石武客运专线漯驻特大桥高性能混凝土施工工艺探讨

杨汉峰

(中交隧道工程局有限公司石武客运专线河南段项目部,河南驻马店 463000)

1 工程概况

石武客运专线(河南段)SWZQ-7标漯驻特大桥位于河南省漯河市和驻马店市之间,桥全长61.641km,设计为双线桥,线间距5.0m。桥址地下水发育。为了保证桥梁的使用寿命,设计要求全桥均采用高性能混凝土,全桥混凝土标准最低按照T1碳化环境设计。经对多处地下水及附近的地表水取样进行水质分析,并结合设计说明,特殊环境作用类别及等级主要表现为L1氯盐环境及H1化学侵蚀环境。桩基混凝土设计强度等级根据环境作用等级的差别有C30、C35、C403种不同强度等级,承台混凝土设计强度等级根据环境作用等级的差别有C30、C35、C403种不同强度等级,墩柱为C35高性能混凝土。对于氯盐和化学侵蚀环境下的结构物,除了设计提高混凝土的等级和耐久性指标要求以外,同时还采用混凝土外掺1kg/m3密实剂进一步增强混凝土的密实性。现结合漯驻特大桥高性能混凝土施工工艺和质量控制的实际经验,就如何搞好高性能混凝土施工质量控制做一探讨。

2 高性能混凝土的特点及施工质量控制目的

高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途要求,对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此,高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比,选用优质原材料,且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

与普通混凝土相比,高性能混凝土具有如下独特的性能。

(1)高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力,但不一定具有高强度,中、低强度亦可。

(2)高性能混凝土具有良好的工作性,混凝土拌和物应具有较高的流动性,混凝土在成型过程中不分层、不离析,易充满模型;泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。

(3)高性能混凝土的使用寿命长,对于一些特殊工程的特殊部位,控制结构设计的不是混凝土的强度,而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作100年以上,是高性能混凝土应用的主要目的。

(4)高性能混凝土具有较高的体积稳定性,即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热,硬化后期具有较小的收缩变形。

概括起来说,高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土,能最大限度地延长混凝土结构的使用年限,降低工程造价。

为了保证高性能混凝土的各种特性得以实现,加强高性能混凝土的质量控制变得尤为重要。对于高性能混凝土,它的生产和施工并不需要更特殊的工艺,不过在工艺的各环节中普通混凝土不敏感的因素,高性能混凝土却会很敏感,因而需要更严格地控制和管理。尤其在工地现场施工时,包括原材料的管理、配合比的试配和调整、搅拌、浇筑、振捣成型、拆模养护等问题,需要进一步的加强控制和重视。混凝土生产各环节关系如图1所示。

图1 混凝土生产各环节关系

3 高性能混凝土原材料选择和管理

高性能混凝土性能的变化与提高,主要是通过内部结构的改变,组成成分的化学机理优化来实现某些功能的高性能化,以满足工程需要。高性能混凝土必须是匀质混凝土,必须采用严格的施工工艺,采用优质材料配制。

优质的原材料是高性能混凝土性能得到提高的一个重要前提,对于高性能混凝土的所用组分,粉煤灰、外加剂、粗细集料的质量波动是相对容易产生的,将直接影响到高性能混凝土相关性能,在材料控制过程中,这些组分也就是材料选择和管理的重点。

在漯驻特大桥的混凝土配合比设计前,首先进行了大面积的料源调查,尤其是对粗细骨料的调查及检验,对料源的稳定性及规模提出要求,避免混凝土开始生产后因为原材料供应不足而随意变动料源。为了进一步提高混凝土的密实性,增强耐久性能,粗集料采用三级掺配,组合成5～31.5mm连续级配,保证了集料的良好级配,尽量减少骨料的孔隙率。由于外加剂对集料的含泥量很敏感,在细集料的选择上,完全采用水洗河砂,进场的河砂洁净无明显的杂质,细度模数在2.8～3.0。

外加剂的引入使得高性能混凝土得以实现,在低水胶比的情况下仍能有很好的工作性能。但高效减水剂对原材料非常敏感,在进行高性能混凝土的试配和使用前必须先掌握外加剂与水泥的相容性,以便保证高性能混凝土各项性能满足要求。

在各种材料常规检验合格后,对计划使用的材料委外检测,尤其保证耐久性指标的核查,确保所使用的材料各种指标符合标准要求。

原材料专人采购,专人管理,分别设置待检仓和合格仓,粗细集料仓设置棚盖。拌和站设置了砂、石筛洗机各1套,进场的砂、石在待检仓进行筛洗后进入合格仓。

各种材料进场时,材料管理人员和专职试验员一同进行初验,初验达到合格标准方可进入待检仓,并取有代表性的试样,进行严格的复检,确保材料质量符合相关标准要求并与配合比试配所用原材料的各检测指标相近。各种原材料要有明显的标牌,标明材料名称、品牌、批号、厂家、进场日期和检验状态以及将要使用的部位等主要信息,以免用错。

4 高性能混凝土的试配

混凝土是一种离散性较大的材料,对于高性能混凝土,其配制要求严格。高性能混凝土质量控制的最终目标是要得到质量均匀、流动性好、体积稳定、耐久、满足设计强度而且经济的混凝土。高性能混凝土受原材料和现场条件变动的影响很大,在任何情况下都能实现同一配合比很困难,在生产过程中需要大量试配。选择合理的混凝土组合材料,进行科学的配合比设计、试验,试配中所用原材料试样都应取自批量生产并在工程中使用的有代表性的材料。

在漯驻特大桥的配合比的试配工作中,通过调整矿物细掺料的掺配比例、外加剂掺量、外加剂组分、砂率等,进行正交优化设计。选配出了表1、表2常用配合比,经过现场施工的实际效果检验,所选择的配合比合理,混凝土的质量均匀,流动性能良好。桩基灌注顺利,由于混凝土的大流动性,使得承台、墩柱施工时大大减轻了振捣的劳动量,提高了浇筑效率,墩柱内实外美,明显减少了普通混凝土常见的蜂窝、“狗洞”等外观质量通病。

表1 漯驻特大桥桩基配合比

表2 漯驻特大桥承台、墩柱配合比

5 高性能混凝土的搅拌

漯驻特大桥的混凝土采用集中搅拌、集中供应。搅拌站完全按照大型商品混凝土站标准建设。集中搅拌站的建立借鉴了商品混凝土搅拌站的成熟经验,邀请北京京航大型商品混凝土站的技术人员给予建站设计及指导,并在生产过程中提供质量控制及流程管理的经验,为混凝土的生产质量提供了强有力的保障。

高性能混凝土性能的提高,主要是通过化学机理的作用来得以实现。因此在混凝土的生产过程中,主要要充分提高各组分的化学活性,进一步增强高性能混凝土的质量。为了提高高效减水剂的效率并减小坍落度损失,宜采用高效减水剂后掺法。高效减水剂是与水泥反应的,最后加入碎石可使水泥和高效减水剂充分混匀,有利于发挥高效减水剂的利用率,理想的喂料顺序如下:

尽管这种喂料顺序可以得到保证质量的拌和物,但结合拌和楼料斗设置的实际情况,因砂、碎石输送带为同一输送带,下料后一起输送进拌和仓,考虑能源的节约及拌和效率的实际需要,在实际施工中要做到上面所要求的喂料顺序难以接受,所以现场可以采用下面的搅拌流程。

为了保证高性能混凝土的拌和质量,最不可取的方法是将所有原材料一起倒进拌和仓内,并把高效减水剂溶在拌和水中一起加入。不理想的喂料和搅拌流程会影响拌和物的质量,同时会加速坍落度的损失。为了保证质量,就需在配制时提高性能指标,多用胶凝材料或外加剂,这势必会造成试配的困难或者不经济。

无论采用何种搅拌流程,都必须比搅拌普通混凝土延长搅拌时间,以使外加剂等各种组分材料均匀分布,充分发挥作用,否则会使拌和物不均匀而影响质量。搅拌时间的长短也将影响到混凝土抗压强度的稳定性。

6 高性能混凝土的浇筑和振捣

6.1 高性能混凝土浇筑

漯驻特大桥承台完全是大体积混凝土,施工便道靠近承台工作面,承台的浇筑面大,施工相对容易。为了保证混凝土的均匀性和浇筑的经济性,并提高浇筑效率,在承台的浇筑过程中,采用在斜对角布置2个滑槽,并增设移动的转角滑槽,保证能在浇筑面按照事先制定好的布料方案均匀布料,由中间向四周避免因布料不均而引起混凝土实体局部缺陷。混凝土浇筑过程中应严格控制浇筑厚度,一次摊铺厚度不宜大于500mm。

墩柱外观的好坏是评定墩柱施工质量的一个重要项目,为了保证墩柱质量内实外美,在控制好混凝土质量的同时,浇筑工艺是一个很重要的过程控制。尽管高性能混凝土的工作性良好,不易发生离析,但在浇筑过程中,也必须严格控制混凝土的自由下落的高度不超过2m,以确保混凝土不发生离散,保证混凝土的均匀性。

6.2 高性能混凝土振捣

高性能混凝土因流动性很高,易于流平和密实,故不需强力振捣,只需用低频振捣器振捣,且可加大振点间距,缩短振捣时间。混凝土浇筑按照要求均匀布好料后,用插入式振动器振捣,振捣时振捣棒与混凝土面垂直,操作时做到快插慢拔,上下抽动,差点均匀排列,逐点移动,按顺序进行,不得遗漏,使混凝土达到均匀密实状态。插入式振动器在每一插入点上振捣的时间,以混凝土水平面呈水平并出现水泥浆和不再出现气泡为准。在振捣过程中禁止使用振捣器拖拉混凝土来找平混凝土面,这样容易使混凝土发生严重离析。在振捣边缘混凝土时,振捣器距模板距离以50～100 mm为宜,不可过振、不可距模板太近或振到模板。这样可避免振捣过程因形成水压梯度使得混凝土中心的水向模板方向富集,导致混凝土表面出现流砂、水纹和麻面等影响外观质量的现象,同时混凝土实体表面水胶比增大强度降低,在混凝土硬化时发生失水收缩裂纹。

7 高性能混凝土的养护

由于高性能混凝土掺入了高效减水剂及大量的掺和料,混凝土的收缩控制变得尤为重要。

夏季施工,早期保水养护不足对混凝土强度发展和耐久性都有不利的影响。掺粉煤灰的混凝土比普通混凝土对温度和湿度更加敏感。高性能混凝土由于水胶比很低,不仅需要保持内部水分不蒸发,还要从环境中补充水,否则会增加不可逆的自干燥收缩,引起开裂,影响强度和耐久性。所以高性能混凝土的水养护至关重要,尤其是在早期。振捣完成后及时用篷布、塑料布等对混凝土暴露面进行紧密覆盖尽量减少暴露时间,防止水分蒸发。暴露面保护层混凝土初凝前,卷起覆盖物,用抹子搓压表面至少2遍,使之平整后再次覆盖,此时注意覆盖物不要直接接触混凝土表面,直至混凝土终凝为止。混凝土去除表面覆盖物或拆模后,对混凝土实体表面迅速进行覆盖,洒水养护避免拆模后因表面失水,引起实体内部水分向外迁移从而影响其强度硬化。因此,混凝土拆模后立即用不间断的洁净水喷淋养护或用高分子混凝土养护膜全面包裹进行养护。

冬季温度较低的季节施工时,混凝土养护期间采取保温措施,防止混凝土表面温度受环境影响(如暴晒、气温骤降等)而发生剧烈变化。养护期间,对结构构件进行温度监控,定时测定混凝土芯部温度、表面温度以及环境气温、相对湿度、风速等参数。

根据混凝土温度、环境参数变化情况及时调整养护制度,采取向预埋冷却管通冷却水或通过包裹墩身保温等措施,严格控制混凝土的内外温差,防止表面温度骤降产生大的温差,引起温度裂缝。

8 高性能混凝土质量波动

原材料质量的变异、工艺的差别和操作的因素,必然会引起混凝土质量的波动。质量控制就是要控制这种波动。影响混凝土质量波动的诸因素中,有的可以改变,有的则不能。原材料来源稳定,有先进的工艺设施和高素质的操作人员,都可减小混凝土质量波动,但即使完全来自同一工厂的优质产品,其本身的质量特征值也会在一定范围内波动。设备的误差也不可避免。也就是说,即使没有人为因素,产品质量的波动也会存在。控制得好的混凝土质量,波动幅度很小,反之,则波动很大。和许多其他产品一样,混凝土的质量波动符合正态分布规律。

宏观上,混凝土的质量波动分为以下3种。

(1)随机性波动—随机性波动是不可避免的,波动原因也是不可确定的。如果混凝土质量仅仅是随机性变化,那么其质量将在质量平均值附近波动。加强混凝土生产过程的管理,随机性波动的幅度将下降,即变异系数减小,标准差也减小。

(2)孤立性波动—孤立性变化是指单个质量点的突然上升或下降,其幅度明显大于随机性变化的幅度。一般来说,这类变化有可确定的原因。

(3)质量均值波动—这类波动有可确定的原因,同时也是质量控制技术需重点解决的变化形式。质量平均值发生变化的时刻称为变化点。找到变化点的位置有助于分析质量发生变化的原因,从而为调整混凝土的配合比提供依据。

在漯驻特大桥的施工中,为了保证高性能的混凝土质量满足设计及规范的要求,制定了严格的材料控制制度,从料源的选择到材料的进场管理严格控制,责任到人。混凝土的生产、施工工艺选择及控制、混凝土的养护等各环节都提出了很高的要求,做到细化每一个细节,每一道工序都落实到人。保证各种制度及措施落实到实处,尽量减少混凝土质量受波动的因素,也保证了质量的可追溯性。最终检验结果反映出混凝土的强度偏差小,电通量、抗裂性等耐久性指标抽检完全符合规范要求。

9 结语

通过加强对原材料的选择及管理、优化配合比的设计、采用先进的拌和设备及生产管理、采用科学的施工工艺,使得高性能混凝土施工质量控制取得了良好的效果。漯驻特大桥施工完成的结构物质量状况良好,桩基完整性检测Ⅰ类桩比例达到99%,墩柱内实外美,得到了业主及监理的好评。

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[2] TZ210—2005,铁路混凝土工程施工技术指南[S].

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[4] 周玉华,赵秀典,李 平.客运专线预制箱梁高性能混凝土质量控制技术[J].铁道标准设计,2008(8):63-66.

[5] CECS207:2006,高性能混凝土应用技术规程[S].