橋梁墩柱置換混凝土的制備及應(yīng)用

楊 勇, 梁仕開

(保利長大工程有限公司, 廣州 510620)

隨著公路網(wǎng)的加密,在工程實踐中需對既有通車橋梁個別墩柱進行置換,以滿足新建或改擴建工程建設(shè)的需求。但在橋梁建成通車后,對運營中的橋梁置換,存在以下實際狀況:車輛載重且動荷載具有重復性、隨機性,橋面不平順,行車速度不同等諸多不確定性因素,因此,橋梁工程在車輛動荷載作用下比靜載工況下托換施工要求更高、風險更大[1-2]。卜建清、潘慧敏、習磊等[3-5]研究了車橋振動對新澆筑混凝土性能的影響,認為行車動荷載導致的車橋耦合振動對托換墩混凝土的強度及耐久性有一定影響,但未詳細介紹橋梁墩柱置換混凝土的制備方法及其工作性能。

本文以廣東中江高速改擴建工程在不中斷交通的情況下,對2個橋墩進行墩柱置換施工為例,對托換墩混凝土配合比進行了專門設(shè)計,通過增加膠凝材料的用量、提高混凝土砂率、摻加粉煤灰等措施,改善墩柱置換施工混凝土的工作性能,并通過試驗測試混凝土的施工性能和抗壓強度,以確保墩柱置換施工的工程質(zhì)量,供類似工程施工參考。

1 工程概況

深圳至岑溪高速公路中山新隆至江門龍灣段(簡稱中江高速)改擴建工程,起于中山市港口鎮(zhèn)新隆樞紐,接在建的南沙至中山高速公路,止于江門市新會區(qū)龍灣互通,接深圳至岑溪高速公路高速江門龍灣至共和段,全長40.046 km。中江高速于2005年底建成通車,現(xiàn)狀為雙向4車道,設(shè)計速度為100 km/h,擬改擴建為雙向8車道,設(shè)計速度為120 km/h。

四村立交為中江高速與江珠高速互通的T型樞紐立交,中江高速改擴建主線路基下穿四村立交C、E匝道橋,其中C匝道橋18#墩、E匝道橋12#墩位于擴建主線路基范圍,需對這2個橋墩進行改造置換,以讓出中江高速擴建主線路基的建設(shè)空間。對既有C18#、E12#橋墩采用大跨徑框架式橋墩跨越擴建主線路基的方案進行置換,因2個橋墩處均為連續(xù)箱梁交接墩,托換墩柱的承載能力及耐久性既要滿足既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全,又要滿足上部連續(xù)箱梁的伸縮需求,保證橋梁伸縮縫正常工作,橋墩置換施工還需盡可能降低既有橋梁施工風險和運營的影響。

現(xiàn)以四村立交E匝道12#墩為例,介紹墩柱置換的構(gòu)造設(shè)計和施工工藝流程。為了滿足擴建路基行車空間要求,E12#墩置換采用大跨徑隱形橫梁的框架式橋墩,即托換墩橫梁與上部箱梁固結(jié)為一體,以增加框架墩下方的凈空。E12#墩框架墩橫梁長34.0 m,高2.24 m～2.86 m,寬2.20 m,軸線距離4.26 m,凈距2.06 m,橋下凈空高6.20 m,如圖1所示。因托換墩橫梁與上部箱梁固結(jié),為了保留箱梁伸縮縫在該墩位置的伸縮功能,將原交接墩置換為2個單獨的框架墩,在框架墩橫梁與立柱之間設(shè)置智能測力可調(diào)高支座,利用支座的縱向位移實現(xiàn)橋梁伸縮縫功能。為了確保橋梁施工安全,降低橋墩置換施工對既有橋梁運營的影響,墩柱置換施工過程中,先保留橋梁既有的立柱,待新的托換墩施工完成后,再切除既有橋墩,完成體系轉(zhuǎn)換。

單位:cm

2 施工難點分析

1) 四村立交于2005年建成通車,橋梁結(jié)構(gòu)早已完成基礎(chǔ)沉降,混凝土收縮徐變以及混凝土表面已形成碳化層。墩柱置換后,新建托換墩豎向約束剛度降低,將出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降、大跨徑橫梁的撓度、結(jié)構(gòu)收縮徐變,導致新老混凝土界面粘接不足,出現(xiàn)脫開現(xiàn)象[6]。

2) 四村立交是中江高速、江珠高速樞紐互通,自通車以來,經(jīng)過長期發(fā)展,有較穩(wěn)定的交通通行需求,橋墩置換施工期間不得隨意中斷交通,行車動力荷載導致的車橋耦合振動對置換墩混凝土的強度及耐久性有一定影響,要求混凝土具有一定的抗擾動性。

3) E匝道設(shè)計為隱形橫梁結(jié)構(gòu),由于主梁為箱型空心結(jié)構(gòu)且已建設(shè)完成,托換墩橫梁與箱梁固結(jié)時,需將橫梁對應(yīng)寬度范圍的箱內(nèi)空心部分填塞成實心結(jié)構(gòu),同時因箱梁寬度達10.50 m,澆筑箱梁內(nèi)腔填塞混凝土及底板下方混凝土時,受空間所限,無法對混凝土進行振搗,因此混凝土需具有自密實的性能。

3 托換墩混凝土制備

3.1 原材料

1) 水泥:采用臺泥(貴港)P·II52.5R硅酸鹽水泥,經(jīng)檢測水泥標準稠度用水量為27%,初凝時間為145 min,終凝時間為190 min,3 d 抗壓強度30.9 MPa,28 d抗壓強度58.5 MPa,其余技術(shù)要求應(yīng)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)定。

2) 細集料:采用潔凈的天然中砂,其細度模數(shù)為2.78,含泥量為1.2%,泥塊含量為0.2%,無氯化物。

3) 粗骨料:采用堅硬耐久反擊破碎石,空隙率小于40%,壓碎指標值為6%,含泥量為0.6%,泥塊含量為0.2%,針片狀含量為3%,粗骨料采用中石、小石雙檔反擊式連續(xù)級配碎石,粒徑符合5 mm～20 mm連續(xù)級配,最大粒徑不應(yīng)超過25 mm[7]。

4) 摻合料:采用質(zhì)量穩(wěn)定、材料均勻的F類Ⅰ級灰粉煤灰,細度為10.4%,需水量比為92%,燒失量為2.99%,密度為2.38 g/cm3,三氧化硫為0.62%。

5) 減水劑:采用品質(zhì)穩(wěn)定聚羧酸緩凝型高性能減水劑,與膠凝材料具有良好相容性的產(chǎn)品。各性能指標經(jīng)檢測均應(yīng)符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2016)的規(guī)定;各種材料引入的氯離子總含量不應(yīng)超過《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)標準。研究認為,采用普通硅酸鹽水泥、摻加早強高性能聚羧酸減水劑,并輔以一定的交通導行措施,能夠解決新舊橋梁混凝土的連接問題,保證混凝土的連接質(zhì)量[8]。

6) 水:飲用水。

3.2 配合比設(shè)計

根據(jù)前述施工難點分析,混凝土需保證工作性能優(yōu)良、勻質(zhì)性好、適宜泵送和良好的抗裂性,同時還需具有良好的自密實性、低收縮及抗擾動性,配合比設(shè)計需兼顧混凝土強度與耐久性雙重要求,以達到性能良好、經(jīng)久耐用的效果。

托換墩橫梁混凝土設(shè)計強度C50,橫梁截面尺寸達到2.286 m×2.20 m。為了確?；炷凉ぷ餍阅芎土W性能,降低混凝土的水化熱,摻加粉煤灰代替部分水泥。為避免新老混凝土間收縮裂縫,托換墩橫梁混凝土需具有一定的補償收縮能力,其性能滿足《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 178—2009)規(guī)定[9],限制膨脹率為0.015%,摻入純纖維素纖維0.9 kg/m3。在保持水膠比、大小石摻配比例相同的情況下,通過試驗對比提高膠凝材料的用量和混凝土砂率、摻加粉煤灰對混凝土工作性能和力學性能的影響[10-12]。混凝土的配合比、工作性能及力學性能見表1～表3。

表1 混凝土配合比

由表2可知,3組試件的混凝土抗壓強度及彈性模量均滿足要求。由表3可知,3組試件混凝土的坍落度和擴展度中,2#、3#試件混凝土的流動性差,且拌合物黏稠,不滿足自密實混凝土的填充性要求,僅1#試件混凝土的坍落度和擴展度滿足填充性能要求[13],這表明增加膠凝材料的用量和提高混凝土砂率、摻加粉煤灰能有效改善混凝土的工作性能。

表2 混凝土強度及彈性模量對比

表3 混凝土性能對比

3.3 混凝土強度對比

為了解行車振動對混凝土強度的影響,按照上述1#試件的配合比制備混凝土,其中一半混凝土置于托換墩橫梁對應(yīng)位置的箱梁上現(xiàn)場養(yǎng)生,另一半按照標準條件養(yǎng)生,并分別取試件檢測混凝土24 h、36 h、48 h、72 h、7 d、28 d的抗壓強度,結(jié)果見表4。

表4 實測混凝土強度

由表4可見,現(xiàn)場養(yǎng)生試件強度比標準養(yǎng)生試件強度低2.5 MPa～2.9 MPa,強度差值在24 h時最大,為2.9 MPa,后續(xù)基本穩(wěn)定在2.5 MPa～2.8 MPa之間。行車振動對混凝土的強度發(fā)展有一定影響,致使混凝土強度損失2.5 MPa～2.9 MPa,特別是混凝土凝結(jié)硬化早期,影響混凝土的早期強度,待混凝土硬化后,行車振動對其強度影響不大,混凝土強度滿足設(shè)計要求。因此,在托換墩橫梁混凝土澆筑時,尤其在混凝土澆筑后的24 h內(nèi),應(yīng)盡量采取限行限速等措施,以減少行車振動對混凝土強度的不利影響。

4 工程實施

托換墩樁基及立柱施工完成后,搭設(shè)橫梁現(xiàn)澆支架,對支架進行預壓。根據(jù)高速公路運營信息,此路段21:00—06:00車輛較少。為此,在17:00時橫梁混凝土開始澆筑,約21:00時澆筑完成,此時間段即為混凝土初凝至終凝階段,通行的車輛較少。開始澆筑時天氣溫度為17 ℃,逐漸降低至13 ℃。

混凝土在拌合站集中拌制,經(jīng)運輸罐車運至施工現(xiàn)場,采用汽車泵泵送入模[14-15]。先澆筑既有箱梁的填芯部分,再澆筑橫梁外部混凝土。澆筑現(xiàn)場檢測混凝土的坍落擴展度、T500、入模溫度等指標。現(xiàn)場實測混凝土施工性能指標如下:混凝土初凝時間約為7 h,終凝時間8 h 40 min,實測混凝土坍落度230 mm,擴展度為710 mm,T500時間為7 s,離析率為9%。施工現(xiàn)場采取覆蓋灑水的方式進行養(yǎng)生。

分別回彈托換墩橫梁實體混凝土24 h、36 h、48 h、72 h、7 d、28 d的強度,結(jié)果見表5。

表5 橫梁混凝土回彈強度

由表5可見,實體回彈強度與現(xiàn)場同條件養(yǎng)生試件強度存在0.8 MPa～1.6 MPa的差額,經(jīng)分析,導致該強度差異的原因主要是施工振搗、混凝土布料不均勻、養(yǎng)生不到位等,但實體強度仍滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)場采用混凝土裂縫觀察儀,未發(fā)現(xiàn)有害的結(jié)構(gòu)性裂縫或新老混凝土結(jié)合面的脹縮裂縫。

5 結(jié)束語

中江高速擴建需對其2個橋墩進行置換,以讓出其主線路基擴建的建設(shè)空間。為了確保墩柱置換施工混凝土在不中斷交通工況下的工作性能和工程質(zhì)量,針對托換施工的難點及對混凝土工作性能的要求,對托換墩混凝土配合比進行了專門設(shè)計,通過增加膠凝材料的用量、提高混凝土砂率、摻加粉煤灰等措施,改善墩柱置換施工混凝土的工作性能,通過試驗測試混凝土的施工性能和抗壓強度,比選出墩柱托換施工混凝土的配合比,并應(yīng)用于實際工程,順利完成了橋梁墩柱的置換施工,工程質(zhì)量良好。通過工程實踐,總結(jié)出以下施工經(jīng)驗:

1) 在確?；炷翉姸燃皬椥阅Ａ繚M足要求的前提下,增加膠凝材料的用量、提高混凝土砂率、摻加粉煤灰可顯著改善混凝土的擴展度、流動性等工作性能。膠凝材料總量在530 kg、砂率在0.45、摻加30%比例粉煤灰的配合比,擴展度在750 mm～780 mm之間,坍落度滿足自密實混凝土的填充性能要求,工作性能最佳。

2) 行車振動對混凝土的早期強度發(fā)展有一定影響,會導致混凝土強度損失2.5 MPa～2.9 MPa,待混凝土硬化后,行車振動對其強度影響不大。據(jù)此,墩柱托換施工混凝土澆筑時,在混凝土澆筑后的24 h內(nèi),應(yīng)盡量采取限行限速等措施,減少行車振動對混凝土強度的不利影響。