桥梁墩柱置换混凝土的制备及应用

杨 勇, 梁仕开

(保利长大工程有限公司, 广州 510620)

随着公路网的加密,在工程实践中需对既有通车桥梁个别墩柱进行置换,以满足新建或改扩建工程建设的需求。但在桥梁建成通车后,对运营中的桥梁置换,存在以下实际状况:车辆载重且动荷载具有重复性、随机性,桥面不平顺,行车速度不同等诸多不确定性因素,因此,桥梁工程在车辆动荷载作用下比静载工况下托换施工要求更高、风险更大[1-2]。卜建清、潘慧敏、习磊等[3-5]研究了车桥振动对新浇筑混凝土性能的影响,认为行车动荷载导致的车桥耦合振动对托换墩混凝土的强度及耐久性有一定影响,但未详细介绍桥梁墩柱置换混凝土的制备方法及其工作性能。

本文以广东中江高速改扩建工程在不中断交通的情况下,对2个桥墩进行墩柱置换施工为例,对托换墩混凝土配合比进行了专门设计,通过增加胶凝材料的用量、提高混凝土砂率、掺加粉煤灰等措施,改善墩柱置换施工混凝土的工作性能,并通过试验测试混凝土的施工性能和抗压强度,以确保墩柱置换施工的工程质量,供类似工程施工参考。

1 工程概况

深圳至岑溪高速公路中山新隆至江门龙湾段(简称中江高速)改扩建工程,起于中山市港口镇新隆枢纽,接在建的南沙至中山高速公路,止于江门市新会区龙湾互通,接深圳至岑溪高速公路高速江门龙湾至共和段,全长40.046 km。中江高速于2005年底建成通车,现状为双向4车道,设计速度为100 km/h,拟改扩建为双向8车道,设计速度为120 km/h。

四村立交为中江高速与江珠高速互通的T型枢纽立交,中江高速改扩建主线路基下穿四村立交C、E匝道桥,其中C匝道桥18#墩、E匝道桥12#墩位于扩建主线路基范围,需对这2个桥墩进行改造置换,以让出中江高速扩建主线路基的建设空间。对既有C18#、E12#桥墩采用大跨径框架式桥墩跨越扩建主线路基的方案进行置换,因2个桥墩处均为连续箱梁交接墩,托换墩柱的承载能力及耐久性既要满足既有桥梁结构的安全,又要满足上部连续箱梁的伸缩需求,保证桥梁伸缩缝正常工作,桥墩置换施工还需尽可能降低既有桥梁施工风险和运营的影响。

现以四村立交E匝道12#墩为例,介绍墩柱置换的构造设计和施工工艺流程。为了满足扩建路基行车空间要求,E12#墩置换采用大跨径隐形横梁的框架式桥墩,即托换墩横梁与上部箱梁固结为一体,以增加框架墩下方的净空。E12#墩框架墩横梁长34.0 m,高2.24 m～2.86 m,宽2.20 m,轴线距离4.26 m,净距2.06 m,桥下净空高6.20 m,如图1所示。因托换墩横梁与上部箱梁固结,为了保留箱梁伸缩缝在该墩位置的伸缩功能,将原交接墩置换为2个单独的框架墩,在框架墩横梁与立柱之间设置智能测力可调高支座,利用支座的纵向位移实现桥梁伸缩缝功能。为了确保桥梁施工安全,降低桥墩置换施工对既有桥梁运营的影响,墩柱置换施工过程中,先保留桥梁既有的立柱,待新的托换墩施工完成后,再切除既有桥墩,完成体系转换。

单位:cm

2 施工难点分析

1) 四村立交于2005年建成通车,桥梁结构早已完成基础沉降,混凝土收缩徐变以及混凝土表面已形成碳化层。墩柱置换后,新建托换墩竖向约束刚度降低,将出现基础沉降、大跨径横梁的挠度、结构收缩徐变,导致新老混凝土界面粘接不足,出现脱开现象[6]。

2) 四村立交是中江高速、江珠高速枢纽互通,自通车以来,经过长期发展,有较稳定的交通通行需求,桥墩置换施工期间不得随意中断交通,行车动力荷载导致的车桥耦合振动对置换墩混凝土的强度及耐久性有一定影响,要求混凝土具有一定的抗扰动性。

3) E匝道设计为隐形横梁结构,由于主梁为箱型空心结构且已建设完成,托换墩横梁与箱梁固结时,需将横梁对应宽度范围的箱内空心部分填塞成实心结构,同时因箱梁宽度达10.50 m,浇筑箱梁内腔填塞混凝土及底板下方混凝土时,受空间所限,无法对混凝土进行振捣,因此混凝土需具有自密实的性能。

3 托换墩混凝土制备

3.1 原材料

1) 水泥:采用台泥(贵港)P·II52.5R硅酸盐水泥,经检测水泥标准稠度用水量为27%,初凝时间为145 min,终凝时间为190 min,3 d 抗压强度30.9 MPa,28 d抗压强度58.5 MPa,其余技术要求应符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)规定。

2) 细集料:采用洁净的天然中砂,其细度模数为2.78,含泥量为1.2%,泥块含量为0.2%,无氯化物。

3) 粗骨料:采用坚硬耐久反击破碎石,空隙率小于40%,压碎指标值为6%,含泥量为0.6%,泥块含量为0.2%,针片状含量为3%,粗骨料采用中石、小石双档反击式连续级配碎石,粒径符合5 mm～20 mm连续级配,最大粒径不应超过25 mm[7]。

4) 掺合料:采用质量稳定、材料均匀的F类Ⅰ级灰粉煤灰,细度为10.4%,需水量比为92%,烧失量为2.99%,密度为2.38 g/cm3,三氧化硫为0.62%。

5) 减水剂:采用品质稳定聚羧酸缓凝型高性能减水剂,与胶凝材料具有良好相容性的产品。各性能指标经检测均应符合《混凝土外加剂》(GB 8076—2016)的规定;各种材料引入的氯离子总含量不应超过《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)标准。研究认为,采用普通硅酸盐水泥、掺加早强高性能聚羧酸减水剂,并辅以一定的交通导行措施,能够解决新旧桥梁混凝土的连接问题,保证混凝土的连接质量[8]。

6) 水:饮用水。

3.2 配合比设计

根据前述施工难点分析,混凝土需保证工作性能优良、匀质性好、适宜泵送和良好的抗裂性,同时还需具有良好的自密实性、低收缩及抗扰动性,配合比设计需兼顾混凝土强度与耐久性双重要求,以达到性能良好、经久耐用的效果。

托换墩横梁混凝土设计强度C50,横梁截面尺寸达到2.286 m×2.20 m。为了确保混凝土工作性能和力学性能,降低混凝土的水化热,掺加粉煤灰代替部分水泥。为避免新老混凝土间收缩裂缝,托换墩横梁混凝土需具有一定的补偿收缩能力,其性能满足《补偿收缩混凝土应用技术规程》(JGJ/T 178—2009)规定[9],限制膨胀率为0.015%,掺入纯纤维素纤维0.9 kg/m3。在保持水胶比、大小石掺配比例相同的情况下,通过试验对比提高胶凝材料的用量和混凝土砂率、掺加粉煤灰对混凝土工作性能和力学性能的影响[10-12]。混凝土的配合比、工作性能及力学性能见表1～表3。

表1 混凝土配合比

由表2可知,3组试件的混凝土抗压强度及弹性模量均满足要求。由表3可知,3组试件混凝土的坍落度和扩展度中,2#、3#试件混凝土的流动性差,且拌合物黏稠,不满足自密实混凝土的填充性要求,仅1#试件混凝土的坍落度和扩展度满足填充性能要求[13],这表明增加胶凝材料的用量和提高混凝土砂率、掺加粉煤灰能有效改善混凝土的工作性能。

表2 混凝土强度及弹性模量对比

表3 混凝土性能对比

3.3 混凝土强度对比

为了解行车振动对混凝土强度的影响,按照上述1#试件的配合比制备混凝土,其中一半混凝土置于托换墩横梁对应位置的箱梁上现场养生,另一半按照标准条件养生,并分别取试件检测混凝土24 h、36 h、48 h、72 h、7 d、28 d的抗压强度,结果见表4。

表4 实测混凝土强度

由表4可见,现场养生试件强度比标准养生试件强度低2.5 MPa～2.9 MPa,强度差值在24 h时最大,为2.9 MPa,后续基本稳定在2.5 MPa～2.8 MPa之间。行车振动对混凝土的强度发展有一定影响,致使混凝土强度损失2.5 MPa～2.9 MPa,特别是混凝土凝结硬化早期,影响混凝土的早期强度,待混凝土硬化后,行车振动对其强度影响不大,混凝土强度满足设计要求。因此,在托换墩横梁混凝土浇筑时,尤其在混凝土浇筑后的24 h内,应尽量采取限行限速等措施,以减少行车振动对混凝土强度的不利影响。

4 工程实施

托换墩桩基及立柱施工完成后,搭设横梁现浇支架,对支架进行预压。根据高速公路运营信息,此路段21:00—06:00车辆较少。为此,在17:00时横梁混凝土开始浇筑,约21:00时浇筑完成,此时间段即为混凝土初凝至终凝阶段,通行的车辆较少。开始浇筑时天气温度为17 ℃,逐渐降低至13 ℃。

混凝土在拌合站集中拌制,经运输罐车运至施工现场,采用汽车泵泵送入模[14-15]。先浇筑既有箱梁的填芯部分,再浇筑横梁外部混凝土。浇筑现场检测混凝土的坍落扩展度、T500、入模温度等指标。现场实测混凝土施工性能指标如下:混凝土初凝时间约为7 h,终凝时间8 h 40 min,实测混凝土坍落度230 mm,扩展度为710 mm,T500时间为7 s,离析率为9%。施工现场采取覆盖洒水的方式进行养生。

分别回弹托换墩横梁实体混凝土24 h、36 h、48 h、72 h、7 d、28 d的强度,结果见表5。

表5 横梁混凝土回弹强度

由表5可见,实体回弹强度与现场同条件养生试件强度存在0.8 MPa～1.6 MPa的差额,经分析,导致该强度差异的原因主要是施工振捣、混凝土布料不均匀、养生不到位等,但实体强度仍满足设计要求。现场采用混凝土裂缝观察仪,未发现有害的结构性裂缝或新老混凝土结合面的胀缩裂缝。

5 结束语

中江高速扩建需对其2个桥墩进行置换,以让出其主线路基扩建的建设空间。为了确保墩柱置换施工混凝土在不中断交通工况下的工作性能和工程质量,针对托换施工的难点及对混凝土工作性能的要求,对托换墩混凝土配合比进行了专门设计,通过增加胶凝材料的用量、提高混凝土砂率、掺加粉煤灰等措施,改善墩柱置换施工混凝土的工作性能,通过试验测试混凝土的施工性能和抗压强度,比选出墩柱托换施工混凝土的配合比,并应用于实际工程,顺利完成了桥梁墩柱的置换施工,工程质量良好。通过工程实践,总结出以下施工经验:

1) 在确保混凝土强度及弹性模量满足要求的前提下,增加胶凝材料的用量、提高混凝土砂率、掺加粉煤灰可显著改善混凝土的扩展度、流动性等工作性能。胶凝材料总量在530 kg、砂率在0.45、掺加30%比例粉煤灰的配合比,扩展度在750 mm～780 mm之间,坍落度满足自密实混凝土的填充性能要求,工作性能最佳。

2) 行车振动对混凝土的早期强度发展有一定影响,会导致混凝土强度损失2.5 MPa～2.9 MPa,待混凝土硬化后,行车振动对其强度影响不大。据此,墩柱托换施工混凝土浇筑时,在混凝土浇筑后的24 h内,应尽量采取限行限速等措施,减少行车振动对混凝土强度的不利影响。