钢管拱高性能混凝土施工技术及质量控制探讨

麻莲芳

摘要：钢管拱高性能混凝土施工条件复杂，对施工工艺要求高，施工质量控制难度大，是整个桥梁工程施工中的一道关键工序。文章结合工程实例，探讨了钢管拱高性能混凝土施工技术及质量控制措施。

钢管拱;高性能混凝土;施工技术;质量控制

0 引言

随着我国交通基础设施建设日益增加，钢管混凝土拱桥在大跨度桥梁中的应用越来越广泛。对钢管混凝土拱桥而言，钢管拱是大桥最主要的受力部件，其拱内高性能混凝土质量直接影响拱的受力状况，因此钢管拱高性能混凝土施工是整个拱桥施工技术的核心之一。由于钢管拱高性能混凝土施工条件复杂，对施工工艺要求高，施工质量控制难度大，施工过程中容易产生离析、空隙、空鼓或鋼管胀裂等质量通病，直接影响桥梁工程的整体性能和使用寿命。因此，在钢管拱高性能混凝土施工中，要提高施工工艺，采取相应的措施，加强高性能混凝土施工质量控制，确保施工安全和施工质量，以保证桥梁工程的顺利施工。

1 工程概况

六景郁江大桥主桥为跨径265m钢管混凝土下承式系杆拱桥，计算矢高为58.889m，计算矢跨比为1/4.5，拱轴系数m=1.352，拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构，由4根1000mm×（20～28）mm变厚度钢管组成，截面高6.0m，宽2.8m。拱肋采用Q345C钢材，全桥共分10个节段，单根拱肋弦杆第1节段上、下弦杆采用1000mm×28mm钢管，第2节段上弦杆采用1000mm×22mm钢管，下弦杆采用1000mm×24mm钢管;其余节段上、下弦杆均采用1000mm×20mm钢管。拱肋弦杆间横向通过平联钢管连接，平联吊点处采用610mm×16mm钢管，非吊点处平联采用610mm×12mm钢管。全桥主拱肋的主弦管、吊杆处横联及弦管接头管内要求灌注C55微膨胀自密实高性能混凝土。设计C55微膨胀自密实高性能混凝土共计1671m3。其桥型布置图如下页图1所示。

为使钢管拱混凝土在施工时不因其性能不满足要求而影响施工，保证钢管拱混凝土施工质量，对钢管拱混凝土施工进行控制是很有必要的。

2 施工技术及质量控制要点

2.1 施工工艺流程

本桥主拱肋的主弦管灌注采用真空辅助灌注法工艺，混凝土以泵压法自拱脚向拱顶灌注，灌注前后应分不同阶段张拉顶层临时系杆。吊杆处平联钢管管内混凝土采用人工灌注方法施工。本桥拱肋混凝土分为四次灌注，第1次灌注外侧上弦管，第2次灌注内侧上弦管，第3次灌注外侧下弦管，第4次灌注内侧下弦管。每次灌注施工完成后，主弦管管内混凝土强度需要达到80%以上，龄期超过3d，方进行下一次混凝土灌注施工。钢管拱混凝土灌注施工工艺流程为：准备工作（C55混凝土配合比确定、材料及设备准备）→安装进料管、排浆管和真空辅助系统→布设输送管，进行设备调试检查→泵送清水冲洗钢管→泵送高标号砂浆和砂浆湿润输送管→对称泵送C55微膨胀自密实高性能混凝土→真空系统退出工作，拱顶出浆管冒混凝土并稳压后，关闭止回阀→清洗输送泵、管→人工浇注法灌注吊杆处平联钢管混凝土→清洗泵车、漏斗→各灌注孔、排浆孔补焊。

2.2 钢管拱混凝土配合比设计

2.2.1 混凝土技术要求

为保证混凝土能充满钢管且密实，本桥配制的钢管拱混凝土必须具有早强、缓凝、低泡、高流态、微膨胀等性能，混凝土含气量<2.5%，初凝时间≥12h，入泵时坍落度范围为20～23cm，扩展度宜控制为50～65cm，T500时间宜控制为5～20s，3h坍落度无损失，5h坍落度损失<3cm。混凝土7d标养限制膨胀率≥0.025%，28d干收缩率≤0.03%，28d强度>65MPa，7d抗压强度>53MPa。

2.2.2 配合比设计路线

（1）本桥钢管拱混凝土配合比设计除力学性和耐久性的要求外，由于钢管拱混凝土施工方法的特殊性，在设计时更多考虑的是混凝土拌和物性能控制。配合比试验时拌和物性能主要是控制混凝土扩展度大、黏滞性小、不离析、不泌水，不同时间的经时性变化小并进行多次试验加以验证。

（2）根据混凝土技术要求，选用低水化热、低碱含量、品质稳定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。杜绝使用早强水泥和高C3A含量水泥，避免水化热过高过快释放，缩短混凝土缓凝时间和避免混凝土温度徐变而脱空。

（3）选用优质稳定的粉煤灰和磨细矿渣粉或其复合矿物掺合料。矿物掺合料是提高高性能混凝土耐久性不可或缺的组分，混凝土中掺入活性矿物掺合料能改变与集料界面的粘结力，同时增加混凝土的密实性，从而改善混凝土的耐久性。

（4）选择洁净、级配良好、颗粒形状良好的集料。提出集料技术参数要求，根据技术参数从源头控制，保证集料的性能符合要求。优质集料吸水率低，拌制的混凝土拌和物性能良好。

（5）比选优质膨胀剂，确保碱含量低，且其他物理参数满足要求。优质膨胀剂在混凝土中的掺入，除改善混凝土的施工性外，还能提高混凝土耐久性，主要是防止钢管拱混凝土施工后多方因素导致脱空现象发生。

2.2.3 原材料的选用

（1）水泥。本桥采用广西鱼峰水泥集团生产的鱼峰牌P·Ⅱ42.5普通硅酸盐水泥。

（2）粗骨料。宜采用连续级配或2个以上单粒径级配混合使用，最大公称粒径≤20mm。粗骨料的针片状含量、含泥量及泥块含量分别≤8%、1%和0.5%。粗骨料的压碎值应≤10%，母岩的抗压强度应大于混凝土设计强度的150%。粗骨料的堆积空隙率宜≤45%。本桥采用贵港市覃塘树建石场5～25mm连续级配碎石。

（3）细骨料。本桥采用合浦沙场产的中砂。

（4）粉煤灰。应采用Ⅱ级以上，不宜掺入磨细灰、脱硫灰、脱硝灰、煤矸石灰，其性能指标应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596）的要求。强度C50以上宜选用Ⅰ级粉煤灰，避免采用高钙灰。本桥采用广西华天能Ⅰ级粉煤灰。

（5）外加剂。应选用聚羧酸高性能减水剂，本桥采用雨润外加剂。

（6）矿粉。应采用S95以上，其比表面积宜≤450m2/kg，相关性能应符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046）的要求。本桥采用柳州市S95级矿渣粉。

（7）膨胀剂。钢管拱混凝土选用的膨胀剂应膨胀能大、掺量低，既达到设计要求的膨胀值，又基本不降低混凝土的抗压强度，并在限制条件下可提高混凝土的抗压强度。本桥膨胀剂采用苏博特膨胀剂。

2.2.4 配合比确定

经多次试验验证，确定本桥C55微膨胀自密实高性能混凝土配合比如表1所示。所配制的C55自密实微膨胀混凝土具有优良的工作性，混凝土表面无泌水线，无大气泡，具有流动度大、无离析、色差小、粘聚性好等特点，满足了本桥钢管拱混凝土施工中采用真空辅助灌注法的技术要求。

2.3 钢管拱混凝土灌注施工

2.3.1 泵送设备的配置

（1）拌和站设备及罐车。拌和站配备两台HZS75型拌和设备，保证每小时供料最少60m3。配备两台高压水枪，以便混凝土从出浆孔冒出后，随即清洗拱身。配备12台罐车，其中柳州岸6台，南宁岸8台。

（2）输送泵。为了降低钢管拱混凝土灌注施工的泵送高度，本项目决定采用二次接力的方式，将工作输送泵安设在最靠近拱座主墩的横梁上，混凝土通过天泵输送到该处的输送泵内。配备3台输送泵，南宁岸和柳州岸各1台，备用1台。输送泵选用三一重工HBT80C-1818D-Ⅲ型拖泵，输送泵的系统泵压一般在8MPa左右，不能超过16MPa，防止爆管。配备两台天泵，南宁岸和柳州岸各1台。

（3）真空泵。选用两台淄博产2BEA-252水环式真空泵。抽水机进场4台，扬程200m。

2.3.2 安装进料管、排浆管和真空辅助系统

（1）单根拱肋钢管半跨设1处进料支管，进料管与主拱钢管焊接并加劲处理，进料支管与拱肋钢管轴线夹角<30°，进料支管至钢管底部高差<3m，支管材质、管径与输送管相同（125mm）。单根拱肋钢管半跨设1个排浆孔，在拱顶设置排浆管，排浆管及排浆孔直径为200mm，排浆管高度为150cm。

（2）安装真空辅助系统。将水环式真空泵及储浆桶（容量≥3m3）吊至拱顶合适位置固定，用高压软管连接真空泵、储浆桶和排浆口。在拱肋钢管L/8、L/4、拱顶处和储浆筒上设置带有气体阀门的真空表，在混凝土泵送前进行抽真空试验，检查压注口、排浆口、排浆管等的密封性。

2.3.3 布设输送管

本桥输送管采用直径为125mm的高压管，在压注孔的位置及管道线路上，应设置足够的支点和悬挂点，不可悬空，保证管道的稳固性，并尽量减少弯头。对接时，接头胶垫圈位置准确，联结卡箍及螺栓安装正确并上紧，以确保管节接口严密，杜绝混凝土顶升过程中发生脱管现象。输送管安装好后，禁止人员在管道上行走。

2.3.4 拱肋混凝土灌注

（1）泵送清水。在拱顶安装高扬程抽水机，将大量清水从拱顶注入主弦管内部，冲洗钢管内的废渣及锈迹。清洗完后用电焊封闭排渣孔。抽水机共设4台，上下游各两台。

（2）泵送水泥和高标号砂浆。泵送混凝土之前，先断开泵管与阀门的连接，然后泵送1m3水泥浆和2m3同标号砂浆，同标号水泥砂浆采用与C55钢管拱混凝土中相同的胶砂比及水胶比进行拌制，注意砂浆不得进入钢管拱内。

（3）泵送C55混凝土，启动真空系统。启动输送泵机，先灌注进料口至拱脚截面间的混凝土，然后泵送进料口至拱顶混凝土。待混凝土边界面距离进浆管5m高的位置时，暂停输送泵机，启动真空泵抽真空，待真空度达到-0.08～-0.06MPa并保持稳定时，再启动输送泵机，继续泵送管内混凝土。

（4）真空系统退出工作。混凝土泵送至拱顶后，保持连续泵送，将混凝土泵送至储浆桶内至少1m3后，暂停真空泵机，缓慢打开空气阀门，待储浆桶内恢复大气压后，停止混凝土泵送。

（5）清洗设备，进入下一条主弦管灌注施工。清洗、拆除输送泵管，进入下一条主弦管灌注施工。下一条主弦管灌注施工参照上一条施工进行。下一条主弦管灌注施工完成后，再次清洗、拆除输送泵管。

2.3.5 拱肋混凝土灌注施工控制

（1）混凝土灌注时间根据混凝土配合比的技术要求并结合气温高的特点，一般应选择一天中温度较低时进行。因为经过一个晚上的时间，钢管拱肋的温度得到降低，有利于混凝土在管内的运动，避免混凝土坍落导致损失过大，同时也可以使拌和混凝土所用的粗细骨料的温度得到降低。

（2）混凝土在泵送过程中，专人指挥并协调好输送泵的泵送速度，混凝土泵入同根钢管内两端顶面高差≤3m，基本上保证每台泵的进料数量相近，当个别输送泵泵送速度较快时，可适当放慢，等待其他泵同步后再继续加力，防止钢管拱形变超出设计要求。

（3）混凝土泵送过程中，应维持钢管内真空度在-0.08～-0.06MPa范围内。当混凝土泵送至钢管法兰接头附件或者拱顶段时，宜维持真空度在-0.08～-0.07MPa范围内。泵送混凝土面接近真空表时，应及时关闭空气阀门，拆除真空表。

2.3.6 吊杆处平联钢管混凝土灌注

吊杆处平联钢管内混凝土浇筑采用水平人工浇筑，在杆件上开孔，连接入浆管和出浆管。然后采用工作索吊运盛装混凝土的浆斗，人工放浆，混凝土经过入浆管进入管内，再采用插入式振捣器振捣，使混凝土振捣密实。待混凝土达到一定强度后，再割除入浆管和出浆管，补平孔口。

2.3.7 各灌注孔补焊

混凝土各进浆孔、冒浆孔、振捣孔、排渣孔在混凝土达到设计强度后，均需进行补焊牢固。对进浆管和出浆管，应用氧炔焰将其割除。割除时火焰切割位置应高离弦管外壁>1cm，再用手砂轮打磨至弦管表面平齐，其目的是防止火焰烧坏管内混凝土。在进浆孔和冒浆孔处，应将混凝土凿去一定深度，再用同材质同板厚钢板封补孔洞。

2.4 施工效果

本桥钢管拱C55混凝土施工过程中，采取相应的措施对混凝土的试配、制作及钢管拱混凝土的灌注等环节进行控制。施工后经超声波和钻芯取样检测，钢管拱混凝土结构完整，混凝土密实度和强度均符合设计要求，混凝土微膨胀效果明显，无脱空现象，取得了良好的施工效果。

3 结语

总之，本桥采用C55微膨胀自密实高性能混凝土澆筑钢管拱混凝土结构不仅能减少空洞、蜂窝、麻面等质量问题，还能增强密实性，提高施工速度，降低施工难度，避免了模具的损耗，收到了很好的经济效益和社会效益，为今后钢管拱桥混凝土施工积累了可借鉴的经验。

参考文献：

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