高寒地區(qū)混凝土箱梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 幫 軒

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459 )

隨著西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，大量的鐵路、公路工程在高海拔寒冷地區(qū)修建[1-2]。高海拔地區(qū)具有氣壓和氣溫低、晝夜溫差大、日照時間長、紫外線大等特點(diǎn)，這種高寒的環(huán)境條件對混凝土結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能和施工關(guān)鍵技術(shù)提出了更高的要求[3]，而高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁的配合比設(shè)計[4-5]、溫度控制、養(yǎng)護(hù)措施等研究明顯滯后于工程需求[6-7]。這也成為中國公路橋梁工程設(shè)計和施工中的一個重大技術(shù)問題。

基于工程實(shí)踐需要，一些學(xué)者和工程師對高海拔寒冷地區(qū)混凝土配合比進(jìn)行了研究[8-9]。如陶友海[10]通過摻加少量粉煤灰，提高纖維素纖維混凝土在寒冷環(huán)境下養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度增長率和孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。王龍志等[11]使用復(fù)合型高效外加劑，控制冬季施工含氣量在4%～6%，并通過摻入10%的膨脹劑，緩解混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。惠洪義等[12]添加高效減水劑、10%的粉煤灰和降低水膠比，來提高混凝土強(qiáng)度和抗凍耐久性。同時需要在混凝土箱梁施工過程中，通過施工技術(shù)控制，減少混凝土強(qiáng)度的損失。孫廣濱等[13]使用熱水預(yù)加熱混凝土原材料并控制運(yùn)輸和澆筑時的溫度。向敏等[14]根據(jù)高強(qiáng)混凝土水化放熱規(guī)律，提出預(yù)制混凝土箱形梁生產(chǎn)過程中蒸汽養(yǎng)護(hù)的溫度控制參數(shù)，有效控制了降溫期出現(xiàn)的較大溫度梯度而產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力。Li等[15]針對箱梁養(yǎng)護(hù)時內(nèi)部溫度過高和冷卻速度慢的問題，提出了鉆道循環(huán)水冷卻方法，減小了混凝土箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫差。趙文斌等[16]通過對低溫、大溫差地區(qū)不同養(yǎng)護(hù)方法下混凝土試驗(yàn)箱梁的溫度和各齡期強(qiáng)度的比較，證實(shí)了45℃恒溫蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度高。

在高海拔寒冷地區(qū)，建筑材料、施工環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件等因素對混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性有很大影響。為了滿足高海拔寒冷地區(qū)對混凝土結(jié)構(gòu)的高要求，有必要對混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。基于此，本文以S10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標(biāo)段橋梁工程為依托，對高海拔寒冷地區(qū)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、原材料入倉溫度、箱梁澆筑過程保溫及溫度控制、預(yù)制箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)措施等進(jìn)行研究，形成一套高海拔寒冷地區(qū)預(yù)制箱梁施工技術(shù)，為更多的工程提供技術(shù)支持和參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

S10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標(biāo)段橋梁工程，全長9.050 km，沿線共設(shè)置13座橋，其中主線大橋1座共186 m，中橋5座共222.8 m，小橋5座共102.5 m，匝道中橋2座共88.12 m。預(yù)制的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)長度為30 m和40 m，共804片。

1.2 自然條件

工程項(xiàng)目所在地區(qū)海拔在2 500 m～3 600 m之間，具有氣壓和氣溫低、日照時間長、晝夜溫差大等特點(diǎn)。冬季漫長、干燥、寒冷，最冷月份1月的平均溫度為-8.6℃，最低溫度為-27℃；全年盛行風(fēng)向NE，年平均風(fēng)速2.1 m/s，最大風(fēng)速17 m/s。這種高海拔寒冷環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的性能提出了更高的要求，為滿足工程環(huán)境要求，需要對箱梁的混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。同時，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可信度，本文中的所有試驗(yàn)均在施工現(xiàn)場進(jìn)行。

2 高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁配合比確定

2.1 原材料選用

本工程箱梁采用C50混凝土，所用原材料就地取材，水泥采用永登祁連山P.II52.5硅酸鹽水泥，未出現(xiàn)受潮結(jié)塊現(xiàn)象，水泥的物理力學(xué)指標(biāo)見表1；粗骨料取自當(dāng)?shù)夭墒瘓?，選用質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙的石灰?guī)r礫石，粒徑5 mm～20 mm，級配良好，含泥量0.6%，泥塊含量為0.2%；細(xì)骨料是當(dāng)?shù)厣皬S的河砂，選取細(xì)度模數(shù)為2.98的中砂，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所列；外加劑有2種，采用蘇博特公司生產(chǎn)的混凝土高效引氣劑和含少量緩凝成份的混凝土高效減水劑。

表1 水泥的基本物理力學(xué)性能

表2 細(xì)骨料主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[17](JGJ55—2011)規(guī)定及原材料檢測結(jié)果，使用混凝土配合比質(zhì)量法，計算得到高海拔寒冷地區(qū)普通混凝土配合比，通過分別摻入減水劑和引氣劑、調(diào)整其他原材料用量，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，進(jìn)一步確定了如表3所示的高海拔寒冷地區(qū)減水混凝土和引氣混凝土配合比，并制定基本性能試驗(yàn)方案，用來確定箱梁混凝土配合比。

表3 高海拔寒冷地區(qū)混凝土試驗(yàn)配合比

2.3 基本性能試驗(yàn)

在制備混凝土試件時，使用儀器對3種高寒混凝土的坍落度和含氣量進(jìn)行測定；試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，將立方體試樣每3塊分為1組，共計3組，分別對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期7 d、14 d和28 d，測試試件抗壓強(qiáng)度，取平均值；長方體試樣3塊為1組，測試試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)過程來看，摻加減水劑和引氣劑可以提高高寒混凝土的坍落度和含氣量。與高寒普通混凝土相比，摻入減水劑的高寒減水混凝土的坍落度和含氣量分別提高了100%和50%，摻入引氣劑的高寒引氣混凝土的坍落度和含氣量分別提高了75%和213%，使混凝土的和易性得到改善。從表4的試驗(yàn)結(jié)果看，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，高寒普通混凝土、高寒減水混凝土和高寒引氣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值分為43.9 MPa、47.6 MPa、42.4 MPa，與高寒普通混凝土相比，高寒減水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度增加了8.43%，而高寒引氣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度卻減小了3.42%，表明摻入減水劑的高寒減水混凝土早期強(qiáng)度增長較快。

從試驗(yàn)結(jié)果看，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28 d后，3種配合比高寒混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值。高寒普通混凝土、高寒減水混凝土和高寒引氣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值分為53.7 MPa、55.4 MPa、51.9 MPa，3種高寒混凝土的抗折強(qiáng)度平均值分別為8.66 MPa、10.44 MPa、8.18 MPa。與高寒普通混凝土相比，高寒減水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別增加了2.40%和20.55%，而高寒引氣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別降低了4.07%和5.54%。上述結(jié)果表明，在本次試驗(yàn)中摻入減水劑可使混凝土強(qiáng)度增大，摻入引氣劑雖然可改善混凝土和易性，但一定程度會降低混凝土強(qiáng)度。根據(jù)施工場地的自然環(huán)境條件和混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)目選取摻入減水劑的高寒減水混凝土配合比作為箱梁配合比。

3 混凝土澆筑溫度控制及箱梁制作工藝

3.1 混凝土澆筑溫度控制

在高海拔寒冷地區(qū)冬季施工時，外部環(huán)境溫度過低?；炷涟韬锨?，需對原材料進(jìn)行預(yù)加熱處理，采取直接加熱水的方法，當(dāng)無法達(dá)到攪拌溫度時，骨料應(yīng)預(yù)熱，加熱后的原材料溫度不應(yīng)大于60℃；確?；炷涟韬狭系某隽蠝囟瓤刂圃?0℃左右，以避免混凝土坍落度損失過大或混凝土進(jìn)入模具的溫度過低；運(yùn)輸過程中采取在混凝土罐車上加保溫隔熱層的措施，同時避免長時間靜停，確保入?；炷翜囟却笥?5℃；對箱梁模板進(jìn)行預(yù)熱，控制混凝土入模后梁體上下溫差小于5℃。

3.2 混凝土箱梁的制作工藝

箱梁底模采用8 mm厚鋼板作為底板，與支座焊接。側(cè)模、內(nèi)模、端模采用定型鋼模板?？紤]到地理位置和環(huán)境的特殊性，側(cè)模采用彩鋼板封閉，內(nèi)模采用棉篷布包裹保溫。沿內(nèi)?？v梁、側(cè)模兩側(cè)和頂板對稱布置蒸汽管道和散熱器，采用高壓鍋爐蒸汽加熱養(yǎng)護(hù)。梁的鋼骨架采用定型鋼結(jié)構(gòu)工作臺均勻安裝在模板外，并用吊具整體吊入模板內(nèi)，以保證鋼骨架在運(yùn)輸過程中穩(wěn)定不變形。

混凝土拌合時，需對骨料與水進(jìn)行加熱，運(yùn)輸過程中要采取有效的保溫措施，澆筑采用10 t龍門吊配1.5 m3料斗，混凝土入模前不得發(fā)生離析。預(yù)制箱梁混凝土澆筑可采取連續(xù)澆筑，當(dāng)澆筑至距另一端4 m～5 m時，反方向再由另一端開始澆筑，以此避免砂漿全部堆積在梁端預(yù)應(yīng)力錨具位置影響張拉?？紤]到高海拔寒冷地區(qū)特殊的氣候環(huán)境，有必要改善低溫引起的預(yù)應(yīng)力損失。錨具、鋼絞線應(yīng)放在供熱的庫房里，每天按時開始張拉，同一應(yīng)力區(qū)的鋼絞線要在同一天完成張拉，盡量選在白天氣溫高的時間進(jìn)行，保證張拉時環(huán)境溫度不低于-15℃。孔道壓漿應(yīng)在張拉后1 d內(nèi)完成，管道灌漿必須密實(shí)，水泥漿等級不低于M50。封端鋼模采用鋼管、木楔等材料支撐加固，確保在施工過程中不跑模，且便于拆卸。預(yù)制箱梁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 預(yù)制箱梁施工工藝流程圖

4 高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)

4.1 箱梁的蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要由動力、控制、供汽管道、養(yǎng)護(hù)罩等系統(tǒng)組成。

(1) 動力系統(tǒng)使用型號為4 t/h的蒸汽鍋爐。根據(jù)蒸汽鍋爐罐體內(nèi)的壓力，使用水泵自動對鍋爐注水。

(2) 智能控制系統(tǒng)是計算機(jī)程序根據(jù)接收到的智能溫度儀數(shù)據(jù)，控制每個支水管上的電磁閥，實(shí)現(xiàn)智能控制蒸汽養(yǎng)護(hù)，減少梁體各部位的溫差。

(3) 箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)管道布置，主蒸汽管內(nèi)徑為150 mm，支蒸汽管內(nèi)徑為80 mm。制梁臺座里布置1根蒸汽管內(nèi)徑為50 mm，模型兩側(cè)、內(nèi)腔及頂板對稱布置8根蒸汽管道直徑為50 mm。

(4) 養(yǎng)護(hù)罩系統(tǒng)由養(yǎng)護(hù)基座和養(yǎng)護(hù)罩組成。

4.2 高海拔寒冷地區(qū)箱梁的蒸汽養(yǎng)護(hù)方案

在蒸汽養(yǎng)護(hù)初期，蒸汽鍋爐傳遞出高溫水蒸氣對混凝土箱梁進(jìn)行供熱升溫，蒸汽在混凝土構(gòu)件上凝結(jié)放熱，將蒸汽熱傳給混凝土。預(yù)制混凝土箱梁長度為30 m和40 m，在蒸養(yǎng)過程中，智能溫度計布置在箱梁內(nèi)箱和側(cè)模上，內(nèi)箱上的溫度儀器布置在跨中和梁端4 m處，側(cè)模上均勻布置4個溫度儀器，蒸汽養(yǎng)護(hù)升、降溫階段每隔0.5 h自動測溫一次，恒溫養(yǎng)護(hù)階段每1 h自動測溫一次。根據(jù)實(shí)測溫度的變化情況，采取調(diào)節(jié)蒸汽放入量來控制升降溫速度，進(jìn)而保證蒸汽到達(dá)梁體各處的溫差較小，使混凝土內(nèi)部空隙較少產(chǎn)生。養(yǎng)護(hù)中的箱梁如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)中的混凝土箱梁

智能管理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序控制梁體混凝土靜停、升溫、恒溫、降溫四階段，并與智能溫度儀相結(jié)合，使蒸汽養(yǎng)護(hù)自動化，有效控制梁體裂紋產(chǎn)生及強(qiáng)度損失。當(dāng)蒸汽均勻到達(dá)梁體各處時，由程序自動靜停，在靜停期間，智能溫度儀保證棚溫不低于5℃。混凝土澆筑完4 h～6 h后，自動再次送入蒸汽，進(jìn)入升溫階段。智能管理器通過控制小型散熱扇保證升溫速率不超過10℃/h，混凝土芯部溫度最高不得超過65℃。進(jìn)入恒溫階段時，溫度不得超過45℃，并使蒸汽罩內(nèi)各部位的溫差不大于10℃，這有助于箱梁快速達(dá)到強(qiáng)度要求。降溫時保溫棚與智能溫度儀共同工作，必要時使用通風(fēng)扇調(diào)節(jié)通風(fēng)，降溫期的降溫速度根據(jù)預(yù)制混凝土箱梁的尺寸大小，選擇降溫速度不超過10℃/h，防止降溫速度過快，造成混凝土預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)生收縮裂縫和溫度拉應(yīng)力裂縫；梁體溫度與外部環(huán)境相接近時，撤除養(yǎng)護(hù)罩，如圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)后的混凝土箱梁

5 混凝土箱梁強(qiáng)度現(xiàn)場測試

5.1 測試方案

隨機(jī)抽取20塊澆筑滿28 d的高寒減水混凝土箱梁，使用混凝土數(shù)顯回彈儀HD-225D對混凝土箱梁的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。在箱梁兩側(cè)各選取5個測區(qū)，測區(qū)應(yīng)避開鋼筋密集區(qū)和預(yù)埋件，并在每個測區(qū)畫出4×4的網(wǎng)格測點(diǎn)，現(xiàn)場檢測如圖4。箱梁表面擦拭干凈后進(jìn)行回彈測試，回彈儀和被測面垂直，同一點(diǎn)不可彈擊兩次，每一測區(qū)彈擊16次，將每一測區(qū)所測回彈值去掉3個最大值與3個最小值之后取平均值得到該測區(qū)的回彈值，取各測區(qū)回彈平均值作為該箱梁的回彈值。

圖4 混凝土箱梁回彈測試

5.2 測試結(jié)果對比分析

將箱梁回彈測試結(jié)果，根據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[18](JGJ/T 23—2001)，查表得出混凝土箱梁的抗壓強(qiáng)度。按照每個箱梁為一組進(jìn)行列表整理，如表5。

表5 混凝土箱梁回彈測試結(jié)果

從表5可見，本次試驗(yàn)的高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁回彈值在44.7～50.9范圍，折算后的混凝土抗壓強(qiáng)度在52.0 MPa～60.0 MPa，平均強(qiáng)度為56.8 MPa，遠(yuǎn)高于混凝土設(shè)計規(guī)范規(guī)定的C50混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值52.5 MPa。因此，本次測試的28 d后齡期混凝土箱梁的抗壓強(qiáng)度完全達(dá)到設(shè)計要求。

從S10鳳縣(陜西)至合作(甘肅)高速公路卓尼至合作段ZH09標(biāo)段橋梁工程混凝土箱梁施工過程和測試結(jié)果來看，首先通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化了高寒減水混凝土配合比，在澆筑過程中進(jìn)行溫度控制，并采用蒸汽養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以及其他施工措施，生成的混凝土箱梁能夠滿足高海拔寒冷環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

6 結(jié) 論

(1) 對比不摻外加劑和摻入不同外加劑得到的3種高寒混凝土配合比，摻入減水劑或引氣劑均可改善混凝土的施工性能。從結(jié)果看，高寒減水混凝土后期的立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度高于高寒普通混凝土和高寒引氣混凝土，且高寒減水混凝土早期立方體抗壓強(qiáng)度值比高寒普通混凝土和高寒引氣混凝土分別大8.43%和12.26%。本工程根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選用高寒減水混凝土作為施工配合比，有助于提高高海拔寒冷地區(qū)混凝土箱梁的早期抗裂性、保證結(jié)構(gòu)安全和可靠性。

(2) 混凝土攪拌前，對骨料和水進(jìn)行加熱，將混凝土混合料的出料溫度控制在20℃左右，運(yùn)輸過程中在混凝土罐車上包裹保溫隔熱層，降低熱量流失，避免混凝土坍落度損失過大或混凝土進(jìn)入模內(nèi)溫度過低。

(3) 采用智能管理器和智能溫度儀協(xié)同工作，通過嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)管道各處的溫度，使梁體內(nèi)部受熱均勻，有效減少了混凝土凝固時裂隙的產(chǎn)生，保證了箱梁梁體達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計要求，并通過現(xiàn)場回彈測試得到驗(yàn)證。