常泰长江大桥沉井水下抗分散混凝土施工关键技术.pdf

施工技术（中英文）年 月下第 卷 第 期：常泰长江大桥沉井水下抗分散混凝土施工关键技术韩鹏鹏，仇正中，张 磊，吴启和（中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉；长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉；中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉；交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉）摘要 常泰长江大桥主航道桥为双层斜拉桥，其中主跨为 ，主墩采用台阶式沉井基础。针对沉井隔舱内部复杂结构，研究砂率、水胶比、粉煤灰掺量、增黏剂等因素对混凝土性能影响，通过对混凝土流动性、抗压强度试验、收缩检测分析，得到水下抗分散自密实混凝土最优配合比。结合现场施工条件，提出抗分散混凝土水下封舱施工工艺，解决水下自密实混凝土离析问题。研究结果表明，当水胶比和胶凝材料增加时，自密实混凝土流动性得到明显改善，混凝土抗压强度有所降低。当水泥掺量为 ，粉煤灰为 ，增黏剂为 ，砂为，碎石为 ，水为 ，减水剂为 时，水下自密实抗分散混凝土具有良好工作性能，在沉井隔舱内进行抗分散混凝土水下封舱施工后质量能达到设计标准。关键词 桥梁工程；沉井；自密实混凝土；抗分散；抗压强度；密实度；施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号（）中交集团课题：年寿命 级平行钢丝斜拉索体系及建养关键技术研究（）作者简介 韩鹏鹏，硕士，工程师，：收稿日期 ，（，；，；，；，）：，韩鹏鹏等：常泰长江大桥沉井水下抗分散混凝土施工关键技术 ：；引言水下自密实混凝土属于高性能混凝土，具有高流动性和均匀性，在沉井隔舱钢结构内，无须振捣仅靠自重就能填充沉井隔舱内部。等研究了粉煤灰掺量对混凝土性能影响，发现当粉煤灰含量时，混凝土具有良好的工作性能。张艺清等以硅粉作为絮凝材料、粉煤灰作为碱水材料进行合理配合比设计，制备出水下高流动性和水下抗分散高性能混凝土。翁龙通过研究浪溅区和水变区混凝土腐蚀程度，发现在混凝土添加矿物以后会增加表面氯离子浓度。等开展了骨料粒径对混凝土性能影响研究，发现混凝土最大骨料增大时，混凝土抗拉强度减小。王迎飞等通过数理统计分析得出自密实混凝土水下较陆上离散稍有增加，可以适当放宽粗骨料粒径。宋伟明等总结苏通大桥水下自密实混凝土配合比设计工艺，对同类施工具有指导和借鉴意义。汲生军等通过在普通混凝土中加入抗分散剂研究混凝土在水下的流动性能，可对施工水域无污染。通过掺入聚丙烯酰胺絮凝剂和硅粉，董芸等研究掺合料、水粉比、砂率等因素对混凝土抗压强度和流动性影响，掺入硅粉可有效增强混凝土抗分散性能和抗压强度。为保证冬季自密实混凝土流动性，李俊毅等选择无氯、低碱高效防冻剂保证混凝土工作性能。董东等从控制混凝土流动性、混凝土冻结时间、水下无缝监控等方面进行全方位检测，能确定在 内达到抗压强度。依托沪通长江大桥，翁智财等通过间隙通过性试验和灰色关联度分析，为水下自密实混凝土制备提供了试验和理论依据。在自密实混凝土设计方法和制备技术方面，刘运华等评述了已有的工作进展，测试和分析混凝土流变性能及硬化后的微观结构。李方贤等采用常规方法对自密实混凝土进行检测，发现胶凝材料在 ，混凝土流动性、抗离析性及气孔结构较小。吕兴军等对自密实混凝土配合比设计理念及国内外方法进行了总结，对砂石含量计算方法具有良好借鉴意义。相对于广泛使用传统水下混凝土，在沉井隔舱狭小空间内，如何保证水下自密实混凝土不发生离析现象，对混凝土制备提出了更高要求，结合常泰长江大桥沉井隔舱内混凝土浇筑，研究砂率、胶凝材料量、粉煤灰掺量、增黏剂对自密实混凝土影响，提出水下抗分散混凝土最优配合比。结合抗分散混凝土封舱施工工艺，最终完成沉井隔舱内水下混凝土浇筑。工程概况 常泰长江大桥主航道桥为双层斜拉桥，其中主跨为 。上层为高速公路，下层为铁路和城际铁路，主墩采用台阶式沉井基础，沉井平面呈圆端形，底面尺寸 ，沉井共有 个井孔和 个隔舱，其中沉井外部、内部隔舱厚度分别为，如图 所示。首节沉井采用钢壳结构拼装而成，在注水着床后在隔舱内进行水下混凝土浇筑。图 沉井结构布置（单位：）（：）重难点分析 常泰长江大桥沉井截面尺寸大，井壁混凝土浇筑顺序应保持横轴向和纵轴向对称，底部必须以全断面支撑防止沉井倾斜，对现场施工布置要求高。普通水下混凝土浇筑易发生水析现象，沉井隔舱内部结构复杂难以充填密实，需研制新型水下自密实抗分散混凝土。沉井基础首节，水下混凝土浇筑落差大，浇筑时间长，现有水下混凝土难以保证工程质量。水下自密实混凝土配合比设计 本次试验采用常泰长江大桥水上搅拌船生产混凝土，其中碎石二级配粒径为，表观密度为 ；采用细度模数为 的区中砂，水 施工技术（中英文）第 卷泥为江苏省鹤林生产的普通硅酸盐水泥，粉煤灰为镇江生产 级粉煤灰，拌合水来自泰州自来水厂，混凝土试验基本配合比水胶比为 ，胶凝材料为（水泥 ，粉煤灰 ），砂率为，粉煤灰掺量为，减水剂为 。将混凝土所需水泥、砂、水等材料加入到混凝土拌合船中，搅拌完成后采用运输车在江边进行原位试验。在原有配合比基础上，试验设计水胶比（，）、胶凝材料用量（，）、砂率（，）、粉煤灰掺量（，）等因素对混凝土工作性能的影响，水下混凝土和易性试验参考 水工自密实混凝土技术规程测试混凝土流动性与坍落扩展度，本次试验通过混凝土在漏斗流出时间考察其流动性，混凝土脱模后进行钻芯取样，按 水工混凝土试验规程测试混凝土抗压强度，对其混凝土性能进行分析。水下自密实混凝土工作性能分析 混凝土流动性是重要性能指标，胶凝材料用量越大，漏斗流出时间越短。当胶凝材料用量为 时，混凝土漏斗流出时间下降较快，流出时间减小近，如图 所示。漏斗流出时间均随着水胶比的增大逐渐减低，水胶比在 时，混凝土在漏斗内流出时间下降最快，如图 所示。漏斗流出时间均随着增黏剂掺量的增加先减小而后有增大，当增黏剂掺量为 时，混凝土漏斗流出时间最小，如图 所示。漏斗流出时间随着砂率的增大先减小而后略有增大趋势，在一定范围内砂率越大导致固体颗粒间的摩擦和碰撞减少，流动性能改善，但随着砂率的继续增大，浆体含量一定时包裹骨料的浆体层厚度变小，润滑度下降，新拌混凝土的流动性反而会受到影响。当砂率达到 时，形漏斗流出时间最小，如图 所示。随着粉煤灰掺量逐渐增大，混凝土中粉煤灰发挥了良好的富浆效应、微集料填充效应和滚珠润滑形态效应，使混凝土扩展度得到较好改善。随着粉煤灰掺量在 ，贯入度出现微幅下降，混凝土稳定性有所增加，当粉煤灰掺量在 时，混凝土具有较好的工作性能，如图 所示。水下自密实混凝土抗压性能分析 将浇筑混凝土切割成 立方体试块，研究胶凝材料、砂率、水胶比等因素对图 混凝土流动性能分析 混凝土抗压强度的影响。胶凝材料用量（）对混凝土力学性能的影响如图 所示。在相同胶凝材料用量情况下，混凝土，强度出现先增加后减小趋势，添加胶凝材料后，混凝土强度均可满足水下 混凝土设计强度等级要求。整体而言，胶凝材料用量对混凝土抗压强度影响并不显著，抗压强度 韩鹏鹏等：常泰长江大桥沉井水下抗分散混凝土施工关键技术 均保持在 以上。图 混凝土力学性能分析 水胶比（）对混凝土力学性能的影响如图 所示。随水胶比增加，不同龄期混凝土强度呈逐渐降低趋势，水胶比越大，降低幅度越明显，当水胶比在 时，混凝土强度的降低相对平缓，当水胶比 时，混凝土强度降幅较显著。水胶比为 的，龄期混凝土试件抗压强度相对于水胶比 的混凝土抗压强度分别降低，。水胶比在 时，混凝土长龄期强度均可满足水下 混凝土设计强度等级要求。砂率（）对混凝土力学性能的影响如图 所示，随着砂率增加，不同龄期混凝土强度基本呈先增加后降低再略有增加趋势，砂率变化对混凝土强度影响最大为，整体而言，砂率变化对混凝土强度的影响相对较小。砂率在 时，混凝土长龄期强度均可满足 混凝土设计强度等级要求。当砂率为 时，同一龄期混凝土的抗压强度最大，这可能与该砂率下自充填混凝土骨料达到紧密堆积的状态有关。粉煤灰掺量（）对混凝土力学性能的影响如图 所示。随着粉煤灰掺量增加，早龄期 混凝土强度呈逐渐降低趋势，粉煤灰掺量越高，强度越低；随着粉煤灰掺量增加，混凝土 和 龄期强度基本呈逐渐增加趋势。早期强度的降低可能与粉煤灰早期活性未发挥有关，随着粉煤灰掺量增加，混凝土的早期强度降低；而 和 后期强度的提升与粉煤灰的二次火山灰效应作用有关。混凝土中增黏剂含量较低，对混凝土强度基本无影响。最终配合比推荐 根据对上述试验结果分析，可看出水胶比、胶凝材料用量和粉煤灰掺量是影响混凝土工作性能的主要因素，而砂率和增黏剂掺量对混凝土工作性能的影响相对较小。综合考虑水胶比、胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量和增黏剂掺量等因素对混凝土工作性能、稳定性、力学性能和耐久性能的影响，沉井隔舱内水下自密实混凝土最优配合比为：水泥，粉煤灰 ，增黏剂 ，砂，碎 石 ，水 ，减 水 剂 。沉井隔舱内水下混凝土施工技术 施工整体布置 沉井隔舱内水下混凝土浇筑时，在沉井对角布置 艘混凝土搅拌船进行混凝土生产，同时布置 艘浮式起重机进行辅助起重作业，沉井顶部安装 台拖泵。混凝土搅拌船生产的混凝土通过自身的布料杆输送至沉井上的拖泵，拖泵将混凝土泵送至料斗进行混凝土浇筑。混凝土生产过程中，在混凝土搅拌船左右进行砂石补料，水下混凝土浇筑布置 施工技术（中英文）第 卷如图 所示。图 沉井水下混凝土浇筑设备布置 沉井顶面布置 由搅拌船生产混凝土，通过搅拌船的布料杆供料至沉井顶面的拖泵，拖泵通过泵管泵送至沉井顶面的布料机进行混凝土浇筑，台 布料机均安装在沉井中隔墙的十字交叉位置附近，如图 所示。根据混凝土浇筑顺序，布料机需在施工过程中挪动 次，以覆盖沉井顶面。图 布料机布置 料斗分为 种类型：集料斗、承料斗、补料斗。集料斗用于第 次水下混凝土浇筑时，封口混凝土浇筑施工及后续混凝土供料，集料斗的容量不小于封口混凝土方量。承料斗用于封口混凝土浇筑，封口混凝土浇筑完成后将其拆除，利用补料斗进行补料。施工浇筑顺序 沉井共有 个隔舱，分为 种类型的标准隔舱，形状主要为十字形、土字形、工字形 种。考虑井壁内部支撑结构基本为横向布置，在水平方向对混凝土流动限制少，按隔舱各导管覆盖 的距离范围（混凝土流动半径），同时确保每个转角内设置 套导管的原则，对各隔舱导管进行布置，每个隔舱最多布置 根导管。同时，各导管间布置测点，监测隔舱混凝土浇筑高度，沉井隔舱类型如图 所示。按施工安排，艘搅拌船供料，最少需同时对称图 沉井隔舱类型 浇筑 个舱，其中 艘拌合船按照 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号隔舱的顺序浇筑，另外一艘拌合船按 号号号号号号号号号号号号号 号隔舱的顺序浇筑（见图）。同时，在浇筑过程中关注沉井姿态、应力和挠度等监测数据，并根据实际监测数据对浇筑顺序进行调整。图 沉井隔舱混凝土浇筑顺序 结语 ）通过混凝土流动性试验，研究水胶比、粉煤灰、砂率、增黏剂、胶凝材料用量对混凝土工作性能分析，当胶凝材料保持在 ，水胶比 ，砂率为，粉煤灰掺量为，增黏剂掺量在 时，自密实混凝土具有良好的流动性能；在同等条件下，只有水胶比对混凝土材料抗压强度有显著影响，当水胶比增加时，混凝土抗压强度有所降低。）在沉井隔舱内浇筑普通水下混凝土前，首先用抗分散水下自密实混凝土进行首封，可避免混凝土产生离析现象。）沉井隔舱内水下混凝土浇筑方量大，需始终保持对称浇筑，需合理平面布置才能避免沉井姿态倾斜。韩鹏鹏等：常泰长江大桥沉井水下抗分散混凝土施工关键技术 参考文献：，（）：，：张艺清，董芸 粉煤灰和硅粉对水下自密实混凝土性能的影响 混凝土，（）：，（）：翁龙 水下不分散及水下自密实混凝土长期耐久性研究工程技术研究，（）：，（）：，：王迎飞，王胜年，黄君哲，等 水下自密实混凝土力学性能的研究 水运工程，（）：，（）：宋伟明，陶建飞，李青 水下自密实混凝土封底在苏通大桥的应用 施工技术，（）：，（）：汲生军，马炳启 水下不分散混凝土的配比与施工 水运工程，（）：，（）：，董芸，张艺清 渠道衬砌板水下不分散混凝土的配合比设计与性能研究 水利水电技术，（）：，（）：李俊毅，董爱华，白燕荣，等 低温施工水下不分散混凝土和自密实混凝土配制技术研究 水运工程，（）：，（）：董东，邹丽华 浅谈水下自流平混凝土 混凝土，（）：，（）：翁智财，谢永江，安明喆，等 沪通长江大桥水下自密实混凝土工作性能试验研究 铁道建筑，（）：，（）：刘运华，谢友均，龙广成 自密实混凝土研究进展 硅酸盐学报，（）：，（）：李方贤，韦江雄，王辉诚，等 胶凝材料用量对新拌自密实混凝土性能的影响 华南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：吕兴军，丁言兵，曹明莉 自密实混凝土配合比设计研究进展 混凝土，（）：，（）：长江水利委员会长江科学院，中国长江三峡集团有限公司水工自密实混凝土技术规程：北京：中国电力出版社，：，南京水利科学研究院，中国水利水电科学研究院水工混凝土试验规程：北京：中国电力出版社，：，（上接第 页）朱庆，王所智，丁雨淋，等铁路隧道钻爆法施工智能管理的安全质量进度知识图谱构建方法武汉大学学报（信息科学版），（）：，（）：谢和平，张茹，任利，等川藏铁路深埋隧道围岩灾变分析与思考工程科学与技术，（）：，（）：