混凝土的溫度，水泥粉煤灰進(jìn)場(chǎng)溫度不大于 50℃，骨料采用遮陽措施，控制混凝土的出機(jī)溫度不大于 35℃。當(dāng)環(huán)境氣溫高于 30℃ 時(shí)，為避免管內(nèi)混凝土坍落度損失過快，造成混凝土堵管，宜采取措施降低鋼管溫度，如蓋濕麻袋或澆水等措施。夏季施工時(shí)應(yīng)避開溫度較高的時(shí)候，宜選擇在氣溫較穩(wěn)定且較低的時(shí)刻進(jìn)行澆筑。我項(xiàng)目混凝土的澆筑作業(yè)時(shí)，環(huán)境溫度在 16～32℃，為確保順利進(jìn)行澆筑，在開始前的兩個(gè)小時(shí)不停地對(duì)鋼管淋水，并選取在凌晨三點(diǎn)開始拌合。因進(jìn)場(chǎng)材料及環(huán)境溫度控制得當(dāng)，澆筑作業(yè)中混凝土入泵溫度在 25～29℃ 之間，符合控制要求。

6.3 鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)度的控制

自密實(shí)混凝土良好的和易性是保證管內(nèi)混凝土密實(shí)的基礎(chǔ)，但在此基礎(chǔ)上還應(yīng)加強(qiáng)施工工藝中對(duì)密實(shí)度的控制。在對(duì)稱頂升至拱頂后，從排漿孔依次冒出的是水、水泥砂漿、自密實(shí)混凝土，因壓注時(shí)間較長(zhǎng)可能部分砂漿和混凝土混合，此時(shí)必須做好觀察，確定從排漿管排出合格、均勻的混凝土（約 1.5m3）后方能停止泵送，再待 3～5min 后繼續(xù)泵送3～5 個(gè)行程，如此重復(fù) 3～5 次，盡可能的排出鋼管混凝土中的氣體，保證管內(nèi)混凝土填充密實(shí)；全部混凝土泵送完成后，關(guān)下壓注口的倒流截止閥，待混凝土終凝后拆除倒流截止閥并進(jìn)行補(bǔ)焊。

7 鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量檢驗(yàn)

鋼管內(nèi)混凝土質(zhì)量的檢驗(yàn)分為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件的檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)兩個(gè)方面。

（1）在鋼管混凝土施工過程中施工現(xiàn)場(chǎng)留置的150mm×150mm×150mm 試件是強(qiáng)度檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件，所留組數(shù)符合要求。項(xiàng)目在施工期間留置包括同養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)共六組試件，并經(jīng)檢驗(yàn)力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)常用的有敲擊法和超聲波檢測(cè)法，敲擊法是通過聲音來分析管內(nèi)混凝土的密實(shí)情況，用質(zhì)檢專用的3# 鋼錘進(jìn)行敲擊檢查，一般在 7d、28d 齡期進(jìn)行檢查，沿鋼管周邊等距離選取若干點(diǎn)從底部向頂部進(jìn)行敲擊，依據(jù)聲音判斷密實(shí)情況。超聲波檢測(cè)法是使用超聲波檢測(cè)儀在截面位置布點(diǎn)，在鋼管外徑的一端利用發(fā)射換能器輻射高頻振動(dòng)，經(jīng)鋼管混凝土作為介質(zhì)傳播向鋼管外徑的另一端的接收換能器，根據(jù)傳播的聲時(shí)、聲幅及頻率進(jìn)行測(cè)試，以確定混凝土是否存在缺陷及缺陷范圍，其傳播方式如圖 2 所示。

圖2 超聲波在鋼管混凝土中的傳波方式

根據(jù) GB 50923－2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》要求，鋼管混凝土拱肋脫粘率不得大于 20%，或脫粘空隙厚度不大于 3mm，否則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。我項(xiàng)目在混凝土壓注完成規(guī)定齡期后進(jìn)行委托第三方敲擊法和超聲波進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果混凝土密實(shí)、均勻，指標(biāo)符合規(guī)范要求，并經(jīng)業(yè)主第三方進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果一致，進(jìn)而表明了我項(xiàng)目在混凝土澆筑階段所采取的措施和方法是行而有效的。

8 結(jié)語

施工中鋼管混凝土獲得良好品質(zhì)的表現(xiàn)是建立在各個(gè)組織措施、準(zhǔn)備措施、技術(shù)措施得當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上完成的，各階段均需認(rèn)真仔細(xì)，把控好事前控制，加強(qiáng)事中控制，完善事后控制，以確保鋼管混凝土澆筑工作的順利完成，使得鋼管混凝土拱橋的高承載力、良好抗震性、耐火性能及經(jīng)濟(jì)性能得到更好的質(zhì)量保證。

[1] JGJ 55－2011．鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S]．

[2] JGJ/T 283－2012．自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．

[3] GB 50164－2011．混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[4] JTG/T F50－2011．公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]．

[5] CCES 02 －2004．自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南[Z]．

[6] SCG F51－2010．橋梁高性能混凝土制備與應(yīng)用技術(shù)指南[Z]．

[7] 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院．公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南[M]．北京：人民交通出版社，2008．

[8] 胡曙光，丁慶軍．鋼管混凝土[M]．北京：人民交通出版社，2007．

［通訊地址］中交四公局（北京）公路試驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司（100025）

楊雄杰（1990－），男，漢族，陜西華陰人，本科學(xué)歷，交通部公路試驗(yàn)檢測(cè)工程師，從事混凝土原材料檢測(cè)及混凝土質(zhì)量控制工作。