真空輔助灌注技術(shù)+自密實(shí)無(wú)收縮混凝土在CFST拱橋中的應(yīng)用

蘇湘華，楊占峰

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530011)

1 引言

中國(guó)近20年來(lái)CFST(鋼管混凝土)拱橋發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，根據(jù)文獻(xiàn)[1]及后續(xù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年1月已有450余座。該橋型發(fā)展速度快，但相關(guān)的計(jì)算理論、施工規(guī)范并未跟上，直至2013年，住建部才發(fā)布了第一本國(guó)標(biāo)GB 50923-2013《CFST拱橋技術(shù)規(guī)范》。一些省份，如廣西，編制了地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充，但仍有一些技術(shù)問題未能解決。其中，制約該橋型進(jìn)一步發(fā)展的一項(xiàng)問題就是CFST脫黏問題。文獻(xiàn)[2-3]研究表明：CFST脫黏問題普遍存在在CFST拱橋中，一直是工程界的難題，對(duì)其極限承載力和耐久性影響較大。造成CFST脫黏的因素有許多，其中，施工和混凝土收縮是重要的原因。為解決脫黏問題，部分專家、學(xué)者提出了一些新的施工工藝和新材料，該文介紹真空輔助灌注技術(shù)及自密實(shí)無(wú)收縮混凝土在CFST拱橋中的應(yīng)用及其應(yīng)用效果，以驗(yàn)證上述新工藝、新材料的理論，為同類橋型施工提供借鑒。

2 工程概況

馬灘紅水河特大橋?yàn)橹鳂蚩鐝?36 m的中承式CFST拱橋，全長(zhǎng)553 m。大橋分左右兩幅橋，全寬達(dá)55.8 m，主體鋼結(jié)構(gòu)約14 000 t。主拱矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.167。拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面高7.0 m，拱腳截面高12 m，拱圈凈矢高80 m。主弦管直徑1.2 m，管內(nèi)灌C55混凝土，單管灌注混凝土約400 m3。大橋總體布置及橫斷面如圖1、2所示。

圖1 馬灘紅水河特大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 馬灘紅水河特大橋橫斷面圖(單位：cm)

拱肋管內(nèi)混凝土采用“兩岸對(duì)稱，從下往上，兩級(jí)接力連續(xù)泵送頂升”的方式灌注。全橋共16根主弦管，共需進(jìn)行16次灌注。首先，在拱腳和拱肋2/3高度處的弦管上開設(shè)進(jìn)漿孔，焊接進(jìn)漿閥門。然后，在兩岸拱腳處各布置兩臺(tái)80型混凝土輸送泵，將泵管沿拱背布置，連接到進(jìn)漿閥。施工時(shí)，兩岸各使用4臺(tái)罐車運(yùn)輸混凝土至泵機(jī)，用泵機(jī)連續(xù)向上壓注，直至混凝土到達(dá)拱頂，然后從拱頂排出浮漿。

3 真空輔助灌注技術(shù)應(yīng)用

CFST灌注時(shí)，由于混凝土含氣，其在向上壓注過(guò)程中不斷將內(nèi)部氣泡內(nèi)的氣體釋放出來(lái)，因此，會(huì)在其表面與鋼管壁之間形成氣囊，影響混凝土的密實(shí)性。另外，拱頂區(qū)段的弦管較平緩，管內(nèi)空氣易懸浮在鋼管頂部，混凝土在該區(qū)段不易將其擠出，也會(huì)在混凝土與鋼管壁間形成氣囊，影響CFST灌注的密實(shí)性。

為排除管內(nèi)空氣，馬灘紅水河特大橋拱肋CFST灌注時(shí)參考廣西地標(biāo)的要求，采用了真空輔助泵送頂升壓注技術(shù)。抽真空系統(tǒng)構(gòu)造如圖3所示。

圖3 抽真空系統(tǒng)布置示意圖

(1) 抽真空系統(tǒng)與拱肋弦管通過(guò)拱頂出漿管連接，連接管采用高壓軟管。

(2) 拱肋弦管與抽真空系統(tǒng)設(shè)一個(gè)閥門1，閥門設(shè)于出漿管或連接管的頂部。

(3) 真空泵與拱肋弦管之間設(shè)一個(gè)儲(chǔ)漿桶，桶的底部呈錐形，錐形底部設(shè)出漿管和閥門2。

(4) 真空泵和儲(chǔ)漿桶之間設(shè)真空檢測(cè)表和閥門3。

(5) 抽真空系統(tǒng)內(nèi)部以及與外部的各處連接應(yīng)保證牢固密封，不漏漿、不漏氣。

真空輔助灌注操作步驟：

(1) 首先，在拱頂用型鋼搭設(shè)施工平臺(tái)，將抽真空設(shè)備安裝在拱頂，并在拱肋鋼管的1/8、1/4、3/8及拱頂抽真空系統(tǒng)處設(shè)置真空表。進(jìn)行真空輔助灌注拱肋混凝土前，先提前進(jìn)行空鋼管試抽真空，檢驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及整個(gè)系統(tǒng)的密封性。

(2) 開始灌注后，當(dāng)混凝土埋過(guò)進(jìn)漿口2 m，確認(rèn)進(jìn)漿口不會(huì)漏氣后暫停灌注，啟動(dòng)真空泵將弦管內(nèi)空氣抽出，達(dá)到-0.08 MPa的真空度，然后繼續(xù)泵送第一級(jí)管內(nèi)混凝土。混凝土頂升過(guò)程中，每泵送完1車就記錄一次各點(diǎn)的真空讀數(shù)，隨時(shí)保持弦管內(nèi)真空度維持在-0.08 MPa左右。

(3) 第一級(jí)泵送混凝土面接近排漿口，先將負(fù)壓釋放，直至弦管內(nèi)恢復(fù)常壓狀態(tài)后，打開排漿口排出管內(nèi)浮漿。浮漿排完后，關(guān)閉出漿口閥門。當(dāng)?shù)谝患?jí)混凝土邊界面到達(dá)二級(jí)進(jìn)漿管下50 cm時(shí)，打開第二級(jí)進(jìn)漿管閥門，暫停第一級(jí)泵機(jī)，啟動(dòng)第二級(jí)泵機(jī)。直到混凝土邊界面高于第二級(jí)進(jìn)漿管2 m時(shí)，然后啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)，待真空度達(dá)到-0.075～-0.086 MPa(絕對(duì)真空現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法達(dá)到，多次試驗(yàn)表明，采用-0.08 MPa左右的真空度可實(shí)現(xiàn)灌注密實(shí)無(wú)氣囊)時(shí)，第二級(jí)泵機(jī)繼續(xù)泵送混凝土。期間，隨時(shí)保持弦管內(nèi)真空度維持在-0.08 MPa左右。

(4) 當(dāng)二級(jí)管內(nèi)混凝土泵送到拱頂，拱頂出漿管開始出漿時(shí)，將混凝土泵送至儲(chǔ)漿桶內(nèi)至少1.0 m3后，暫停二級(jí)泵機(jī)，緩慢打開空氣閥門，拆開真空系統(tǒng)與主弦管的連接，真空系統(tǒng)退出工作。然后泵機(jī)繼續(xù)泵送混凝土。卸除負(fù)壓時(shí)，人工用鐵錘敲擊出漿管，靠聲音辨識(shí)混凝土面在出漿管內(nèi)的位置，檢查混凝土是否有回落，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土面下降后，立即通知泵機(jī)再泵進(jìn)混凝土，使混凝土重新填滿出漿管，確保排漿管內(nèi)混凝土面不回落至鋼管內(nèi)，以防止空氣回流至鋼管。反復(fù)進(jìn)行上述操作，直至負(fù)壓卸載完畢。

(5) 真空系統(tǒng)退出后，二級(jí)泵機(jī)繼續(xù)泵送混凝土，拱頂出漿管不斷排出浮漿，當(dāng)管口浮漿排盡，出現(xiàn)良好混凝土后，暫停泵送，靜置10 min。然后泵送兩下，再靜置10 min。當(dāng)出漿管內(nèi)無(wú)明顯氣泡后，關(guān)閉二級(jí)進(jìn)漿管閥門，完成單條主弦管澆筑。

灌注過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員詳細(xì)記錄每泵送完1車混凝土后各處真空表的讀數(shù)，該文選取有代表性的一次真空度記錄(左幅上游內(nèi)側(cè)下弦管)進(jìn)行分析，具體如表1所示。

表1 真空度檢測(cè)記錄(南寧岸半拱數(shù)據(jù))

從表1可看出：CFST灌注過(guò)程中，管內(nèi)始終維持-0.08 MPa左右的負(fù)壓。馬灘紅水河特大橋共16根主弦管，均采用了真空輔助灌注。

4 自密實(shí)無(wú)收縮混凝土

為解決管內(nèi)混凝土間的脫空問題，大橋項(xiàng)目組研發(fā)了可控制可設(shè)計(jì)膨脹混凝土。原理是在混凝土中摻加CaO和MgO兩種新型膨脹劑，利用特制的CaO類膨脹組分實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度生成過(guò)程中的早期膨脹，利用高活性MgO類膨脹組分實(shí)現(xiàn)中期膨脹，利用低活性MgO膨脹組分實(shí)現(xiàn)后期膨脹，通過(guò)采用不同活性膨脹組分多元復(fù)合，實(shí)現(xiàn)硬化混凝土分階段、全過(guò)程的收縮抑制，達(dá)到無(wú)收縮的目的。

傳統(tǒng)補(bǔ)償收縮混凝土可補(bǔ)償一定的收縮量，JGJ/T 178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求28 d限制膨脹率為-0.01%，未能做到真正的無(wú)收縮。項(xiàng)目組參照該規(guī)程對(duì)自密實(shí)無(wú)收縮混凝土提出了更高的試驗(yàn)控制指標(biāo)，具體如表2所示。

表2 自密實(shí)無(wú)收縮混凝土體積變形控制指標(biāo)

為確保混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)的性能，使用磨圓整形的碎石作為混凝土骨料，以提高其工作性能及骨架密實(shí)性；使用優(yōu)質(zhì)的天然砂作為細(xì)集料；以及使用Ⅰ級(jí)粉煤灰和42.5級(jí)硅酸鹽水泥。

經(jīng)多次試驗(yàn)后，得出了混凝土的配合比，滿足上述指標(biāo)要求。項(xiàng)目組還進(jìn)行了1∶1的CFST收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)采用3根直徑1.2 m的鋼管，每根3 m高，分別進(jìn)行基準(zhǔn)(不摻膨脹劑)、單摻(摻1種膨脹劑)、雙摻(摻兩種膨脹劑)3種混凝土的收縮對(duì)比。在鋼管中心布置了徑向及軸向應(yīng)變計(jì)，測(cè)試其混凝土澆筑完成后的內(nèi)部溫度及變形歷程。采集了50 d的數(shù)據(jù)(圖4)，圖4顯示，雙摻混凝土的性能較優(yōu)，從灌注完成至50 d齡期一直呈微膨脹狀態(tài)，未發(fā)生收縮。

圖4 試驗(yàn)管混凝土軸向應(yīng)變歷程

采用雙摻混凝土進(jìn)行實(shí)橋灌注，配合比見表3。

表3 自密實(shí)無(wú)收縮混凝土配合比 kg

采用表3配合比，得到混凝土坍落度為180～220 mm，擴(kuò)展度為580～650 mm，工作性能良好，實(shí)橋灌注較成功。混凝土灌至拱頂，從出漿管排出后，浮漿也較少。

5 CFST成形效果檢測(cè)

由圖4可知：灌注完3 d，混凝土尚未開始收縮。在3 d齡期時(shí)采用敲擊法和超聲波對(duì)整條CFST的灌注密實(shí)性進(jìn)行檢查，各測(cè)區(qū)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4顯示，3 d齡期CFST灌注飽滿性好，填充密實(shí)，真空輔助灌注有效。

對(duì)28 d齡期的CFST采用超聲波法檢測(cè)其黏結(jié)情況，采集了聲速、波幅和波形等數(shù)據(jù)及圖形，各測(cè)區(qū)檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

同時(shí)，在拱頂弦管內(nèi)埋設(shè)兩個(gè)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行混凝土變形測(cè)定，從灌注完成開始，連續(xù)自動(dòng)測(cè)量和記錄，結(jié)果如圖5所示。

表4 CFST檢測(cè)結(jié)果(3 d齡期)

注：各測(cè)區(qū)波形均正常、清晰。

表5 左幅上游內(nèi)側(cè)下弦管CFST超聲波檢測(cè)結(jié)果(28 d齡期)

注：各測(cè)區(qū)波形均正常、清晰。

圖5 實(shí)橋混凝土鋼管內(nèi)中心混凝土軸向應(yīng)變歷程

從圖5可看出：混凝土的變形曲線在前3 d呈上升趨勢(shì)，而后下降，從第5 d開始呈平緩，但一直保持正應(yīng)變狀態(tài)，采用雙摻膨脹劑制作自密實(shí)無(wú)收縮混凝土是成功的。150 d齡期后，對(duì)部分聲速值低于4.5 km/s的部位進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。灌水檢查也無(wú)滲漏現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

要提高CFST的密實(shí)性，減少和杜絕混凝土與鋼管間的脫空現(xiàn)象，可先采用真空輔助灌注技術(shù)將混凝土灌滿，其次，使用自密實(shí)無(wú)收縮混凝土，使其在鋼管中不產(chǎn)生收縮。事實(shí)證明，上述新技術(shù)和新材料的聯(lián)合應(yīng)用可大幅提高CFST的質(zhì)量及耐久性，同時(shí)提高拱肋的極限承載力，這亦是CFST拱橋邁向更大跨徑的保障和途徑。