2×160m 系桿拱橋機制砂鋼管混凝土的制備及其施工工藝

林 建

（四川路橋橋梁工程有限責任公司，成都 610041）

1 工程概況

南充市下中壩嘉陵江大橋主橋設計為2×160m 下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，見圖1。主拱為橫啞鈴形桁式拱，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m＝1.167，矢跨比1／5。拱肋為鋼管混凝土桁式結構，截面全寬2.0 m，高度為3.6m。每片拱肋由4根Φ750mm×16mm 的鋼管組成，腹桿采用Φ325mm×12mm 的鋼管，主管內灌注C60微膨脹混凝土。由于當地天然砂資源較為緊缺，故采用機制砂全部替代天然砂以制備C60鋼管微膨脹混凝土。

2 總體施工方案

鋼管混凝土設計為C60微膨脹混凝土，按照兩跨對稱、均衡加載原則，兩跨同步對稱加載，每跨以拱頂分左、右半跨及上、下游同步對稱加載。全橋分兩次灌注，先連續灌注兩跨8根下弦管，待其強度達到設計強度的80%后再連續灌注兩跨8根上弦管，以控制拱肋變形。每次灌注時均按照先內側后外側的順序進行。

施工采用頂升法多點同步對稱泵送灌注，由兩跨上、下游8個拱腳處同步泵入混凝土，單根主管一次性頂升灌注，由拱頂處排漿。

3 C60鋼管微膨脹混凝土的制備與性能

3.1 鋼管微膨脹混凝土的配置技術要求

根據工程設計要求，鋼管核心混凝土應采用C60微膨脹自密實混凝土，需要具有和易性好、流動性高、不分層離析、坍落度經時損失小且緩凝等工作性能［1］。結合現場灌注特點及混凝土的生產能力、運輸時間、等待時間，并根據灌注時氣候條件等情況，要求混凝土初始塌落度達到220～230mm，經4h塌落度損失≤40mm，初始擴展度≥600mm，經4h擴展度損失≤200mm，初凝時間≥16h以上；混凝土配制強度不低于69.9 MPa，為了確保工期，要求混凝土5d強度≥80%配制強度；同時混凝土的膨脹率控制為：標準養護14d不超過2.0×10－4，28d混凝土膨脹率為1.8×10－4±0.1×10－4。

3.2 原材料的選擇與控制

經調查、試驗，工程選用的原材料品種及規格如下：

1）水泥：華鎣川煤水泥責任有限公司P.O42.5級水泥，性能指標見表1。

表1 水泥的主要性能指標

2）砂：南充小龍河壩機制砂，表觀密度2 637kg／m3；堆積密度1 511kg／m3；空隙率42.7%；細度模數2.85；石粉含量2.7%，符合《建筑用砂》（GB／T 14684—2001）［2］對C60混凝土用I類機制砂中石粉含量的限值要求；機制砂顆粒級配曲線如圖2所示。

與天然砂相比，機制砂具有顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、細度模數大、級配不良、需水量大等特性，需要減水率更高的外加劑以克服上述不足。但是，其固有的小于75μm 的石粉在混凝土體系中增加了粉料的含量，起到潤滑、增黏、填充的作用，可以使混凝土拌合物屈服值減小，增加塑性黏度，粗骨料在重力、浮力和砂漿黏性的作用下易保持受力平衡，能懸浮于水泥漿體中，使混凝土不易離析、泌水，免振搗施工效果更好。

3）碎石：南充文峰河壩5～10mm 和10～20mm 碎石；表觀密度2 659kg／m3；堆積密度1 510kg／m3；緊密空隙率43.2%；含泥量0.3%；針片狀含量1.2%；壓碎值3.1%，符合《公路橋涵施工技術規范》（JTG／T F50—2011）［3］的要求；碎石顆粒級配曲線如圖3所示。

4）減水劑——四川三三科技有限責任公司SSJS－緩凝型聚羧酸高性能減水劑，固含量30%，減水率25%；

5）膨脹劑——四川三三科技有限責任公司SS－CAS高性能混凝土膨脹劑，質量符合《混凝土膨脹劑》（JC 476—2001）［4］的要求；

6）粉煤灰——四川省旭陽水泥有限責任公司粉煤灰（Ⅰ級），需水量比93%；

7）硅粉——四川德昌新瑞環保科技有限公司，SiO2含量94%，比表面積20 000m2／kg。

3.3 試驗方法

混凝土拌合物性能采用初始坍落度、坍落擴展度及其經時變化進行評價，坍落度、坍落擴展度試驗按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB／T 50080—2002）［5］進行；力學性能測試依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081—2002）［6］進行，混凝土抗壓試件為邊長150mm 立方體試塊；混凝土自由膨脹率按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB／T 50082—2009）［7］進行測試，試件尺寸為100mm×100mm×515mm。

3.4 混凝土配合比設計與性能

3.4.1 膠凝材料組成和用量對混凝土的工作性能和力學性能的影響

采用上述原材料，進行C60鋼管微膨脹混凝土的配合比設計，混凝土配合比及性能如表2、表3所示：

表2 C60鋼管混凝土配合比 ／（kg·m－3）

從表3中看出，混凝土的力學強度隨膠凝材料用量的增加而提高；摻入硅粉后，隨著摻量的增多，混凝土的流動性和保坍效果變差，但抗壓強度提高明顯。綜合混凝土的工作性能、力學性能和經濟成本，優選編號3所示配合比。

表3 混凝土的工作性能與力學性能

3.4.2 砂率對混凝土的工作性能和力學性能的影響

考慮到機制砂顆粒粗糙、級配不良、需水量大，同時使混凝土增黏等特點，在編號3配合比的基礎上，對砂率進行調整，以得出最佳砂率，使混凝土的工作性能和力學性能進一步提升。

表4 C60鋼管微膨脹混凝土配合比 ／（kg·m－3）

表5顯示，采用機制砂配制的C60鋼管微膨脹混凝土，編號6～8的工作性能和力學性能各項指標均能滿足技術要求。隨機制砂砂率的增加，混凝土的自由膨脹率呈增大的趨勢，而彈性模量逐漸減小。從混凝土的流動性、保坍效果和抗壓強度來看，存在一個最佳砂率，即42%，使混凝土的工作性能和力學性能達到最優，故選定編號7所示配合比。

表5 混凝土的工作性能與力學性能

4 施工工藝

4.1 設備及現場布置

根據混凝土灌注方式、生產能力、運輸條件等，現場布置14臺60 型輸送泵，其中4 號墩2 臺，5 號墩4臺，6號墩2臺，2臺備用；由于5號墩泵送距離遠，另布置4臺接力泵分級泵送，確保輸送泵與鋼管泵送口的距離控制在20m 以內。每臺輸送泵由4輛混凝土灌車供料，現場同時布置4臺300kW 發電機備用。

4.2 混凝土灌注

4.2.1 灌注順序

按照兩跨對稱與均衡加載的原則，結合現場實際情況，全橋共分兩次灌注，第一次灌注兩跨下弦內側鋼管、外側鋼管，第二次灌注兩跨下弦內側鋼管、外側鋼管，見圖4。

4.2.2 灌注流程

施工準備→泵送砂漿→泵送混凝土→封堵排氣孔→關閉泵送口閘閥→現場清理、養護。

4.2.3 準備工作

1）布置泵送口及輸送管道

泵送口開設在鋼管拱腳處外側，采用輸送管與拱肋鋼管焊接形成，夾角為30°，根據相貫線用氣割開口，并將割下的鋼管母材保存好，待混凝土灌注完成并達到強度后對開口進行焊補。

2）布置排氣孔、振搗孔、出漿口

排氣孔設置在距跨中23m 及47m 處，采用Φ20mm 鋼管向上接出，泵送出漿后采用木楔堵塞。

振搗孔在拱頂隔板兩側分別設置，以確保拱頂處混凝土的密實，為了有利于混凝土灌注過程中氣體更好地排出，并防止混凝土溢出污染鋼管，灌注時在每一個振搗孔上方用塑料管接高1.5m。

出漿口布置在拱頂兩側，用Φ120mm 鋼管接出，高度為1.5m。排氣孔、出漿口外接鋼管均在管內混凝土達到設計強度后割除，并用開孔時割下的原材進行焊補封堵。

3）鋼管內沖洗

每根鋼管灌注前，由拱頂振搗孔的鋼管內注入清水以清洗鋼管內部，清洗后的水及銹渣由拱腳處開孔排出。

4.2.4 混凝土灌注

1）灌注時間

由于施工處于夏季，混凝土灌注時間選擇在19：00～05：00進行，一方面可避免混凝土塌落度損失過大，利于混凝土在管內的頂升，同時也可以使混凝土粗細骨料溫度得到降低，避免日間太陽曝曬；另外一方面可避開白天交通及用電高峰期，有利于保證混凝土運輸的暢通，縮短運輸時間，確保單次灌注能在混凝土初凝前完成。

2）泵送砂漿

每次泵送混凝土前，每臺輸送泵先泵送0.5～1m3水泥砂漿，水泥砂漿采用與灌注混凝土相同的膠砂比進行拌制。

3）泵送混凝土

現場建立泵送指揮小組及質量控制小組，對施工全程進行指揮、控制，確保單根鋼管混凝土一次連續灌注完成，一根鋼管混凝土灌注時間控制在最先灌注混凝土的初凝時間以內。灌注時采用計算泵入混凝土數量及敲擊鋼管的方法確定灌注進度，將鋼管間灌注進度差控制在2m 以內。

當混凝土到達拱頂振搗孔后，暫停混凝土泵送，采用插入式振搗器進行振搗，排出殘留空氣后繼續慢速泵送混凝土，直至出漿口排出與泵入時相同的混凝土后，暫停泵送并保持壓力，將振搗孔焊補封閉，然后再間歇泵送一次，以保證拱頂處混凝土密實，隨后關閉泵入口閘閥，等待5min后若無異常情況結束灌注。單次灌注完成后，及時用清水將鋼管上殘留的混凝土沖洗干凈。

4.3 測量與監控

現場每臺輸送泵均安排專人負責記錄灌注混凝土數量，并及時相互溝通聯系，確保灌注速度相近。

灌注過程中用全站儀全程監測拱軸線的偏位及標高變化情況，與監控單位提供的各工況變形值進行比較，若發現異常，及時報告設計、監控及監理人員，待核實處理后方可繼續灌注。

每次灌注留取抗壓試件11組，以獲得3d、5d、7d、28d的混凝土試件抗壓強度值。

4.4 混凝土養護

由于施工期間正值夏季，為避免高溫對鋼管混凝土產生不利影響，養護采取覆蓋與噴淋結合的方法。混凝土灌注完成后，在鋼管上部覆蓋并捆綁土工布，用水泵抽水不間斷噴淋，養護時間不少于7d。

4.5 質量檢查及處理

重點對混凝土填充度進行檢測，采用錘擊敲打、鉆小孔取樣及超聲波無損檢測相結合的方法進行，對灌注不密實的地方采用鉆孔壓漿法進行處理。

表6 鋼管拱肋混凝土澆筑實測項目

5 實施效果

全橋鋼管混凝土約1 150m3，于2012年5月1日進行第一次灌注，5月6日灌注第二次，每次灌注時間在10h左右，均為一次性灌注完成，兩次灌注間隔時間為5d。灌注過程中，橋軸線偏位及拱肋變形值均符合設計要求。兩次灌注共留取混凝土試件16組，全部有效，其5d強度達到85%，28d的抗壓強度平均值為72.8 MPa，強度標準差3.6 MPa，強度評定合格。

通過第三方檢測單位采用敲擊、鉆孔及超聲波檢測，重點針對拱頂位置，發現個別部位存在微小脫空，經壓漿處理后滿足設計及規范要求，整體質量良好。

6 結語

南充市下中壩嘉陵江大橋拱肋采用機制砂制備的鋼管C60微膨脹混凝土具有流動性好、保塑，補償收縮，早強等特點，灌注均勻密實，質量滿足設計及規范要求。目前該橋已順利通車運行，通過監控及檢測單位反饋的各項數據表明，鋼管混凝土的實施效果達到了預期值，其工藝和技術可為同類型橋梁的施工提供借鑒和參考。

［1］胡曙光，丁慶軍.鋼管混凝土［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］GB／T 14684—2001，建設用砂［S］.北京：中國標準出版社.

［3］JTG／T F50—2011，公路橋涵施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社.

［4］JC 476—2001，混凝土膨脹劑［S］.北京：中國標準出版社.

［5］GB／T 50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業出版社.

［6］GB／T 50081－2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業出版社.

［7］GB／T 50082－2009，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法［S］.北京：中國建筑工業出版社.