高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究

【摘要】某懸索橋塔柱高達208 m，橋址交通不便，由此帶來混凝土泵送難度大和細骨料匱乏兩個難題。為解決上述問題，開展高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究。針對細骨料匱乏的問題，引入干濕結(jié)合的綜合制砂工藝，利用現(xiàn)有石材進行制砂。針對高塔混凝土泵送難度大的問題，通過外加劑試驗改善了混凝土的和易性，并完善了泵送澆筑工藝，從材料和施工層面解決了泵送難題。該懸索橋塔柱施工的順利完成，驗證了高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究的可靠性。

【關(guān)鍵詞】懸索橋； 高塔； 泵送； 混凝土； 和易性； 機制砂

【中圖分類號】U448.25A

0 引言

懸索橋以其跨越能力強、受力明確、造型美觀等優(yōu)勢在橋梁工程中應(yīng)用越來越廣泛［1-4］。橋塔作為懸索橋的關(guān)鍵受力部件［5］，其施工質(zhì)量與全橋安全性密切相關(guān)，因此在懸索橋建造過程中對塔柱施工提出了更高的要求。當塔柱高度較大時，混凝土泵送成為了制約塔柱澆筑質(zhì)量的一大難題。

當前在高塔混凝土泵送的既有研究中，何增榮［6］通過試驗研究了某特大橋C55泵送混凝土的最優(yōu)配合比。王娜娜等［7］針對某斜拉橋高塔混凝土的泵送要求，通過優(yōu)化設(shè)計，獲得了滿足該橋施工要求的混凝土材料。高原等［8］針對輕骨料混凝土泵送性能不足的問題，研發(fā)出了適用于泵送且力學性能良好的LC50混凝土，該種混凝土具有輕質(zhì)高強的特性。鐘招娣等［9］研究表明，針對橋址細骨料匱乏問題，充分利用已有石料進行機制砂生產(chǎn)是一個良好的解決方案。李雪強［10］采用摻合料和機制砂配置了適合泵送施工的混凝土，該混凝土泵送高度達到百米以上。上述既有研究表明，在高塔混凝土泵送中，混凝土材料的和易性和泵送施工工藝是關(guān)鍵點，值得重點研究；不同橋梁的具體情況不同，需要具體分析；試驗是研究混凝土材料性能的重要手段。

某懸索橋塔柱高達208 m，施工時混凝土泵送難度極大；此外該橋橋址位置交通不便，細骨料匱乏。為了解決上述問題，本文開展高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究。通過利用已有石料并引入干濕結(jié)合的綜合制砂工藝，解決了細骨料匱乏的問題。通過外加劑試驗改善了混凝土的和易性，使之更適用于高塔泵送。在此基礎(chǔ)上進一步完善了泵送施工工藝。通過本文高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究，該懸索橋塔柱施工得以安全順利進行并完成。本文研究可為同類高塔泵送施工提供參考。

1 工程概況

某懸索橋跨徑布置為（205+965+225）m，如圖1所示。中跨采用鋼桁梁，中跨主纜矢跨比為1/10，矢度96.5 m。塔柱高208 m，橫向內(nèi)側(cè)壁呈1∶41.20的坡度，外側(cè)壁呈1∶25.75的坡度；塔柱縱向外側(cè)壁呈1∶117.71的坡度。塔柱采用八邊形的箱型截面，主塔縱向塔頂寬6.5 m，塔底寬10.0 m；橫向塔頂寬5.0 m，塔底寬8.0 m。塔柱縱向壁厚上段為1.0 m，下段為1.2 m，在下橫梁處加厚至2.0 m；橫向壁厚上段為1.0 m，下段1.2 m，在下橫梁處加厚至1.7 m；在塔底2.0 m范圍內(nèi)設(shè)置實心段。

該懸索橋地處山區(qū)，主塔高達208 m，混凝土澆筑過程中的主要難點包括：（1）交通不便，運輸難度高，導(dǎo)致細骨料匱乏；（2）塔柱較高，泵送阻力極大，且堵管風險較高。針對上述難點，開展泵送混凝土材料及施工工藝研究。針對難點（1），決定引入機制砂生產(chǎn)工藝予以解決；針對難點（2），決定通過混凝土材料和泵送工藝優(yōu)化予以解決。通過本文研究，該懸索橋塔柱施工得以順利進行，且施工質(zhì)量得以保證。

2 機制砂生產(chǎn)工藝

為了解決該橋地處山區(qū)交通不便引發(fā)的細骨料匱乏的問題，決定就地取材，通過制砂機及其附屬設(shè)備對既有石料進行加工，生產(chǎn)出符合施工標準的優(yōu)質(zhì)砂。

2.1 干法制砂

機制砂生產(chǎn)分為干法制砂和濕法制砂。干法制砂指母巖在破碎、篩分和整形過程中基本無需用水，該方法制砂的優(yōu)點主要有：（1）成品細骨料含水率低；（2）制砂過程中可以最大程度地保留石粉，利于混凝土配置；（3）節(jié)約水資源，有利于環(huán)保。然而，干法制砂也存在諸如生產(chǎn)過程粉塵含量大和成品骨料雜質(zhì)含量高的缺點。

2.2 濕法制砂

濕法制砂指生產(chǎn)過程中用水沖洗，具有成品外觀優(yōu)質(zhì)和抑塵的優(yōu)點；然而對應(yīng)的缺點也相伴而生：（1）耗水量大，不利于環(huán)保；（2）冬季制砂可能會引發(fā)凍結(jié)；（3）無法保留石粉，不利于混凝土配置。

綜上所述，干法制砂和濕法制砂各有優(yōu)缺點，若能綜合使用這兩種方法，實現(xiàn)優(yōu)缺點互補，則可最大程度地保證制砂質(zhì)量并提高制砂效率。為此本文采用干濕結(jié)合的綜合制砂工藝。制砂完成后，通過檢查砂的細度模數(shù)、類別、顆粒級配、含泥量、石粉含量和含泥塊量、有害物質(zhì)、堅固性、表觀密度、松散堆積密度、空隙率、堿集料反應(yīng)、含水率和飽和面干吸水率等指標進行驗收，保質(zhì)保量地解決細骨料匱乏的問題。

3 混凝土材料優(yōu)化設(shè)計

塔柱施工過程中，既要保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又要保證混凝土順利泵送，因此泵送混凝土需要同時滿足強度和和易性的要求。為此本節(jié)通過外加劑和配合比試驗，實現(xiàn)混凝土的優(yōu)化設(shè)計，從材料層面解決混凝土泵送的問題。

3.1 外加劑試驗

混凝土外加劑指能夠有效改善混凝土性能的化學試劑，在混凝土配置過程中摻入，摻量一般不超過水泥質(zhì)量的5%。本文在混凝土配置中，引入抗泥劑、保坍劑和降粘劑，用以改善混凝土的和易性。

（1）在機制砂混凝土配置過程中，發(fā)現(xiàn)石粉和泥土會在一定程度上吸附減水劑，影響混凝土凝結(jié)時間和強度；為此引入抗泥劑，抗泥劑自帶的大量電荷可將石粉和泥土表面的電荷中和掉，從而降低石粉和泥土對減水劑的吸附，提高混凝土性能。

在抗泥劑的混凝土材料試驗中，制備除抗泥劑含量不同而其余參數(shù)均相同的混凝土材料，研究混凝土凝結(jié)時間和混凝土強度兩項指標隨抗泥劑含量的發(fā)展規(guī)律。凝結(jié)試驗結(jié)果見圖2，由圖可得，隨著抗泥劑用量提升，混凝土凝結(jié)時間逐漸延長，表明抗泥劑有利于保持混凝土的流動性，利于泵送。強度試驗結(jié)果見圖3，由圖可得，混凝土7 d和28 d強度隨抗泥劑的發(fā)展趨勢相似，均展現(xiàn)出了先增后減的規(guī)律，在抗泥劑含量為0.5%時強度最高。綜合凝結(jié)和強度試驗結(jié)果，將混凝土抗泥劑含量定為0.5%，這樣可同時保證混凝土強度和凝結(jié)時間。

（2）混凝土泵送過程中的堵管現(xiàn)象與其自身的坍落度損失有關(guān)，為此引入保坍劑。通過試驗研究保坍劑的保坍效果，該效果通過混凝土擴展度來體現(xiàn)，如圖4所示。由圖可得，應(yīng)用保坍劑后，混凝土擴展度得到了有效提升，當泵送高度為208 m（塔柱高度）時，保坍劑將混凝土擴展度提升了2.5倍，泵送效果極佳。

（3）降黏劑可有效降低混凝土黏度，進而降低混凝土與泵管壁之間的摩擦力，這有利于降低泵機的工作壓力，避免因泵壓不足帶來的堵管問題。本文通過試驗來量化降黏劑對泵壓的影響，試驗結(jié)果見圖5。由圖可得，應(yīng)用降黏劑之后，泵機的工作壓力明顯下降；當泵送高度為208 m（塔柱高度）時，降黏劑將泵壓降低了26.3%，效果顯著。

3.2 配合比設(shè)計

混凝土的水泥選用P.O42.5水泥，低水化熱，無早強特性。粗骨料選用粒形良好、質(zhì)地均勻堅固、線脹系數(shù)小的連續(xù)級配碎石，其最大粒徑不大于25 mm，含泥量不超過1%，骨料應(yīng)用前進行堿活性檢驗。細骨料采用機制砂，級配合理，質(zhì)地均勻堅固，吸水率低，空隙率小，其細度模數(shù)介于2.6～3.0之間，含泥量不超過2%。使用優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰作為摻合料。

在混凝土配合比初步設(shè)計完成后，進行材料性能試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，進一步調(diào)整各組分含量，對配合比進行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上再次進行材料性能試驗。如此反復(fù)優(yōu)化，直至混凝土材料性能達到最優(yōu)。最終配合比設(shè)計結(jié)果見表1。強度試驗結(jié)果表明，混凝土7 d抗壓強度為58.1 MPa，28 d抗壓強度為62.2 MPa，滿足C50混凝土的強度要求。

4 高塔泵送澆筑工藝

4.1 泵送設(shè)備檢查

混凝土在攪拌站配置完成后，通過運輸車運至現(xiàn)場。塔柱澆筑前，布置并檢查泵送設(shè)備：（1）采用HTB80的高壓地泵，根據(jù)“減少彎頭，泵距最短，彎頭不小于90°”的原則布置泵管，預(yù)埋固定套件將泵管固定在塔身上；（2）檢查眼鏡板與切割環(huán)之間的間隙是否超過1 mm，當間隙大于1 mm時，通過調(diào)整異形螺栓來縮小眼鏡板和切割環(huán)之間的間隙；（3）檢查混凝土活塞，若有磨損及時更換。

4.2 混凝土泵送落筑

泵送設(shè)備布置并檢查完成后，進行泵送澆筑，過程如下：（1）通水潤管，泵送砂漿使管壁漿體提前附著；（2）澆筑塔身，為防止塔身混凝土在澆筑過程中離析，控制混凝土自由傾落高度不超過2 m，出料口下方混凝土堆積高度不超過1 m，澆筑過程設(shè)置串筒；豎向分層澆筑，四周同步，防止爬模偏載，分層澆筑厚度控制在30 cm之內(nèi)；控制混凝土澆筑速度，盡量減少上下層新老混凝土的溫差和間歇時間，防止出現(xiàn)冷縫；（3）進行混凝土振搗，振搗棒移動距離不超過自身作用半徑的1.5倍，每點振搗時間20～30 s，以混凝土停止下沉、不冒氣泡、表面泛漿為度；（4）對塔柱混凝土進行養(yǎng)護，側(cè)面采用噴霧式養(yǎng)護劑，頂面覆蓋土工布，養(yǎng)護時間不小于14天。

塔柱拆模后混凝土表面平整、密實、施工縫整齊，外形輪廓清晰，線條直順，無翹曲現(xiàn)象，無蜂窩、麻面，驗證了本文高塔混凝土泵送澆筑工藝的可靠性。

5 結(jié)束語

某懸索橋橋址位于山區(qū)，交通不便，塔柱較高，由此帶來細骨料匱乏和高塔混凝土泵送澆筑難度高兩個問題。為了保證塔柱施工順利進行，開展材料及施工工藝研究。引入了干濕結(jié)合的機制砂生產(chǎn)工藝，保留了干法制砂和濕法制砂的優(yōu)點，高效解決了細骨料匱乏的問題。通過試驗確定了抗泥劑的最優(yōu)含量，量化了保坍劑和降黏劑對混凝土泵送性能的改善效果；提出了高塔混凝土的泵送澆筑工藝；分別從材料層面和施工層面解決了高塔混凝土泵送的難題。此外經(jīng)計算，通過機制砂生產(chǎn)、混凝土材料優(yōu)化和高塔泵送工藝研究，施工費用較原有計劃節(jié)約了103萬余元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。本文高塔泵送混凝土材料及施工工藝研究的思路及成果可為同類工程項目提供參考。

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