高、长泵程高强度箱梁混凝土配制及施工控制

吴志华，叶顺汉

（1.福建船政交通职业学院，福建 福州 350007；2.福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350001）

0 引言

近年来，随着我国公路建设的迅速发展，桥梁工程的设计、施工水平不断提高，大跨度、长距离、高墩台的桥梁屡屡出现，混凝土泵送施工技术在桥梁工程中的应用越来越多。其中高泵程混凝土施工技术在高塔、高墩身中的应用及研究较多，但在施工环境及条件较差的高墩、长距离、大跨径的悬浇刚构箱梁高强度混凝土中的应用及研究相对较少。因此，本文以龙岩石崆山Ⅱ号右线高架桥悬浇刚构箱梁混凝土施工为例，详细介绍高、长泵程高强度悬浇刚构箱梁混凝土的配制、施工设备选择以及施工过程控制等，以期为类似的大跨度、长距离、高墩台的桥梁悬浇刚构箱梁混凝土施工提供一些参考。

1 工程概况

龙岩石崆山Ⅱ号右线高架桥为特大型桥梁，起止桩号为K65+911.00～K66+660.00，桥长749m，桥宽13.75m。该桥下部结构为群桩基础，空心墩（最大墩高约80.3m），上部结构为65+115+155×3+65m七孔一联连续刚构组合体系，箱梁顶宽13.75m，底宽6.75m，箱高8.5～3.0m，按抛物线变化，块件最大重量为167t，纵、竖双向预应力（零号块加设横向预应力筋）。该桥处于R=762.15m的园曲线及相应缓和曲线上，纵坡4%，横坡2%~3%，桥型布置见图1。

图1 桥型布置图

该桥是一座集大跨径、高桥墩、长桥、大纵坡、曲线为一体，具有典型的山岭区特征的桥梁。工程地处深山峡谷，地势险峻、场地狭窄、施工环境极为恶劣。桥梁上部连续刚构预应力箱梁混凝土设计标号为C55，数量约10240m3，全桥箱梁共有6个T构，173个悬浇节段（不包括0号块、合拢段和边跨直线段），均在高空中，采用12套挂篮逐段悬臂浇筑。悬浇箱梁混凝土施工时，因场地限制，在II号桥两端地面各设置一座混凝土拌和站，采用泵送，最高泵送高度约90m，水平泵送距离400m以上，最长换算水平距离约891m，为高、长泵程高强度混凝土施工。本工程工期紧、难度大，如何确保箱梁混凝土施工的顺利进行是关键。保证高、长泵程高强度混凝土施工的顺利进行，重点要解决以下三方面问题:（1）箱梁高强度泵送混凝土配合比设计；（2）混凝土泵送施工机械设备的选择；（3）混凝土施工过程的控制。

2 泵送高强度混凝土的特性

泵送混凝土具有输送混凝土能力大、速度快、缩短工期、降低费用及能连续作业的特点，尤其对于高塔、高墩、高空梁体混凝土的施工，更能显示出其优越性。但随着泵送高程、距离的增加，对混凝土原材料的选择、配合比的设计、掺合料的合理使用、混凝土的可泵性（流动性与稳定性）以及施工过程控制等均有着特殊的要求，对泵送机具的配备、输送管布设、施工过程控制等，也有严格的技术要求。［1］

高性能混凝土强度等级越高，其粘度越大，流动性越差，泵送时需要很大的压力来克服管道摩擦阻力，可泵性差。所以，高性能混凝土的配合比和骨料级配需要特别控制。［2］

3 箱梁泵送高强度混凝土配合比设计

3.1 设计原则

（1）高强度混凝土应遵循低水灰比、低砂率、高骨胶比的原则。

（2）配制高强度混凝土宜选择高强度水泥，最大水泥用量不宜超过500kg/m3，以免水泥用量高，造成混凝土拌和物过于粘稠，加大泵送阻力。水灰比宜在0.24～0.38之间。

（3）细骨料宜采用级配良好的中砂，细度模数不小于2.6。

（4）粗骨料应使用坚硬、级配良好的碎石，粒径不宜超过输送管径的1/3。［3］

（5）混凝土拌和物坍落度宜为80～180mm。

（6）使用高效减水剂，掺量宜为胶结料的0.5%～1.8%。为满足泵送和施工需要，减水剂应有缓凝性能。［4］

3.2 设计要求

（1）为满足预应力张拉工期需要，箱梁C55混凝土7d强度应达到设计强度的100%。

（2）坍落度:由于箱梁入模坍落度应在70～90mm以上，20～30℃气温下坍落度经时损失约25～35mm，根据墩身泵送混凝土的施工经验，泵送300m水平距离，由于压力泌水原因，坍落度损失约20mm，故设计箱梁混凝土坍落度为115～160mm。

3.3 原材料选用

（1）水泥:选用海螺牌P.O.52.5*R普通硅酸盐水泥。

（2）粗骨料:采用花岗岩碎石，粒径5～31.5mm连续级配，压碎值≤6.6%，针片状≤9.8%。

（3）细骨料:采用金山砂场中砂，细度模数约为2.93。

（4）外加剂:选用山西万荣ZG-N1缓凝高效减水剂，减水率约20%，凝结时间差+300分钟，抗压强度比7d≥125%。［5］

3.4 混凝土基准配合比计算

（1）试配箱梁混凝土强度

（2）确定水灰比

未掺外加剂时，Rp=0.48Rc（C/W-0.52），Rc=70.6Mpa，W/C=0.41，减水剂减水率为20%；掺外加剂后，W/C=0.41÷1.2=0.34，不考虑水泥节约量。

（3）确定单位用水量和水泥用量

单位用水量Wo=1/3（T+Kc），坍落度T=160mm，减水率20%，取Wo为165L/m3；单位水泥量C=485kg/m3。

（4）确定砂、石用量

确定砂率Sp=40%，采用假定容重法，取混凝土容重为2400kg/m3，计算得砂用量S=700kg/m3，碎石用量G=1050kg/m3。

（5）减水剂用量，根据经验取1.1%掺量，计算得N1=5.34kg/m3。

（6）综合以上计算结果，得出箱梁C55混凝土基准配合比

W:C:S:G:N1=0.34:1:1.44:2.16:0.011=165:485:700:1050:5.34 kg/m3。箱梁C55混凝土试配结果详见表1。

表1 混凝土配合比表

3.5 混凝土配合比试配调整与确定

按混凝土基准配合比的W/C分别增加与减少0.03，S分别增加与减少1%，固定单位用水量，定出1#和2#两份配合比，试拌并制作2组混凝土试件，以得出R-W/C关系曲线，见表1和图2。

图2 R-W/C关系曲线

根据R-W/C关系曲线，确定箱梁混凝土施工配合比，如表2所示。按照表2中混凝土施工配合比试配箱梁混凝土试件，检测得出混凝土性能，如表3所示。

表2 箱梁混凝土施工配合比表

表3 试配混凝土性能

由表3可知，该施工配合比混凝土性能达到了设计要求。在N2墩0#块箱梁的混凝土施工试运行中，换算一次水平泵送距离460m，箱梁混凝土入泵坍落度150mm，入模坍落度125mm，和易性良好，可满足施工要求。

4 泵送施工机械设备的选择

高强度混凝土在泵送的过程中，自身极易出现变形，同时由于相关剪切值较小，使得屈服值远超过剪切强度。要想达到较好的泵送效果，在忽略高强度混凝土自身性能的基础上，还需要合理地使用输送泵机、泵管，并做好施工方案制订与管道铺设工作。［6］

4.1 泵管布设

4.1.1混凝土输送管的选配要求

（1）混凝土输送管应根据工程特点、施工场地条件、混凝土浇筑方案等进行合理选型和布置。［7-8］

（2）混凝土输送管规格应根据粗骨料最大粒径、混凝土输出量和输送距离以及拌合物性能等进行选择，并应符合现行国家标准《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差：GB/T 17395》的有关规定。

（3）混凝土输送管强度应满足泵送要求，不得有龟裂、孔洞、凹凸损伤和弯折等缺陷。应根据最大泵送压力计算出最小壁厚值。［7］

（4）管接头应具有足够强度，并能快速装拆，其密封结构应严密可靠。

（5）在超高泵送的泵管布置中，应尽可能减少弯管以及软管的使用。弯管需采用90°大弯，可最大限度降低泵管内部混凝土的摩擦阻力。［9］

4.1.2 输送管选择

根据混凝土输送管选配要求及本工程箱梁混凝土施工现场实际情况，决定输送管采用φ125mm泵管，壁厚9mm的耐磨超高压管道。根据施工地形，各墩悬浇箱梁高程、跨度，按管线尽可能短，少用弯管、软管的原则布设泵管。

根据施工组织安排，石崆山高架桥起点端混凝土拌和站负责供应N1、N2、N3墩顶的箱梁混凝土，混凝土输送管自桥起点端的混凝土拌和站开始布设至N1、N2、N3墩顶的箱梁；终点端混凝土拌和站负责供应N4、N5、N6墩顶的箱梁混凝土，混凝土输送管自桥终点端的混凝土拌和站开始布设至N4、N5、N6墩顶的箱梁各墩箱梁。泵管竖向沿各个空心墩墩身向上布设（图3），然后再顺着箱梁各个悬浇节段水平延伸。

图3 Ω形卡固定泵管

因混凝土输送管为Φ125mm，向上垂直管每1m按水平长度4m换算，经计算得出各墩箱梁最长布管距离（其中垂直管、各角度弯管、软管已换算成水平管长），如表4所示。

表4 各墩箱梁最长布管距离

4.2 混凝土输送泵选择

混凝土输送泵是泵送混凝土施工的核心设备，根据该桥悬浇箱梁混凝土施工特点、混凝土输送距离（表4）、最大输出量、混凝土浇注施工计划以及各种型号输送泵的性能，确定输送泵选择常用的两种型号：HBT90C型和HBT60A型混凝土拖泵。HBT90C型输送泵最大输出压力压力16MPa，最远水平泵送距离600m；HBT60A型输送泵额定压力30MPa，最大输出压力10.5MPa，最远水平泵送距离400m。

根据表4中的布管距离及测算的泵送过程压力损失，当换算水平输送距离小于600m时，采用一台HBT90C型输送泵可满足施工要求；当换算水平输送距离大于等于600m时应用HBT90C型泵和HBT60A型泵各一台联机泵送，HBT60A型泵放在靠近墩的地点。全桥共配备3台HBT90C型泵和2台HBT60A型泵。

5 箱梁泵送混凝土施工过程控制

5.1 原材料质量控制

（1）砂石料、水泥、外加剂等材料由试验人员按规定频率进行抽检，各级质检人员巡检，保证混凝土骨料合格，水泥、外加剂质量稳定。在施工过程中，重点控制砂石料质量。

（2）砂的细度模数应控制在2.6～3.0之间，级配应在Ⅱ区中砂范围。I区粗砂由于其拌和物内摩擦力大，易产生泌水，坍落度损失过大，易堵管。Ш区细砂拌和物粘性大，流动性差，也易堵管。

（3）碎石质量现场控制主要在两个方面：碎石级配和针片状含量。碎石级配不好，粒径过大，空隙率偏大，会使混凝土拌和物离散性增加，和易性变差，容易堵管，也会使混凝土缺陷增多，影响强度。针片状含量增加，使碎石比表面积增大，增加需水量，使混凝土坍落度降低，且由于粒形差，骨料颗粒间摩擦力增大，降低了混凝土的流动性，匀质性，容易堵管并且影响强度。

通过箱梁混凝土施工过程的测试，总结出碎石针片状含量与坍落度损失及由此引起的堵管概率存在以下关系，见表5。

表5 碎石针片状含量、坍落度损失及堵管概率关系

因此碎石级配应控制在5～31.5mm连续级配区间内，针片状含量应在10%以内，含量在10%～15%时宜用在泵程近的墩上，大于15%不能使用。针片状含量大于10%时混凝土强度平均值R=60.6MPa比总平均值R=61MPa略有降低。为控制好碎石质量，级配不好的碎石应重新回破过筛；堆料场堆料不均匀应进行翻动，避免粗细颗粒过分集中。碎石应严格控制分粒级，搭配使用。

5.2 箱梁混凝土拌和、输送、浇筑的控制

（1）混凝土拌和站、输送泵等机械设备应专人操作，持证上岗，严格按操作规程执行。机械设备应实行“三保”，施工前应试运行，保证良好并能连续工作。

（2）混凝土搅拌应严格按规范要求进行，应特别注意加水量的控制，应按试验室测定的砂石料含水率确定实际加水量并以入泵坍落度复核，确保按规定水灰比搅拌，搅拌时间必须足够，保证混凝土均匀，和易性好。

（3）混凝土输送泵宜在最大输送压力的80%以下进行，压力过大，应反泵点动，检查泵管，否则当压力大于20MPa时极易堵管。开始泵送时，混凝土泵应处于匀速缓慢运行并随时可反泵的状态。泵送速度应先慢后快，逐步加速。同时，应观察混凝土泵的压力和各系统的工作情况，待各系统运转正常后，方可以正常速度进行泵送。［10-11］当作业有间歇时，应使泵经常转动，以防堵管，泵送时，应使料斗保持有2/3的混凝土，以防管路吸入空气，发生气堵。

（4）在实际操作中，经常由于混凝土泵管清理不干净或混入杂物导致堵管，因此施工前应特别注意泵管检查、清理和保养，施工中应由专人护管，接头应严密，混凝土施工前泵送清水检查，确认混凝土泵和输送管中无异物后，用水泥砂浆润滑混凝土泵和输送管内璧。［7］润滑用浆料泵出后应妥善回收，不得作为结构混凝土使用。

（5）对箱梁混凝土悬臂浇筑全过程进行施工监控，重点注意对称、平衡、分层进行，并随时检查挂篮、模板及预应力管道等的偏差不超过规定值，箱梁的线形和标高控制在允许误差范围之内。

6 结语

在石崆山右线Ⅱ号高架桥箱梁泵送混凝土整个施工过程中，共进行了115次混凝土浇筑施工，C55混凝土28天取样218组，试件混凝土强度总平均值R=61MPa，最大批标准差2.4MPa，小于0.06R，最短达到预应力张拉控制强度85%R，时间为3.5天。全桥悬浇箱梁混凝土泵送施工过程顺利，无质量、安全事故发生。

实践证明，该工程施工所采用的箱梁混凝土配合比性能良好，施工过程混凝土质量、桥梁线形及标高控制较好，有效保障了工程施工质量、安全及工期，取得良好的经济和社会效益，值得在今后类似工程中应用。