【摘 要】: 武汉天兴洲公铁两用长江大桥3#主塔墩承台长69.5 m, 宽39.8 m, 高6 m, 混凝土方量15 550 m3 ,属超大体积混凝土施工。本文主要介绍了在大体积混凝土施工实践中, 为降低水泥水化热, 控制混凝土的内、表温差, 避免混凝土产生裂纹, 而在混凝土原材料选择、设计和优化施工配合比、冷却水管及测温元件布置、温度监控及砼表面保温、通水养护等方面采用的施工方法。
【关键词】: 超大体积; 混凝土; 水化热; 裂纹控制
【中图分类号】: U445.55 + 9 【文献标识码】: B
【文章编号】: 1672 - 4011 (2008) 01 - 0148 - 04
1 引言
武汉天兴洲公铁两用长江大桥总长度为9.3 km, 其中主桥长4 657 m, 主跨504 m, 是世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥。该桥上层为6车道公路, 设计时速80公里, 下层为可并列四列火车的铁道, 设计时速200公里。天兴洲公铁两用长江大桥主桥为双塔三索面三主桁斜拉桥, 主桥桥式布置为(98 + 196 + 504 + 196 + 98) m。3#墩为天兴洲大桥主塔墩, 位于长江天兴洲南汊主河槽中, 基础为40根<3.40 m大直径钻孔灌注桩, 桩顶设置承台, 承台长65.3m, 宽39.8 m, 高6.0 m, 其平面设计为带圆角的矩形, 四角的圆弧半径为R = 2.9 m。承台底标高+ 4 m, 承台混凝土设计强度为C30, 混凝土方量15 550 m3 , 钢筋1 604.2 t。
3#墩承台在2005年底至2006年初的长江枯水位期间施工, 桥位处枯水期水位约+ 10 m。承台采用双壁钢吊箱围堰法施工, 围堰平面为矩形, 轮廓尺寸为69.5 m ×44 m ×15 m, 壁厚2 m。围堰在钻孔桩施工期间作为钻孔平台, 承台施工时将围堰下放, 封底后作为挡水结构。考虑到封底混凝土的承载能力, 承台施工分两次进行, 第一次浇注2m, 混凝土方量5 183 m3 , 第二次浇注4 m, 混凝土方量10 367 m3。
2 承台大体积混凝土施工的特点及难点
3#主塔墩为天兴洲长江大桥的控制性工程, 承台施工位于水面以下, 施工技术复杂, 更是3#主塔墩施工的重中之重。长江水位落差大, 水位上涨快, 故要求承台施工必须在枯水期完成, 施工工期紧, 工序转换快。
武汉天兴洲长江大桥跨度大、承载重, 设计使用年限为100年, 质量标准高, 对混凝土的耐久性要求非常高,承台混凝土内、表均不允许出现裂纹, 而承台混凝土体积超大, 故对水泥水化热的控制, 即对混凝土内、表温差的控制, 防止混凝土表面出现裂纹是本工程最大的难点。
3 承台施工前的准备工作
3.1 混凝土原材料和配合比的选择
混凝土原材料选用原则: 优选材质, 提高普通混凝土的抗拉性能; 应用微膨胀外加剂, 改善混凝土的收缩性质;选用有效的缓凝高效减水剂和粉煤灰, 提高混凝土的和易性, 减少水化热。
(1) 水泥: 考虑普通水泥水化热较高, 特别是应用到大体积混凝土中, 大量水泥水化热不易散发, 在混凝土内部温度过高, 与混凝土表面产生较大的温度差, 使混凝土内部产生压应力, 表面产生拉应力。当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝, 因此本工程采用水化热比较低的华新P.O32.5矿渣硅酸盐水泥, 通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能, 提高混凝土的抗渗能力。
(2) 粗骨料: 骨料在大体积混凝土中所占的比例一般为混凝土绝对体积的80% ～83% , 应选用膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。本工程采用阳新碎石, 粒径5 mm～26.5 mm, 含泥量不大于0.7%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土, 和易性较好, 抗压强度较高, 同时可以减少用水量及水泥用量, 从而使水泥水化热减少, 降低混凝土温升。
(3) 细骨料: 宜选用颗粒坚硬、级配良好、粒径小于5 mm的天然洁净中砂, 其细度模数2.3～3.0, 含泥量≤2.0% , 其中泥块含量≤0.5%。本工程采用洞庭湖中砂,平均粒径大于0.5 mm, 含泥量不大于2% , 选用平均粒径较大的中砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右, 同时相应减少水泥用量, 使水泥水化热减少, 降低混凝土温升, 并可减少混凝土收缩。
(4) 粉煤灰: 由于混凝土的浇筑方式为泵送, 且泵送距离约300 m, 为了改善混凝土的和易性便于泵送, 考虑掺加适量的粉煤灰。粉煤灰对降低水化热、改善混凝土和易性有利, 本工程选用青源热电优质的Ⅱ级粉煤灰。
(5) 外加剂: 在混凝土中掺用高效减水剂, 既减少水泥用量、降低水化热, 又延缓混凝土初凝时间, 延缓水泥水化热峰值出现的时间。本工程混凝土施工面积巨大, 对混凝土的初凝时间要求长, 选用平顶山神翔FDN - 800型缓凝高效减水剂, 外加剂的缓凝时间能满足施工的要求,使混凝土拌合物的初凝时间达到20 h～30 h, 其减水率在15%以上, 且能良好地改善混凝土的和易性和工作性。
(6) 拌和用水采用长江水, 水质应符合TB10210 -2001的规定。
我们通过试配, 在9组配合比试验中, 筛选出最优配合比如下表1, 配合比试验数据如下表2。
注: 参照《铁路混凝土结构耐久性设计与施工规范(讨论稿) 》, 做混凝土抗裂性能对比试验, 未发现裂纹,因此可判定该配合比的混凝土抗裂性能良好。
3.2 混凝土生产、运输方案的选定
承台体积庞大, 因此我们尽最大可能组织足够资源进行混凝土施工, 施工采用滩地、水上混凝土两个混凝土搅拌站同时泵送混凝土, 滩地混凝土工厂配备2 套独立的HZS - 90型强制式混凝土生产设备, 实行全自动化生产,其设计生产能力为120 m3 /h, 生产的混凝土通过2台HBT- 60C混凝土泵输送到现场, 泵送距离约300 m; 水上混凝土工厂配备2套独立的HZS - 90型强制式混凝土生产设备,实行全自动化生产, 其设计生产能力为120 m3 /h, 生产的混凝土通过2台HBT - 80C混凝土泵输送到现场, 泵送距离约80 m。本工程在冬季施工, 混凝土搅拌时间比在常温时施工延长50%。
3.3 现场施工准备情况
(1) 基坑内积水、建筑垃圾已排除干净。
(2) 承台模板、钢筋及预埋件施工完毕, 并报验检查合格。
(3) 管理人员、施工人员、后勤人员、保卫人员等昼夜排班, 坚守岗位, 各负其责, 混凝土灌注、养护所需的机具设备配备齐全, 保证混凝土连续浇灌的顺利进行。
4 冷却水管、测温元件安装
鉴于3#主塔墩承台体积庞大, 为确保降温措施切实有效, 我们委托湖北工业大学针对3#墩大体积混凝土水化热进行了详细的计算, 并根据计算结果进行冷却水管的布置。
4.1 冷却水管布置方法如下:
(1) 为减少混凝土内部水化热, 降低混凝土内外温差,避免混凝土开裂, 采取在混凝土内设冷却水管通水降温的措施。
(2) 冷却水管网按照冷却水由热中心区域(承台中间部位) 流向边缘区的原则分层分区布置, 每层冷却管的进、出水口相互错开; 由于承台混凝土规模庞大, 根据混凝土浇筑的施工顺序, 冷却管布置分为4段8个区域: 沿承台长度方向分为4段, 每一段均分为2个区域, 每个区域内布置1套独立的冷却水管。
(3) 冷却水管采用壁厚2.5 mm、直径<42 mm的圆钢管。承台厚6 m, 沿承台竖向布置6层水平冷却水管网, 管网间垂直间距为1.0 m和0.75 m两种, 顶层管网至承台顶面距离为0.5 m, 底层管网至承台底距离为0.75 m; 同一管网内水管间的水平间距为1.0 m, 最外层水管距离混凝土最近边缘1.0 m左右; 管网的进出水口需垂直引出混凝土顶面0.5 m以上, 且出水口装有调节流量的阀门和测流量装置。同一层水管网的垂直进出水口要相互错开至少1.0 ,不同层水管网的进出水口也应相互错开至少1.0 m, 以便进行区分。
(4) 冷却水管安装时, 冷却水管应与承台主筋错开,若错开有困难, 可适当移动水管位置; 冷却管应与钢筋骨架或架立钢筋绑扎牢靠, 以防水管在混凝土振捣过程中变形或接头脱落。
(5) 冷却管网安装完成后, 冷却管网应分区分层编号,每一层管网的进出水管均应编号登记; 将进出水管与总管、水泵接通, 每层每区域冷却水管各自独立供水, 进行通水试验, 对接头缝隙进行处理, 保证密封、通畅。
(6) 冷却水管布置见图1。
4.2 测温元件布置
对大体积混凝土施工进行温度测试和监控, 是为了掌握混凝土内部的最高温升及中心部位与表面部位的温度差,以便采取内部降温、外部保温蓄热的技术措施, 降低并控制混凝土的内外温差, 防止混凝土结构产生裂纹。
(1) 为准确测量、监控混凝土的内部温度, 指导混凝土的通水养护, 确保大体积混凝土的施工质量, 我们在承台混凝土内布置了温度测量装置。
(2) 混凝土的温度测试是采用热电偶作温度传感器,将其密封并牢固绑扎在承台水平钢筋上, 用电缆连接到多点数字显示巡检仪上, 逐次显示各测点的温度, 从而达到对混凝土进行温度测试和监控的目的。
(3) 由于承台的平面形状是双向对称的, 冷却水管也是对称布置的, 考虑材料的节约和数据的可靠性、代表性,混凝土的温度测试监控在1 /4平面内进行。
(4) 3#墩承台测温元件沿竖向布置2层, 第一层布置在标高+ 5.25 m平面处, 用于监测第一次承台混凝土温度,第二层布置在标高+ 8 m平面处, 用于监测第二次承台混凝土温度, 测温元件的安装一定要位于两层冷却水管之间的中部位置; 每一层布置13个测点, 分别位于纵横2个方向的1 /8、1 /4、3 /8、1 /2这4个断面上及承台长边1 /2断面的侧面, 大气中布置一个测点, 并对测温元件进行编号、登记, 测温元件平面布置见图2。
5 混凝土施工
5.1 3#墩承台体积庞大, 浇筑前必须做好充分的准备工作。
(1) 混凝土浇筑前, 首先将基坑内的杂物、积水和钢筋上的污垢清理干净; 对模板、钢筋、预埋件、冷却水管网和测温管进行详细的检查, 并作好记录, 符合设计及规范要求后方可浇筑混凝土。
(2) 由于混凝土在低温季节浇筑, 为减少混凝土输送过程中的温度损失, 混凝土输送泵管全部用干草袋包裹保温。
(3) 混凝土灌注时, 滩地、岸上共四台泵向基坑输送混凝土, 每台泵在围堰施工平台上配置一台HG15型手动布料机, 布料机设置在围堰内支架顶面, 内支架顶距承台基坑底高度11.7 m, 每台布料机配置5套串筒, 每套串筒高度10 m。
(4) 混凝土浇筑采用从中间向上、下游方向全断面逐步推进的方法, 因此, 在布料机输送管出口处配置了8 m的软管, 以方便移动。并将串筒按灌注顺序摆放好, 在灌注混凝土的过程中依次倒用。
5.2 混凝土灌注
(1) 试验员对生产出来的混凝土进行检查监控, 按规范的要求进行坍落度试验、制作混凝土试件, 并观察混凝土的和易性, 符合要求才能使用。
(2) 混凝土浇筑采用斜向分层、从中间向两边全断面逐步推进的方法进行施工, 浇筑过程中提前倒用串筒, 并尽可能加快混凝土的浇筑速度; 在浇筑混凝土时, 同步抽出围堰相应位置双壁隔舱内相应重量的水, 以减少围堰的荷载, 确保围堰的安全。
(3) 混凝土振捣采用B50振动棒和B70振动棒配合使用, 浇筑时应准备足够数量的B50 振动棒和B70振动棒。承台的水平钢筋网尤其是底部水平钢筋网钢筋密集、钢筋之间的空隙小, 混凝土不易流动、大的振捣棒插捣困难,在该部分振捣时采用B50振动棒; 水平钢筋网之间的部分,钢筋数量很少, 采用B70振动棒插捣。在振捣时, 要特别防止振动棒碰到冷却水管, 以免冷却水管变形或因接头脱落而堵塞。
(4) 某一区域的冷却水管被混凝土完全覆盖后, 立刻将该区域的冷却水管通水, 从而尽量减少新老混凝土的温差, 防止混凝土开裂。
6 混凝土的养护与温度控制
6.1 混凝土养护
混凝土浇筑完毕终凝后即开始养护。混凝土养护采用保温蓄热法: 由于气温低, 混凝土终凝后, 我们在混凝土表面覆盖2层麻袋、2层塑料薄膜, 上下两层麻袋相互错开, 麻袋之间相互搭接, 这样就隔绝了大气与混凝土表面的直接接触, 形成良好的保温层, 并保持混凝土表面湿润。
6.2 通水冷却
(1) 某一区域内的冷却水管被浇筑混凝土完全覆盖并振捣完毕后, 立刻在该区域的冷却水管中通水, 对混凝土进行降温; 承台混凝土通水冷却时, 冷却管排出的水全部引至围堰外, 以保证围堰的安全。
(2) 控制冷却水的流量, 使进、出口水的温差不大于6 ℃, 一般可控制在1.2 m3 /h～1.5 m3 /h。
6.3 测温监控
(1) 测温时间: 混凝土覆盖某测温点后该点即开始测温, 承台两次混凝土测温均为18天, 第18天时混凝土内、表温度基本一致。
(2) 测温频率: 在温度上升阶段每2小时测一次, 温度下降阶段每4小时测一次, 温度稳定阶段每4小时测一次; 大气温度、进出冷却水温同时测量。
(3) 通过对测定的温度数据进行计算、分析, 及时指导现场混凝土养护。一般通过调节冷却水流量等方法来调控混凝土内部温度, 特别是在降温阶段, 为防止混凝土降温太快, 我们在温度监测的过程中不定时地隔层停止冷却水管的通水, 尽量使混凝土温度降温一天不超过2 ℃。
(4) 测定混凝土温度上升的峰值及达到峰值所需的时间, 定期记录冷却水管进、出水口的水 温, 绘制混凝土内部温度变化曲线。我们对承台大体积混凝土不同龄期的计算温度(峰值) 和实测温度(承台中心测温点) 进行了对比, 见图3。从图中可以看出承台两次浇注的混凝土内部实测温度均低于计算值, 且根据实测温度记录, 承台混凝土内、表温差最大值为9℃, 冷却水管进出水温差最大值为6 ℃; 从上述可知,我们对承台大体积混凝土的水化热控制非常理想, 有效地防止了裂纹的产生。
7 结束语
武汉天兴洲长江大桥3#主塔墩承台施工, 在混凝土终凝、拆模、养护期结束及砼28天龄期等不同阶段, 通过仔细检查, 混凝土表面均未出现裂纹, 质量优良。通过武汉天兴洲长江大桥3#主塔墩承台施工实践证明, 在超大体积混凝土施工过程中, 优选混凝土原材料, 科学设计和优化混凝土配合比, 依据计算的理论水化热来合理布置冷却水管、测温元件, 施工时合理组织, 提高砼浇灌速度, 认真做好温度监控及砼表面覆盖、通水养护工作, 对控制大体积混凝土的内、表温差, 避免混凝土裂纹的产生是行之有效的施工方法。
