钢管混凝土拱桥拱肋灌注混凝土的配制与施工.pdf

公路 交通技术 2 0 1 0年 8月 第 4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 0 N o 4 钢管混凝土拱桥拱肋灌注混凝土的配制与施工 田培 霞，魏星 ( 江苏省交通工程集团有限公司南京分公司，南京2 0 1 2 2 1 ) 摘要：拱肋混凝土由于施工的特殊性，要求有较高的工作性能，而拱肋混凝土灌注施工是拱肋合龙后的关键工 序 ，其施 工质量直接关 系到拱肋的强度、线形和受力性 能。介绍拱肋混凝 土的 配制技 术和施 工工艺 ，阐述如何保证 拱肋混凝 土的质量 。 关键词：钢管混凝土拱桥；配合比；灌注施工 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 6 3 0 4 中图分类号 ：U 4 4 8 2 2 文献标识码 ：B Pr e p a r a t i o n a n d Co n s t r u c t i o n o f Po u r i n g Co n c r e t e f o r Ar c h r i b s i n St e e l Tu b e Co n c r e t e Ar c h Br id g e TI AN P e i x i a ，W EI Xi n g 目前 ，我国钢管混凝土拱桥应用技术发 展很 快。该桥型在设计时 ，为 了充分发挥钢管 的 “ 套 箍”作用 ，在拱肋内灌注了高性能的高强度混凝 土，以提高钢管的承载能力和构件的稳定性 。灌 注混凝土要求早期强度高 、高流态 、微膨胀 、缓 凝 、 自密实及可泵性好 ，设计 中，微膨胀率 的确 定 和配合 比设计是关键因素 ，若配合 比设计不好 或灌 注施工不 到位 ，则 钢管与混 凝土粘 结不 良， 钢管起不到 “ 套箍”作用，混凝土不能参与受力， 钢管容易 出现变形 、损坏 ，缩短使用寿命 。本文 对钢管混凝土拱桥拱肋灌注混凝土 的配合 比设计 和灌注施工进行 了分析说 明 ，指出 了施工 中的通 病 ，给 出了预防措施 ，明确 了质量检验方法 ，以 确保工程的施工质量。 1 钢管混凝土配制 1 1 钢管混凝土技术要求 由于钢管混凝土的作用机理是通过钢管对管内 混凝土的 “ 套箍”作用 ，使混凝土处于 3向受力状 态 ，使混凝 土的承载能力 和塑性性能得 到大大提 高，这就要求钢管混凝土配合 比的设计满足下列性 能。 1 )为保证钢管对混凝 土 “ 套箍”作用 的有效 性，混凝土必须具有收缩补偿的性能。通过在混凝 土中加入适量的膨胀剂，使混凝土达到收缩补偿的 目的。 2 ) 由于混凝土采用输送泵往管 内灌注 ，因此 要求混凝 土具有低气泡 、高流动性 、 自密实 的性 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 3 1 2 作者简介：田培霞( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ，江苏省泰兴市人，本科，工程师 能，拌合料坍落度要求为( 2 2 0 2 0 ) m m，同时要求 保证混凝土在大坍落度状态下具有良好的和易性 ， 防止离析。 3 )从灌注开始至完成 ，混凝土始终处 于扰动 状态 ，在灌注过程中可能会因断电、设备故障 、导 管堵塞等原因使灌注时间延长 ，因此要求混凝土具 有缓凝性 ，要求初凝时间大于 1 6 h ，且灌 注过程 中坍落度 的损失要小。 4 ) 由于工期方面的要求 ，钢管混凝土灌注后 要尽早达到设计要求的强度 ，以便尽快进行下一根 钢管混凝土的灌注，即要求混凝土具有早强性能 。 5 )为保证混凝土凝固后 的内部质量 ，防止开 裂， 要求混凝土水化热的峰值低、峰期长。 根据混凝土早期强度高 、和易性好 、微膨胀 、 缓凝 、自密实 、可泵性好等要求及相应的规范和施 工经验 ，对钢管混凝土作如下技术性能要求。 塌落度 ：2 0 02 4 0 mm； 扩 散度 ：4 86 8 mm； 坍落度损失 ：2 h内3 c m； 抗压强度 ：5 0+1 6 4 5 X 6=5 9 9 MP a ； 初凝时间 ：1 6 h ； 膨胀剂 ：符合 J C 4 7 6 -2 0 0 1 混凝土膨胀剂 要 求 ，2 8 d水中胶砂 限制膨胀率 0 1 ，2 1 d空气 中胶砂限制膨胀率一 0 0 2 ： 7 d抗压强度 ：5 0 X 0 9 5=4 7 5 MP a 。 1 2 钢管混凝土配合 比设计 先根据 J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计 规程 中的配合 比设计方法 ，计算 出常规施工 C 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0年 混凝土 的原始配合 比，再根据原 始配合 比进 行试 拌，由有经验人员调整各项组成材料，使实验室结 果逐项满足设计技术性能指标要求 。 在试验过程中，首先满足混凝土强度要求，其 次是坍落度要求，最后满足缓凝要求。当基本条件 满足时再考虑满足微膨胀性能和容易泵送 的条件。 总的调整方法是 ：以水泥用量调整混凝土的抗压强 度，利用添加剂的品种和用量来调整坍落度和缓凝 时间 ，以膨胀剂 品种和用量调整混凝土的膨胀率 ， 以粉煤灰用量来调整混凝土的可泵送性 ，反复调整 使各项性能达到最佳状态。 对混凝土的粗细骨料 ，应对料源进行认真调查 分析和比较 ，择优使用 。细骨料要经过筛分 ，细度 和级配要满足要求。粗骨料应由条件好的石场专门 轧制 ，轧制时应调整好设备 ，使粒径和级配均达到 要求。钢管混凝土粗骨料粒径要求为 5 2 5 m m， 超 出本范围的颗粒和石粉应筛掉 。 根据 J G J 5 5 -2 0 0 0 ( 普通混凝土配合 比设计规 程 给出的取值范围，经多次试验 ，确定混凝土的 主要技术参数取用范围为 ： W C=0 3 8 0 4 4 W ( C+ F) =0 2 9 0 3 5 ；s p= 3 6 3 9 ；用 水量 W=1 7 21 9 2 k g m ，水泥 用 量5 0 0k g 。 式中，W C为水灰比( 为水用量 ，C为水泥用量 ) ； W ( C+ F ) 为水胶比( F为粉煤灰用量) ；s p为砂率 ( 砂用量 ( 砂用量 +石子用量 ) ) 。 混凝土配制采用如下材料。 水泥 ：采用海螺 P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 质量符合 G B 1 7 5 -2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 的规定 。 黄砂 ：采用细度模数 2 62 8 ，质量符合 J T J 0 4 1 -2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范 的规定。 碎石 ：采用镇 江船 山矿 52 5 mm( 圆孔筛 ) 连 续级配碎石，质量符合 J T J 0 4 1 -2 0 0 0 公路桥涵施 工技术规范 的规定。 粉煤灰：采用谏壁热电厂的 I 级粉煤灰，质量 符合 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 ( 用于水泥和混凝土中的粉煤 灰 的规定。 外加剂 ：采用南通金陵化工有限公司的 “ 金陵 5 号”复合型泵送膨胀剂 ，质量符合 J C 4 7 3 -2 0 0 1 混 凝土泵 送剂 、G B T 8 0 7 6 -2 0 0 8 混 凝 土外加 剂 、J C 4 7 6 -2 0 0 1 ( 混凝土膨胀剂 的要求。 经过多次试配、调整，优选后配合比水泥用量 440 k g m。 ，粉 煤 灰 用量 8 3 k g m 。 ，7 d强 度 5 1 7 MP a ，2 8 d强度 6 9 5 MP a 。新拌混凝土表面无泌水 线 ，无大气泡 ，具有流动度大 、无离析 、色差小、 粘聚性好等特点。 2 混 凝土 灌注 施工 主拱肋钢管混凝土必须单管对称泵送灌注， 严 格 控制泵送量 ，使管 内混凝土 长度差 不大于 2 0 i n ，并在混凝土初凝时间内泵送到顶。钢管混凝土 泵送技术含量高 ，施工工艺复杂 ，是整个工程的重 点环节之一 ，因此必须精心组织 ，周密安排 ，确保 灌注质量和拱肋线形满足要求 。 2 1 主要工 作流 程 1 )拱顶开排浆 口，焊接排浆管 ；拱脚开进料 口，焊接进料管； 2 )布设输送泵送管 ，进行设备调试 、检查 ； 3 )泵送清水、砂浆湿润泵管 ； 4 )灌注进料管至拱脚部分 ( 倒流段 ) 的混凝土 ； 5 )从拱顶排浆管灌人稀水泥浆，灌注拱肋混 凝土 ； 6 )进料管处关闭回流阀； 7 )清洗输送泵 、管 ，拆卸堆放 。 2 2 施工准备 2 2 1 原材料准备 水泥、石子、砂及外掺剂应准备充足，外掺剂 按每盘混凝土所需掺量事先装成小袋 ，人工添加 ， 以免漏放。实测 中砂 、石子含水量 ，控制拌合料进 水量。 灌 注混凝土不宜在冬天进行 ，以免冻坏混凝 土。在高温季节施工时 ，为保证灌注顺利进行 ，最 大程度减缓混凝土初凝时间 ，需采取如下措施 ： 1 )选择在后半夜施工 ，本 时间段 为一天中温 度最低的时间段 ，没有阳光照射 ，钢管变形均匀 ， 主弦钢管温度与大气温度相同。砂石料经过前半夜 的自然冷却 ，也降温至大气温度。 2 )在拌和用水中加入冰块 ，降低拌和用水的 温度 。 2 2 2 设备准备 在 2拱脚处各设输送泵 2台，1台正常施工 ， 1 台备用。输送泵工作压力不小于 1 6 M P a ，工作 能力大于 5 0 m3 h 。 混凝土搅拌站同样设 2台，1 台正常施工，1 台备用。 混凝土采用罐车运输 ，视运距配置，但不能少 于 2辆。 2 3 安装进料管、排浆管 单根拱肋钢管 2拱脚处各设一进料管 ，一般安 设在 离拱脚端 面 26 I T I 处 钢管顶面 或侧 面或底 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第4 期 田培霞，等：钢管混凝土拱桥拱肋灌注混凝土的配制与施工 6 5 面。进料管与拱肋钢管轴线夹角小于 3 O 。，夹角越 小泵送阻力越小 ，对钢管壁 的冲击力也越小。进料 管材质 、管径与输送管相 同，进料管设 防 回流 阀 门，并与主拱钢管焊接加劲处理。在拱顶设置排浆 管 ，排浆管高度为 2 0 m，直径为 2 0 e m，以免排 浆时粗骨料堵住排浆管 ，造成多余的浆液和气体排 不 出。进料管和排浆管的设置见图 1 。 进 料 口 拱顶排浆 管 图 1 拱顶排浆管和混凝土进料管 2 4 布设输送管 输送管数量充足 ，型号齐全 ，接头胶垫圈位置 准确 ，联结卡箍及螺栓安装正确并拧紧。应设置足 够的支点和悬挂点 ，不可悬空 ，尤其是弯管处 ，应 固定牢。与进料管相连的第 1 节泵管为直管 ，管道 尽量少采用弯管和软管。 2 5 拱肋混凝土灌注 2 5 1 灌注顺 序 每条拱 肋钢管半跨对称一次性灌 注完 毕 ，灌 完倒流段后 自下灌进 ，顺管 而上 。混凝 土的灌注 要求对称进行 ，桥梁上下游对称 、桥梁两头对称 。 一 个拱肋一般 由多根钢管组成 ，若 同时灌 注则需 多台设备 同时施工 ，一次投入人员较 多 ，施工控 制困难 ，且拱脚钢管应力也较大 。所 以施 工时一 般先对上游( 或下游 ) 的一根钢管 ( 内侧优先 ) 半跨 对称灌注，然后灌注与之对称的下游 ( 或上游 ) 的钢 管 。 若 1 根拱肋由 2根 以上钢管组成时 ，在前一次 混凝土灌注完毕下一次灌注开始时 ，已灌管内混凝 土强度应达到设计强度的 8 0 以上方可进行。 2 5 2 泵送清水、砂浆湿润泵管 灌注混凝土前先向混凝土输送泵内注水，启动 输送泵 ，湿润所有的输送泵管 。检查输送泵工作情 况是否正常、输送管道有无渗漏。 准备工作一切就绪、开始灌注混凝土前 ，先用 搅拌机拌 1 2盘砂浆 ，用于湿润输送泵管 ，然后 将泵管与进料 口连接。 2 5 3 灌注进料管至拱脚部分( 倒流段 ) 混凝土 混凝土进入钢管后 ，首先流至拱脚管底 ，然后 再缓慢上升 。倒流段 内由于在混凝土往下流动的过 程中夹带了空气，加上此时输送泵压力未能作用到 混凝土上 ，为了保证混凝土的密实 ，需在钢管顶面 开洞 ，将插入式振捣棒伸入钢管内振捣混凝土，振 捣时间控制在 5 S 左右。 2 5 4 拱顶排浆管灌入稀水泥浆，灌注拱肋混凝土 混凝土填满倒流段并高过进料管后，在拱顶排 浆管灌入 0 5 m 3 ( 每半跨 ) 水泥浆 ，以起到润滑管壁 、 便于拱肋混凝土灌注的作用。灌入水泥浆时 ，管 内 混凝土必须高出进料 口2 0 m以上 ，防止水泥浆进 人倒流段 。 钢管混凝土应严格按配合 比拌制 ，按设计顺序 连续 、均匀地进行灌注，并注意以下几点 ： 1 )混凝土拌制 时，各种组成材料应计量准确 ， 每盘料净搅拌时间不得少于9 0 s ，混凝土坍落度符 合配合比要求 。 2 )开始泵送时 ，泵机应处低速压送状态 ，并 注意观察泵的压力和各部件工作情况 ，待压送顺利 后方可提高到正常压送速度。 3 )料斗应装满混凝 土 ，使泵送混凝土的压送 顶升连续进行 ，尽量避免停泵。当混凝土供应不足 时 ，宜降低压送速度 ，以免中断 。 4 ) 当混凝土泵送 困难时 ，泵压升高 ，管路产 生振 动。此 时 ，不 可勉强压送 ，应对管路进行检 查 ，并放慢压送速度或使泵反转 ，以防堵塞。 5 )当输送管堵塞 时 ，可用木槌敲击管路 ，找 出堵塞的管段 ，关闭 回流阀 ，卸压后拆卸堵管段 ， 取出堵塞的混凝土杂物，并检查其余管路无堵塞后 方可接管 。接管时管 中必须充满混凝 土，避免空气 混入。重新压送混凝土时，应先打开回流阀门再行 泵送 。 6 )混凝土泵送顶升时 ，应严格遵循两岸对称 的原则 ，两岸管 内混凝土长度差不大于 2 0 m。必 须随时联 系 ，以保证两岸 混凝土顶升速度 同步对 称。 7 )当排浆孔排浆时 ，放慢泵送速度 ，每泵一 下需停一下 。停留时人工用竹竿等在排浆 口抽插 ， 使多余的气体和浮浆排出，直至混凝土溢出为止。 然后稳压 ，关闭进料 口处回流阀，防止混凝土回 流 。 8 )清洗设备 ，拆 除输送泵 管 ，待混凝 土泌水 停止后 ，割掉进料管和拱顶排浆管并用与原设计相 同规格型号的钢板焊接封堵 ，以防雨水进入 ，并防 止碳化反应。 2 5 5 混凝土输送泵工作要求 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0皋 1 )混凝土加入料斗 以前 ，砂浆平面应保持在 料斗搅拌轴线 以上和混凝土一并泵送。泵送中，混 凝土平面至少应维持在搅拌中心线 以上 2 0 e m的高 度。 2 )临时停泵期间，应间隔 5 1 0 m i n 进行正 反泵 1 次 ，以防管道内混凝土离析。当长时间停泵 重新工作时，应先启动搅拌器，再开始泵送。 3 ) 当泵送工作接近尾声时 ，应预先估计剩余 工作量和管道内的混凝土体积 ，以便停止供料。 4 )停泵后，立即将料斗和管道内的混凝土清 除掉 ，清洗泵机、料斗、管道等。清洗时人员要离 开排料 口及弯管接头处 ，以免发生意外。输送管体 拆卸清洗后 ， 将管段及卡箍等堆放整齐。 3 质量通病及其原因、防治措施 3 1 质量通病及原因 1 )空腔 ：由于灌注过程 中排气不 良或灌注间 断而使空气残留在混凝土内造成。 2 )收缩缝 ：由于混凝 土水灰 比过大 ，水泥用 量过多 ，膨胀量不足造成 。 3 )混凝土与管壁粘结不 良：由于管壁锈蚀造 成。 4 )混凝土离析 ：由于配料不好 ，骨料堆积或 抛投灌注造成。 5 )混凝土不密实 ：由于泵压不足 ，灌注速度 过快造成 。 3 2 预防措施 1 )在灌 注混凝 土 的前进 方 向上应 每隔 2 0 m 设 1 个排气孔 ，拱顶适当加密。1根钢管 内的混凝 土应在混凝土初凝时间内 1 次灌注完成 ，中间不得 间断。 拱肋混凝土灌注完毕 ，且混凝土达 到 7 0 强 度时，拟用超声波探测仪对拱肋进行探测，检查其 密实性 。若发现不密实处 ，立即钻 小孔并 压浆补 实。但混凝土微膨胀基本完成后 ( 约 2 8 d ) ，可钻小 孔检查混凝土与钢板是否密贴 。 2 )配制混凝土时应严格控制水灰比和水泥用 量 。夏季高温时 ，在混凝土浇筑后及时在钢管拱上 喷水降温 ，适 当延长养护时间 ，以提高混凝土的抗 裂能力。冬季应采取保温措施，使混凝土缓慢降 温 。以防温度骤变 ，减少温度收缩缝 。 3 )混凝土配合比设计、计算和试验方法应按 有关技术规定执行 。在混凝土拌制和灌 注过程中 ， 应按规定检查混凝土组成材料的质量和用量( 每一 工作组至少 2次 ) ，在灌 注地点和浇筑地点检查混 凝土的坍落度。 4 混凝土质量检测 混凝土泵送顶升时 ，实验室应 留足够的试件。 每次混凝土泵送 ，两岸搅拌站各取试件不少 于 5 组，进行抗压强度试验。混凝土泵送完成约 3 个月 后 ，收缩趋于稳定 ，应对混凝土与钢管的密实情况 进行检查。检查方法有 3种 ：1 )锤击敲打 ，可探 明部位 ；2 )钻小孔取样 ，采用磁力电钻 ；3 )超声 波无损检查。 通常，拱顶 附近 1 2 m长度范围内存在部分 脱空现象 ，这是钢管混凝土桥梁普遍存在的现象 ， 主要原因是拱顶附近坡度平缓 ，靠 自重压力不易灌 注密实， 且混凝土本身存在收缩，可通过钻孔压进 环氧树脂水泥浆 的办法来填补空隙。 5结语 拱肋 内混凝土的质量和灌注质量直接关系到拱 肋稳定性和受力性能，非常重要。施工单位进场后 应立即开始配合比的试验 ，多设计几种配 比进行比 对 ，选择最优的配合 比用于施工 ，有条件时应进行 演示，以免混凝土灌注过程中发生问题。混凝土灌 注过程中输送泵是最容易发生故障且影响较大的设 备 ，故应有备件。 参 考 文 献 1 】 交通部公路科学研究院J r G E 3 ff - - 2 0 0 5 公路工程水 泥及水 泥混凝 土试 验规程 s 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0o 5 【 2 J 路桥集团第一公路工程局 J T J 0 4 1 -2 0 0 0 公路桥涵 施工技术规范 s 北京： 人民交通出版社 2 0 0 0 【 3 】 中交第二勘察设计研究院江苏沪宁高速公路拓宽改建 工程 F 2标两阶段施工图设计【 Z 】 武汉： 中交第二勘察 设计研究院， 2 0 0 8 中国国家标准化管理委员会G B T 1 5 9 6 - - - 2 0 0 5 用于水 泥和混凝土中的粉煤灰 s 】 北京： 中国标准出版社， 2 0 0 5 5 国家建筑材料工业局J C 4 7 3 -2 0 0 1 混凝土泵送剂 S 北京 ： 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 1 f 6 1 中国国家标准化管理委员会G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 混凝土 外加剂 S 】 北京 ： 中国标准出版社 ， 2 0 0 8 7 】 国家建筑材料工业局J C 4 7 6 - - - - 2 0 0 1 混凝土膨胀剂 s 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 1 【 8 中国建筑科学研究院 J G J 5 5 -2 0 0 0 普通混凝土配合 比设计规程 s 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m