常泰長(zhǎng)江大橋沉井水下抗分散混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)*

韓鵬鵬,仇正中,張 磊,吳啟和

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040;3.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430040;4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

水下自密實(shí)混凝土屬于高性能混凝土,具有高流動(dòng)性和均勻性,在沉井隔艙鋼結(jié)構(gòu)內(nèi),無(wú)須振搗僅靠自重就能填充沉井隔艙內(nèi)部[1]。Horszczaruk等[2]研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰含量>40%時(shí),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(jìn)行合理配合比設(shè)計(jì),制備出水下高流動(dòng)性和水下抗分散高性能混凝土。翁龍[4]通過(guò)研究浪濺區(qū)和水變區(qū)混凝土腐蝕程度,發(fā)現(xiàn)在混凝土添加礦物以后會(huì)增加表面氯離子濃度。Yang等[5]開(kāi)展了骨料粒徑對(duì)混凝土性能影響研究,發(fā)現(xiàn)混凝土最大骨料增大時(shí),混凝土抗拉強(qiáng)度減小。王迎飛等[6]通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出自密實(shí)混凝土水下較陸上離散稍有增加,可以適當(dāng)放寬粗骨料粒徑。宋偉明等[7]總結(jié)蘇通大橋水下自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)工藝,對(duì)同類(lèi)施工具有指導(dǎo)和借鑒意義。汲生軍等[8]通過(guò)在普通混凝土中加入抗分散劑研究混凝土在水下的流動(dòng)性能,可對(duì)施工水域無(wú)污染。通過(guò)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性影響,摻入硅粉可有效增強(qiáng)混凝土抗分散性能和抗壓強(qiáng)度。為保證冬季自密實(shí)混凝土流動(dòng)性,李俊毅等[10]選擇無(wú)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(dòng)性、混凝土凍結(jié)時(shí)間、水下無(wú)縫監(jiān)控等方面進(jìn)行全方位檢測(cè),能確定在7d內(nèi)達(dá)到抗壓強(qiáng)度100%。依托滬通長(zhǎng)江大橋,翁智財(cái)?shù)萚12]通過(guò)間隙通過(guò)性試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)度分析,為水下自密實(shí)混凝土制備提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。在自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)方法和制備技術(shù)方面,劉運(yùn)華等[13]評(píng)述了已有的工作進(jìn)展,測(cè)試和分析混凝土流變性能及硬化后的微觀結(jié)構(gòu)。李方賢等[14]采用常規(guī)方法對(duì)自密實(shí)混凝土進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)膠凝材料在480～550kg/m3,混凝土流動(dòng)性、抗離析性及氣孔結(jié)構(gòu)較小。呂興軍等[15]對(duì)自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)理念及國(guó)內(nèi)外方法進(jìn)行了總結(jié),對(duì)砂石含量計(jì)算方法具有良好借鑒意義。

相對(duì)于廣泛使用傳統(tǒng)水下混凝土,在沉井隔艙狹小空間內(nèi),如何保證水下自密實(shí)混凝土不發(fā)生離析現(xiàn)象,對(duì)混凝土制備提出了更高要求,結(jié)合常泰長(zhǎng)江大橋沉井隔艙內(nèi)混凝土澆筑,研究砂率、膠凝材料量、粉煤灰摻量、增黏劑對(duì)自密實(shí)混凝土影響,提出水下抗分散混凝土最優(yōu)配合比。結(jié)合抗分散混凝土封艙施工工藝,最終完成沉井隔艙內(nèi)水下混凝土澆筑。

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋?yàn)殡p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(tái)階式沉井基礎(chǔ),沉井平面呈圓端形,底面尺寸95.0m×57.8m,沉井共有36個(gè)井孔和28個(gè)隔艙,其中沉井外部、內(nèi)部隔艙厚度分別為2,1.4m,如圖1所示。首節(jié)沉井采用鋼殼結(jié)構(gòu)拼裝而成,在注水著床后在隔艙內(nèi)進(jìn)行水下混凝土澆筑。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)布置(單位:cm)

2 重難點(diǎn)分析

常泰長(zhǎng)江大橋沉井截面尺寸大,井壁混凝土澆筑順序應(yīng)保持橫軸向和縱軸向?qū)ΨQ,底部必須以全斷面支撐防止沉井傾斜,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工布置要求高。普通水下混凝土澆筑易發(fā)生水析現(xiàn)象,沉井隔艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以充填密實(shí),需研制新型水下自密實(shí)抗分散混凝土。沉井基礎(chǔ)首節(jié)43m,水下混凝土澆筑落差大,澆筑時(shí)間長(zhǎng),現(xiàn)有水下混凝土難以保證工程質(zhì)量。

3 水下自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用常泰長(zhǎng)江大橋水上攪拌船生產(chǎn)混凝土,其中碎石二級(jí)配粒徑為5～20mm,表觀密度為2 650kg/m3;采用細(xì)度模數(shù)為2.5的Ⅱ區(qū)中砂,水泥為江蘇省鶴林生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為鎮(zhèn)江生產(chǎn)I級(jí)粉煤灰,拌合水來(lái)自泰州自來(lái)水廠,混凝土試驗(yàn)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(yùn)輸車(chē)在江邊進(jìn)行原位試驗(yàn)。

在原有配合比基礎(chǔ)上,試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)混凝土工作性能的影響,水下混凝土和易性試驗(yàn)參考DL/T 5720—2015《水工自密實(shí)混凝土技術(shù)規(guī)程》[16]測(cè)試混凝土流動(dòng)性與坍落擴(kuò)展度,本次試驗(yàn)通過(guò)混凝土在漏斗流出時(shí)間考察其流動(dòng)性,混凝土脫模后進(jìn)行鉆芯取樣,按DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[17]測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度,對(duì)其混凝土性能進(jìn)行分析。

3.1 水下自密實(shí)混凝土工作性能分析

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

漏斗流出時(shí)間隨著砂率的增大先減小而后略有增大趨勢(shì),在一定范圍內(nèi)砂率越大導(dǎo)致固體顆粒間的摩擦和碰撞減少,流動(dòng)性能改善,但隨著砂率的繼續(xù)增大,漿體含量一定時(shí)包裹骨料的漿體層厚度變小,潤(rùn)滑度下降,新拌混凝土的流動(dòng)性反而會(huì)受到影響。當(dāng)砂率達(dá)到52%時(shí),V形漏斗流出時(shí)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(fā)揮了良好的富漿效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)和滾珠潤(rùn)滑形態(tài)效應(yīng),使混凝土擴(kuò)展度得到較好改善。隨著粉煤灰摻量在10%～30%,貫入度出現(xiàn)微幅下降,混凝土穩(wěn)定性有所增加,當(dāng)粉煤灰摻量在30%時(shí),混凝土具有較好的工作性能,如圖2e所示。

3.2 水下自密實(shí)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

膠凝材料用量(380～520kg/m3)對(duì)混凝土力學(xué)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(qiáng)度出現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),添加膠凝材料后,混凝土強(qiáng)度均可滿足水下C40混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。整體而言,膠凝材料用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響并不顯著,56d抗壓強(qiáng)度均保持在60MPa以上。

圖3 混凝土力學(xué)性能分析

水膠比(0.34～0.42)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響如圖3b所示。隨水膠比增加,不同齡期混凝土強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì),水膠比越大,降低幅度越明顯,當(dāng)水膠比在0.34～0.38時(shí),混凝土強(qiáng)度的降低相對(duì)平緩,當(dāng)水膠比>0.38時(shí),混凝土強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)于水膠比0.34的混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低32%,23%,24%。水膠比在0.34～0.42時(shí),混凝土長(zhǎng)齡期強(qiáng)度均可滿足水下C40混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。

砂率(44%～54%)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響如圖3c所示,隨著砂率增加,不同齡期混凝土強(qiáng)度基本呈先增加后降低再略有增加趨勢(shì),砂率變化對(duì)混凝土強(qiáng)度影響最大為12%,整體而言,砂率變化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。砂率在0.44～0.54時(shí),混凝土長(zhǎng)齡期強(qiáng)度均可滿足C40混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。當(dāng)砂率為0.48時(shí),同一齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度最大,這可能與該砂率下自充填混凝土骨料達(dá)到緊密堆積的狀態(tài)有關(guān)。

粉煤灰摻量(0～40%)對(duì)混凝土力學(xué)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(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì),粉煤灰摻量越高,7d強(qiáng)度越低;隨著粉煤灰摻量增加,混凝土28d和56d齡期強(qiáng)度基本呈逐漸增加趨勢(shì)。早期強(qiáng)度的降低可能與粉煤灰早期活性未發(fā)揮有關(guān),隨著粉煤灰摻量增加,混凝土的早期強(qiáng)度降低;而28d和56d后期強(qiáng)度的提升與粉煤灰的二次火山灰效應(yīng)作用有關(guān)。混凝土中增黏劑含量較低,對(duì)混凝土強(qiáng)度基本無(wú)影響。

3.3 最終配合比推薦

根據(jù)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)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(duì)混凝土工作性能的影響相對(duì)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(duì)混凝土工作性能、穩(wěn)定性、力學(xué)性能和耐久性能的影響,沉井隔艙內(nèi)水下自密實(shí)混凝土最優(yōu)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(nèi)水下混凝土施工技術(shù)

4.1 施工整體布置

沉井隔艙內(nèi)水下混凝土澆筑時(shí),在沉井對(duì)角布置2艘混凝土攪拌船進(jìn)行混凝土生產(chǎn),同時(shí)布置2艘浮式起重機(jī)進(jìn)行輔助起重作業(yè),沉井頂部安裝4臺(tái)拖泵。混凝土攪拌船生產(chǎn)的混凝土通過(guò)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(jìn)行混凝土澆筑?；炷辽a(chǎn)過(guò)程中,在混凝土攪拌船左右進(jìn)行砂石補(bǔ)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(shè)備布置

4.2 沉井頂面布置

由攪拌船生產(chǎn)混凝土,通過(guò)攪拌船的布料桿供料至沉井頂面的拖泵,拖泵通過(guò)泵管泵送至沉井頂面的布料機(jī)進(jìn)行混凝土澆筑,4臺(tái)HGY24/3布料機(jī)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(jù)混凝土澆筑順序,布料機(jī)需在施工過(guò)程中挪動(dòng)1次,以覆蓋沉井頂面。

圖5 布料機(jī)布置

料斗分為3種類(lèi)型:集料斗、承料斗、補(bǔ)料斗。集料斗用于第1次水下混凝土澆筑時(shí),封口混凝土澆筑施工及后續(xù)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(bǔ)料斗進(jìn)行補(bǔ)料。

4.3 施工澆筑順序

沉井共有28個(gè)隔艙,分為A～E 5種類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)隔艙,形狀主要為十字形、土字形、工字形3種?？紤]井壁內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)基本為橫向布置,在水平方向?qū)炷亮鲃?dòng)限制少,按隔艙各導(dǎo)管覆蓋5m的距離范圍(混凝土流動(dòng)半徑≥4m),同時(shí)確保每個(gè)轉(zhuǎn)角內(nèi)設(shè)置1套導(dǎo)管的原則,對(duì)各隔艙導(dǎo)管進(jìn)行布置,每個(gè)隔艙最多布置7根導(dǎo)管。同時(shí),各導(dǎo)管間布置測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)隔艙混凝土澆筑高度,沉井隔艙類(lèi)型如圖6所示。

圖6 沉井隔艙類(lèi)型

按施工安排,2艘攪拌船供料,最少需同時(shí)對(duì)稱澆筑2個(gè)艙,其中1艘拌合船按照1號(hào)→2號(hào)→3號(hào)→4號(hào)→5號(hào)→6號(hào)→7號(hào)→8號(hào)→9號(hào)→10號(hào)→11號(hào)→12號(hào)→13號(hào)→14號(hào)隔艙的順序澆筑,另外一艘拌合船按1′號(hào)→2′號(hào)→3′號(hào)→4′號(hào)→5′號(hào)→6′號(hào)→7′號(hào)→8′號(hào)→9′號(hào)→10′號(hào)→11′號(hào)→12′號(hào)→13′號(hào)→ 14′號(hào)隔艙的順序澆筑(見(jiàn)圖7)。同時(shí),在澆筑過(guò)程中關(guān)注沉井姿態(tài)、應(yīng)力和撓度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)澆筑順序進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)混凝土流動(dòng)性試驗(yàn),研究水膠比、粉煤灰、砂率、增黏劑、膠凝材料用量對(duì)混凝土工作性能分析,當(dāng)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(shí),自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性能;在同等條件下,只有水膠比對(duì)混凝土材料抗壓強(qiáng)度有顯著影響,當(dāng)水膠比增加時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低。

2)在沉井隔艙內(nèi)澆筑普通水下混凝土前,首先用抗分散水下自密實(shí)混凝土進(jìn)行首封,可避免混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

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

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