【摘 要】: 武漢天興洲公鐵兩用長江大橋3#主塔墩承臺長69.5 m, 寬39.8 m, 高6 m, 混凝土方量15 550 m3 ,屬超大體積混凝土施工。本文主要介紹了在大體積混凝土施工實踐中, 為降低水泥水化熱, 控制混凝土的內、表溫差, 避免混凝土產生裂紋, 而在混凝土原材料選擇、設計和優化施工配合比、冷卻水管及測溫元件布置、溫度監控及砼表面保溫、通水養護等方面采用的施工方法。
【關鍵詞】: 超大體積; 混凝土; 水化熱; 裂紋控制
【中圖分類號】: U445.55 + 9 【文獻標識碼】: B
【文章編號】: 1672 - 4011 (2008) 01 - 0148 - 04
1 引言
武漢天興洲公鐵兩用長江大橋總長度為9.3 km, 其中主橋長4 657 m, 主跨504 m, 是世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。該橋上層為6車道公路, 設計時速80公里, 下層為可并列四列火車的鐵道, 設計時速200公里。天興洲公鐵兩用長江大橋主橋為雙塔三索面三主桁斜拉橋, 主橋橋式布置為(98 + 196 + 504 + 196 + 98) m。3#墩為天興洲大橋主塔墩, 位于長江天興洲南汊主河槽中, 基礎為40根<3.40 m大直徑鉆孔灌注樁, 樁頂設置承臺, 承臺長65.3m, 寬39.8 m, 高6.0 m, 其平面設計為帶圓角的矩形, 四角的圓弧半徑為R = 2.9 m。承臺底標高+ 4 m, 承臺混凝土設計強度為C30, 混凝土方量15 550 m3 , 鋼筋1 604.2 t。
3#墩承臺在2005年底至2006年初的長江枯水位期間施工, 橋位處枯水期水位約+ 10 m。承臺采用雙壁鋼吊箱圍堰法施工, 圍堰平面為矩形, 輪廓尺寸為69.5 m ×44 m ×15 m, 壁厚2 m。圍堰在鉆孔樁施工期間作為鉆孔平臺, 承臺施工時將圍堰下放, 封底后作為擋水結構。考慮到封底混凝土的承載能力, 承臺施工分兩次進行, 第一次澆注2m, 混凝土方量5 183 m3 , 第二次澆注4 m, 混凝土方量10 367 m3。
2 承臺大體積混凝土施工的特點及難點
3#主塔墩為天興洲長江大橋的控制性工程, 承臺施工位于水面以下, 施工技術復雜, 更是3#主塔墩施工的重中之重。長江水位落差大, 水位上漲快, 故要求承臺施工必須在枯水期完成, 施工工期緊, 工序轉換快。
武漢天興洲長江大橋跨度大、承載重, 設計使用年限為100年, 質量標準高, 對混凝土的耐久性要求非常高,承臺混凝土內、表均不允許出現裂紋, 而承臺混凝土體積超大, 故對水泥水化熱的控制, 即對混凝土內、表溫差的控制, 防止混凝土表面出現裂紋是本工程最大的難點。
3 承臺施工前的準備工作
3.1 混凝土原材料和配合比的選擇
混凝土原材料選用原則: 優選材質, 提高普通混凝土的抗拉性能; 應用微膨脹外加劑, 改善混凝土的收縮性質;選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰, 提高混凝土的和易性, 減少水化熱。
(1) 水泥: 考慮普通水泥水化熱較高, 特別是應用到大體積混凝土中, 大量水泥水化熱不易散發, 在混凝土內部溫度過高, 與混凝土表面產生較大的溫度差, 使混凝土內部產生壓應力, 表面產生拉應力。當表面拉應力超過早期混凝土抗拉強度時就會產生溫度裂縫, 因此本工程采用水化熱比較低的華新P.O32.5礦渣硅酸鹽水泥, 通過摻加合適的外加劑可以改善混凝土的性能, 提高混凝土的抗滲能力。
(2) 粗骨料: 骨料在大體積混凝土中所占的比例一般為混凝土絕對體積的80% ～83% , 應選用膨脹系數小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。本工程采用陽新碎石, 粒徑5 mm～26.5 mm, 含泥量不大于0.7%。選用粒徑較大、級配良好的石子配制的混凝土, 和易性較好, 抗壓強度較高, 同時可以減少用水量及水泥用量, 從而使水泥水化熱減少, 降低混凝土溫升。
(3) 細骨料: 宜選用顆粒堅硬、級配良好、粒徑小于5 mm的天然潔凈中砂, 其細度模數2.3～3.0, 含泥量≤2.0% , 其中泥塊含量≤0.5%。本工程采用洞庭湖中砂,平均粒徑大于0.5 mm, 含泥量不大于2% , 選用平均粒徑較大的中砂拌制的混凝土比采用細砂拌制的混凝土可減少用水量10%左右, 同時相應減少水泥用量, 使水泥水化熱減少, 降低混凝土溫升, 并可減少混凝土收縮。
(4) 粉煤灰: 由于混凝土的澆筑方式為泵送, 且泵送距離約300 m, 為了改善混凝土的和易性便于泵送, 考慮摻加適量的粉煤灰。粉煤灰對降低水化熱、改善混凝土和易性有利, 本工程選用青源熱電優質的Ⅱ級粉煤灰。
(5) 外加劑: 在混凝土中摻用高效減水劑, 既減少水泥用量、降低水化熱, 又延緩混凝土初凝時間, 延緩水泥水化熱峰值出現的時間。本工程混凝土施工面積巨大, 對混凝土的初凝時間要求長, 選用平頂山神翔FDN - 800型緩凝高效減水劑, 外加劑的緩凝時間能滿足施工的要求,使混凝土拌合物的初凝時間達到20 h～30 h, 其減水率在15%以上, 且能良好地改善混凝土的和易性和工作性。
(6) 拌和用水采用長江水, 水質應符合TB10210 -2001的規定。
我們通過試配, 在9組配合比試驗中, 篩選出最優配合比如下表1, 配合比試驗數據如下表2。
注: 參照《鐵路混凝土結構耐久性設計與施工規范(討論稿) 》, 做混凝土抗裂性能對比試驗, 未發現裂紋,因此可判定該配合比的混凝土抗裂性能良好。
3.2 混凝土生產、運輸方案的選定
承臺體積龐大, 因此我們盡最大可能組織足夠資源進行混凝土施工, 施工采用灘地、水上混凝土兩個混凝土攪拌站同時泵送混凝土, 灘地混凝土工廠配備2 套獨立的HZS - 90型強制式混凝土生產設備, 實行全自動化生產,其設計生產能力為120 m3 /h, 生產的混凝土通過2臺HBT- 60C混凝土泵輸送到現場, 泵送距離約300 m; 水上混凝土工廠配備2套獨立的HZS - 90型強制式混凝土生產設備,實行全自動化生產, 其設計生產能力為120 m3 /h, 生產的混凝土通過2臺HBT - 80C混凝土泵輸送到現場, 泵送距離約80 m。本工程在冬季施工, 混凝土攪拌時間比在常溫時施工延長50%。
3.3 現場施工準備情況
(1) 基坑內積水、建筑垃圾已排除干凈。
(2) 承臺模板、鋼筋及預埋件施工完畢, 并報驗檢查合格。
(3) 管理人員、施工人員、后勤人員、保衛人員等晝夜排班, 堅守崗位, 各負其責, 混凝土灌注、養護所需的機具設備配備齊全, 保證混凝土連續澆灌的順利進行。
4 冷卻水管、測溫元件安裝
鑒于3#主塔墩承臺體積龐大, 為確保降溫措施切實有效, 我們委托湖北工業大學針對3#墩大體積混凝土水化熱進行了詳細的計算, 并根據計算結果進行冷卻水管的布置。
4.1 冷卻水管布置方法如下:
(1) 為減少混凝土內部水化熱, 降低混凝土內外溫差,避免混凝土開裂, 采取在混凝土內設冷卻水管通水降溫的措施。
(2) 冷卻水管網按照冷卻水由熱中心區域(承臺中間部位) 流向邊緣區的原則分層分區布置, 每層冷卻管的進、出水口相互錯開; 由于承臺混凝土規模龐大, 根據混凝土澆筑的施工順序, 冷卻管布置分為4段8個區域: 沿承臺長度方向分為4段, 每一段均分為2個區域, 每個區域內布置1套獨立的冷卻水管。
(3) 冷卻水管采用壁厚2.5 mm、直徑<42 mm的圓鋼管。承臺厚6 m, 沿承臺豎向布置6層水平冷卻水管網, 管網間垂直間距為1.0 m和0.75 m兩種, 頂層管網至承臺頂面距離為0.5 m, 底層管網至承臺底距離為0.75 m; 同一管網內水管間的水平間距為1.0 m, 最外層水管距離混凝土最近邊緣1.0 m左右; 管網的進出水口需垂直引出混凝土頂面0.5 m以上, 且出水口裝有調節流量的閥門和測流量裝置。同一層水管網的垂直進出水口要相互錯開至少1.0 ,不同層水管網的進出水口也應相互錯開至少1.0 m, 以便進行區分。
(4) 冷卻水管安裝時, 冷卻水管應與承臺主筋錯開,若錯開有困難, 可適當移動水管位置; 冷卻管應與鋼筋骨架或架立鋼筋綁扎牢靠, 以防水管在混凝土振搗過程中變形或接頭脫落。
(5) 冷卻管網安裝完成后, 冷卻管網應分區分層編號,每一層管網的進出水管均應編號登記; 將進出水管與總管、水泵接通, 每層每區域冷卻水管各自獨立供水, 進行通水試驗, 對接頭縫隙進行處理, 保證密封、通暢。
(6) 冷卻水管布置見圖1。
4.2 測溫元件布置
對大體積混凝土施工進行溫度測試和監控, 是為了掌握混凝土內部的最高溫升及中心部位與表面部位的溫度差,以便采取內部降溫、外部保溫蓄熱的技術措施, 降低并控制混凝土的內外溫差, 防止混凝土結構產生裂紋。
(1) 為準確測量、監控混凝土的內部溫度, 指導混凝土的通水養護, 確保大體積混凝土的施工質量, 我們在承臺混凝土內布置了溫度測量裝置。
(2) 混凝土的溫度測試是采用熱電偶作溫度傳感器,將其密封并牢固綁扎在承臺水平鋼筋上, 用電纜連接到多點數字顯示巡檢儀上, 逐次顯示各測點的溫度, 從而達到對混凝土進行溫度測試和監控的目的。
(3) 由于承臺的平面形狀是雙向對稱的, 冷卻水管也是對稱布置的, 考慮材料的節約和數據的可靠性、代表性,混凝土的溫度測試監控在1 /4平面內進行。
(4) 3#墩承臺測溫元件沿豎向布置2層, 第一層布置在標高+ 5.25 m平面處, 用于監測第一次承臺混凝土溫度,第二層布置在標高+ 8 m平面處, 用于監測第二次承臺混凝土溫度, 測溫元件的安裝一定要位于兩層冷卻水管之間的中部位置; 每一層布置13個測點, 分別位于縱橫2個方向的1 /8、1 /4、3 /8、1 /2這4個斷面上及承臺長邊1 /2斷面的側面, 大氣中布置一個測點, 并對測溫元件進行編號、登記, 測溫元件平面布置見圖2。
5 混凝土施工
5.1 3#墩承臺體積龐大, 澆筑前必須做好充分的準備工作。
(1) 混凝土澆筑前, 首先將基坑內的雜物、積水和鋼筋上的污垢清理干凈; 對模板、鋼筋、預埋件、冷卻水管網和測溫管進行詳細的檢查, 并作好記錄, 符合設計及規范要求后方可澆筑混凝土。
(2) 由于混凝土在低溫季節澆筑, 為減少混凝土輸送過程中的溫度損失, 混凝土輸送泵管全部用干草袋包裹保溫。
(3) 混凝土灌注時, 灘地、岸上共四臺泵向基坑輸送混凝土, 每臺泵在圍堰施工平臺上配置一臺HG15型手動布料機, 布料機設置在圍堰內支架頂面, 內支架頂距承臺基坑底高度11.7 m, 每臺布料機配置5套串筒, 每套串筒高度10 m。
(4) 混凝土澆筑采用從中間向上、下游方向全斷面逐步推進的方法, 因此, 在布料機輸送管出口處配置了8 m的軟管, 以方便移動。并將串筒按灌注順序擺放好, 在灌注混凝土的過程中依次倒用。
5.2 混凝土灌注
(1) 試驗員對生產出來的混凝土進行檢查監控, 按規范的要求進行坍落度試驗、制作混凝土試件, 并觀察混凝土的和易性, 符合要求才能使用。
(2) 混凝土澆筑采用斜向分層、從中間向兩邊全斷面逐步推進的方法進行施工, 澆筑過程中提前倒用串筒, 并盡可能加快混凝土的澆筑速度; 在澆筑混凝土時, 同步抽出圍堰相應位置雙壁隔艙內相應重量的水, 以減少圍堰的荷載, 確保圍堰的安全。
(3) 混凝土振搗采用B50振動棒和B70振動棒配合使用, 澆筑時應準備足夠數量的B50 振動棒和B70振動棒。承臺的水平鋼筋網尤其是底部水平鋼筋網鋼筋密集、鋼筋之間的空隙小, 混凝土不易流動、大的振搗棒插搗困難,在該部分振搗時采用B50振動棒; 水平鋼筋網之間的部分,鋼筋數量很少, 采用B70振動棒插搗。在振搗時, 要特別防止振動棒碰到冷卻水管, 以免冷卻水管變形或因接頭脫落而堵塞。
(4) 某一區域的冷卻水管被混凝土完全覆蓋后, 立刻將該區域的冷卻水管通水, 從而盡量減少新老混凝土的溫差, 防止混凝土開裂。
6 混凝土的養護與溫度控制
6.1 混凝土養護
混凝土澆筑完畢終凝后即開始養護。混凝土養護采用保溫蓄熱法: 由于氣溫低, 混凝土終凝后, 我們在混凝土表面覆蓋2層麻袋、2層塑料薄膜, 上下兩層麻袋相互錯開, 麻袋之間相互搭接, 這樣就隔絕了大氣與混凝土表面的直接接觸, 形成良好的保溫層, 并保持混凝土表面濕潤。
6.2 通水冷卻
(1) 某一區域內的冷卻水管被澆筑混凝土完全覆蓋并振搗完畢后, 立刻在該區域的冷卻水管中通水, 對混凝土進行降溫; 承臺混凝土通水冷卻時, 冷卻管排出的水全部引至圍堰外, 以保證圍堰的安全。
(2) 控制冷卻水的流量, 使進、出口水的溫差不大于6 ℃, 一般可控制在1.2 m3 /h～1.5 m3 /h。
6.3 測溫監控
(1) 測溫時間: 混凝土覆蓋某測溫點后該點即開始測溫, 承臺兩次混凝土測溫均為18天, 第18天時混凝土內、表溫度基本一致。
(2) 測溫頻率: 在溫度上升階段每2小時測一次, 溫度下降階段每4小時測一次, 溫度穩定階段每4小時測一次; 大氣溫度、進出冷卻水溫同時測量。
(3) 通過對測定的溫度數據進行計算、分析, 及時指導現場混凝土養護。一般通過調節冷卻水流量等方法來調控混凝土內部溫度, 特別是在降溫階段, 為防止混凝土降溫太快, 我們在溫度監測的過程中不定時地隔層停止冷卻水管的通水, 盡量使混凝土溫度降溫一天不超過2 ℃。
(4) 測定混凝土溫度上升的峰值及達到峰值所需的時間, 定期記錄冷卻水管進、出水口的水 溫, 繪制混凝土內部溫度變化曲線。我們對承臺大體積混凝土不同齡期的計算溫度(峰值) 和實測溫度(承臺中心測溫點) 進行了對比, 見圖3。從圖中可以看出承臺兩次澆注的混凝土內部實測溫度均低于計算值, 且根據實測溫度記錄, 承臺混凝土內、表溫差最大值為9℃, 冷卻水管進出水溫差最大值為6 ℃; 從上述可知,我們對承臺大體積混凝土的水化熱控制非常理想, 有效地防止了裂紋的產生。
7 結束語
武漢天興洲長江大橋3#主塔墩承臺施工, 在混凝土終凝、拆模、養護期結束及砼28天齡期等不同階段, 通過仔細檢查, 混凝土表面均未出現裂紋, 質量優良。通過武漢天興洲長江大橋3#主塔墩承臺施工實踐證明, 在超大體積混凝土施工過程中, 優選混凝土原材料, 科學設計和優化混凝土配合比, 依據計算的理論水化熱來合理布置冷卻水管、測溫元件, 施工時合理組織, 提高砼澆灌速度, 認真做好溫度監控及砼表面覆蓋、通水養護工作, 對控制大體積混凝土的內、表溫差, 避免混凝土裂紋的產生是行之有效的施工方法。
