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摘要：高性能混凝土泵送在高墩大跨径桥梁上部结构施工中应用越来越多。本试验主要研究混凝土的泵送问题。基于多重复合技术，经过试验优化出的高性能混凝土，搅拌出机后拌合物有良好的保水性和粘聚性，2～3h内泵送性能优良。试验结果表明：要选择合适的集料级配与减水剂掺量，尽量减少水泥用量，依据该配合比设计方法所配制混凝土的抗压强度与期望值具有良好的一致性。
关键词：高性能混凝土泵送施工；桥梁大体积混凝土设计；控制措施
高性能混凝土的胶凝材料用量大，其水化反应放出大量的热量，使混凝土结构内部温度升高。高性能混凝土构件内部温度达到70℃以上是很常见的现象。目前混凝土结构验收时，均以标准条件下养护、边长为150mm的立方体混凝土试件的28d抗压强度是否达到要求为基准。在混凝土结构断面尺寸较小，混凝土强度等级不高时，试件强度基本能反映实体结构内部混凝土的性能。但是对于大体积高性能混凝土结构，试件与实体结构内部混凝土的性能相距甚远。为了进一步研究高性能混凝土构件内部的温升对其性能的影响，探讨试件与实体结构内部混凝土性能的关系，研究了标准养护、高温养护和基于混凝土绝热温升曲线的温度匹配养护（简称温度匹配养护）对用纯水泥、水泥–磨细矿渣粉和水泥–粉煤灰–硅灰等不同胶凝材料体系配制的高性能混凝土的强度的影响。
1.工程概况
流溪河特大桥跨省道S118处（28#－31#墩）孔跨布置为29+43+34m，全长106m，路幅宽度为2×16.25m，梁高2.5m，跨越省道S118处净空约6.25m。上部结构采用支架现浇预应力混凝土连续箱梁。本段连续箱梁为直腹板等高度连续箱梁，梁高2.5m，采用单箱双室断面。顶板宽16.25m，底板宽11.25m，悬臂板宽2.5m。腹板厚度变化范围为50～70cm；顶板厚度变化范围为26～45cm；底板厚度变化范围为23～45cm。
2.试验概况
2.1试件设计
试件取工字形，柱截面形式为方形，尺寸为250mm×250mm，试件剪跨比有1.0、1.5和2.0共3种，对应柱高分别为500mm、750mm和1000mm。试验考虑的变化参数主要有轴压比、剪跨比、混凝土强度等级、箍筋形式和配箍率等。高性能箍筋直径为5mm，抗拉强度为1100MPa，配箍形式采用单个方形箍筋、八角形复合箍筋、井字形复合箍筋3种，箍筋间距以50mm为主，其他间距为30mm和80mm，设计混凝土强度等级采用C50两种，试验轴压比取0.5和0.7两种，纵筋采用12根直径为12mm的HRB400级热轧钢筋，保护层厚度为20mm。
2.2原料
所用的胶凝材料采用P.Ⅱ42.5R粤秀牌珠江水泥，配合比没有粉煤灰、矿渣，减水剂采用高效减水剂，水泥及矿物掺合料的化学成分如表1所示。减水剂为聚羧酸缓凝高效减水剂（固体含量为20%）。粗集料为5～20mm连续级配反击破碎石；细集料为细度模数2.7的天然河砂，属II区中砂。
砂石：常规泵送作业要求最大骨料粒径与管径之比不大于1：3；但在超高层泵送中因管道内压力大易出现分层离析现象，此比例宜小于1：5，且应控制粗骨料的针片状含量。针对当地的地材情况，采用5～20mm连续级配石子，采用天然水洗中砂。
外加剂：选用减水率较高、保塑时间较长的聚羧酸缓凝高效减水剂。同时，适当调整外加剂中引气剂的比例，以提高混凝土的含气量，进一步改善混凝土在较大坍落度情况下有较好的黏聚性和黏度。细骨料粒径分布状况是影响混凝土泵送的重要因素。针对骨料筛分析结果加入一定量的石灰石微粉，可降低混凝土的黏性，有助于增加流动性和泵送性能，可降低泌水率，降低结构填充过程中所形成的孔隙量。
2.3制备
根据表1配合比制备混凝土样品。试验过程中控制原材料与室内温度，使混凝土的入模温度在25℃左右。C50配合比按配制抗压强度59.9MPa设计。
表1混凝土的配合比
2.4表征
高性能混凝土的绝热温升特性采用博远BYATC/A型混凝土绝热温升测定仪测定。用于抗压强度试验的试样尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，分别采用标准养护、温度匹配养护和50℃高温养护等养护制度。水灰比越低，拟绝热温升的温峰值和温升速率越大，且到达温峰值的龄期越早；拟绝热温升养护条件对高强高性能混凝土抗压强度的发展具有促进作用，且促进作用随水灰比的提高而更显著。
1)标准养护。试件成型后覆盖塑料薄膜，在室内静置24h后拆模，放入标准养护室内养护至规定龄期。2）温度匹配养护。试件混凝土成型后覆盖塑料薄膜，迅速连模具一起放入水热养护箱中养护7d，养护箱内温度根据同样配合比的混凝土的绝热温升曲线调整，7d后拆模，移入标准养护室内继续养护至规定龄期。3）高温养护。试件混凝土成型后覆盖塑料薄膜，迅速连模具一起放入温度预先设置为50℃的水热养护箱中养护7d后拆模，移入标准养护室内继续养护至规定龄期。按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定3、7、28和90d龄期混凝土的立方体抗压强度。
3.胶凝材料对混凝土绝热温升特性的影响
图1为不同胶凝材料体系高性能混凝土的绝热温升曲线。可见温度开始显著上升的时间从长到短依次为水泥–粉煤灰–硅灰体系、水泥–磨细矿渣粉体系和纯水泥，这反映了胶凝材料早期水化活性的高低。纯水泥混凝土的早期温升发展速率最快，水泥–磨细矿渣粉体系混凝土次之，水泥–粉煤灰–硅灰体系混凝土最慢。随着水化龄期的延长，纯水泥混凝土的温升速率降低，水泥–磨细矿渣粉体系混凝土的温升速率保持恒定。大约5d后水泥–磨细矿渣粉体系混凝土的温度超过纯水泥混凝土的。水泥–粉煤灰–硅灰体系混凝土的温度持续缓慢增加，但温升值最小。水泥–磨细矿渣粉体系混凝土、纯水泥混凝土、水泥–粉煤灰–硅灰混凝土7d时的温升值分别为51.3、48.9和40.4℃。磨细矿渣粉替代水泥并不能降低胶凝材料的水化放热量。由于磨细矿渣粉缓慢持续的水化反应，水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料的最终放热量大于纯水泥的。虽然硅灰反应程度高，但粉煤灰参与反应的程度低，使体系总的放热量偏小。
标准养护条件下，对于使用含有35%矿物掺合料的复合胶凝材料配制的混凝土LS和LF，3d抗压强度分别比使用纯水泥配制的混凝土LC的低38.4%和38.7%。这是由于3d时矿物掺合料还没有发挥出活性，仅仅起物理填充作用。7d强度则分别比混凝土LC的低13.1%和21.6%，降低的百分比已经低于其掺量百分比，尤其是水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料体现出了明显的活性。这是由于磨细矿渣粉已经开始参与水化反应，对混凝土的强度发展做出了贡献。对于用水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土LF，粉煤灰的活性低于矿渣，硅灰的活性高，但是掺量少，对强度的贡献有限，导致其7d抗压强度低于混凝土LS。28和90d龄期时混凝土LS和混凝土LFd的抗压强度均超过混凝土LC的，矿物掺合料的火山灰效应开始对混凝土的强度发展产生明显的影响。
图1高性能混凝土绝热温升曲线
综合评价和易性与扩展度、黏度和成本等，选用粤秀牌水泥、JS-1000型聚羧酸缓凝高效减水剂。另外，砂率对混凝土泵送也有一定影响。当混凝土拌合物通过非直管或软管时，粗集料颗粒间相对位置将产生变化。此时，若砂浆量不足，则拌合物变形不够，便会产生堵塞现象；若砂率过大，集料的总表面积和孔隙率都增大，拌合物显得干稠，流动性较小。因此，合理的砂率值主要根据混合物的坍落度及黏聚性、保水性等特性来确定（此时，黏聚性及保水性良好，坍落度最大）。
4.公路桥梁大体积混凝土施工质量控制措施
4.1温度监测
为了全面控制混凝土的温度，需要实时检测其温度。在进行该项工作的过程中，应该遵循“底—中—表”的原则。一般来说，选择的垂直检测点的距离应该至少为80cm；中间、边缘的测温点的距离应该控制在5m左右。在实际工作中，一般选择的是预留孔洞的方法来测量其内部的温度。温度计的选择要符合实际工作的需要，通常是液晶显示温度计。在测量温度的过程中需要遵循如下的基本原则：温度上升阶段，只要温差超过了35℃，必须采取必要的措施来降低覆盖厚度，以实现温度的降低；如果温度下降的过程中温差超过了15℃。应该采取必要的升温措施，保证其具备较强的保暖效果。水冷却可以在混凝土浇筑的分层中应用薄壁钢管，将其作为冷却水管，冷却之前需要做好试水工作，避免冷却水管发生堵塞或者漏水现象，在此同时还需要做好冷却水管的水温与进水量，以提升大体积混凝土的施工质量与效率。
4.2结构设计
科学合理的结构设计可以有效减少工程数量，降低水热化，例如夏季高温时，搅拌站采用骨料遮阳、水槽中加冰水等措施来降低混凝土的温度，使之不高于36℃。降低水温，可以补偿混凝土内部的温度和收缩产生拉应力，避兔混凝土裂缝产生。其次需要改变大体积混凝土评定验收方式，考虑施工现场模板拆装转运，经济成本因素，一般验收期20至40天左右，并充分考虑混凝土后期的强度，提高水泥等级的标号，从而有效减少混凝土的水泥用量。
4.3泵送施工保证措施
C50属于高性能混凝土，混凝土强度高、粘度大，加之泵送高度大，造成泵送压力过高，泵送效率较低。为保证泵送施工的顺利实施，主要解决好在确保混凝土强度的前提下如何保证其可泵性。
4.3.1水泥混凝土C50配合比设计
对于超高泵送条件下高性能混凝土除了既满足强度、耐久性、经济合理、良好的可泵性等通常须考虑的因素外还必须处理好以下几个方面。
1）水泥用量：水泥用量少强度达不到要求，过大则混凝土的粘性大、泵送阻力增大则增加泵送难度，而且降低吸入效率，为此我们水泥用量选择为480kg/m3；2）坍落度：普通的泵送作业中混凝土的坍落度在160mm左右最利于泵送，坍落度偏高易离析、低则流动性差。在超高泵送中为减小泵送阻力，坍落度宜控制在180～200mm。同时还要求2h-4h内坍落度损失较小，确保可泵性；3）细集料：根据试验数据得出，细骨料的细度模数低于2.6时，配制混凝土的需水量会增加，细集料中的含泥量同样会加大用水量和外加剂用量，加大混凝土干缩，降低混凝土耐久性和强度，所以我们将中砂的细度模数控制在2.7～2.8；4）粗集料：选用规格4.75～9.5mm占40%，9.5～19mm占60%合成5～20mm连续级配的碎石，尽最大限度地减少孔隙率，降低水泥砂浆的用量，减小混凝土的干缩，降低水化热。
4.3.2泵送工艺
泵送设备的选择。根据以往已有的经验以及参考借鉴一些文献资料，本项目选择了HBT80C电动机混凝土拖泵，该型号泵最大输送压力22Mpa；电比例排量无级调节，满足各种工况需求；双动力功率分流技术，既可同时工作以提高工作效率，也可单独作业，即使1台发生故障仍有备用发动机继续工作，大大提高了施工过程的可靠性。管道系统则考虑为：桥面以下所用的泵管为直径125mm的高压泵管，保障管道的抗爆能力；施工现场主要采取泵送车工工艺桥面上则采用普通泵管。管道间的连接用高性能抱箍，其螺杆强度保证纵向拉力由螺杆承受，使接头处得到可靠保障。
合理布管。布管应根据混凝土的浇筑方案设置并少用弯管和软管，尽可能缩短管线长度和最大弯头的原则，尽量减小输送阻力减少堵管；出口锥管处不许直接接弯管，应按规程接入一定长度的直管后再接弯管。泵送中途接管时每次只能加接一根且应用水润滑内壁、排尽空气。确保连接处牢固、稳定，弯管处应设加固；各抱箍一定要紧到位，保证接头密封严密；与泵机出口锥形管直接相连的输送管必须加以固定，以便每次泵送停止清洗洗管路时拆装方便；垂直布置管道时，垂直向上的每根管都宜设加固点，垂直管路随着高度的增加，被输送的混凝土有回流的趋势，应在泵机和垂直管路之间铺设一定长度的水平管路，以保证有足够的阻力阻止混凝土回流，水平管路的长度一般不应少于垂直管路长度的15%。
砂浆量太少或配合比不合格导致的堵管。1）砂浆用量太少因为首次泵送时，搅拌主机、混凝土输送车搅拌罐、料斗、管道等都要吸收一部分砂浆，如果砂浆用量太少，将导致部分输送管道没有得到润滑，从而导致堵管。正确的砂浆用量应按每200m管道约需2m3砂浆计算，搅拌主机、料斗、混凝土输送车搅拌罐等约需1m3左右的砂浆。因此泵送前一定要计算好砂浆的用量。砂浆太少易堵管，砂浆太多将影响混凝土的质量或造成不必要的浪费。2）从混凝土可泵性能考虑，选用河砂，以II区中砂为最佳，通过0.315筛孔的砂不应少于15%，砂率控制在38～45%范围内。
结论
要想提升大体积混凝土工程的施工质量，施工操作及管理人员需要明确工程中的各个环节与步骤，改进施工工艺，引进先进施工方法，同时需要不断强化施工质量控制，从材料、机械设备、施工人员等方面入手，对大体积混凝土施工进行深入的优化与改善，进而提升公路桥梁大体积混凝土工程的施工质量，促进我国公路桥梁建设事业的可持续发展。
参考文献
［1］李德刚．桥梁工程中大体积混凝土施工技术及温控措施探析［J］．技术与市场，2014，（12）：207．
［2］王汝刚．桥梁工程大体积混凝土施工技术分析［J］．江西建材，2015，（1）：169．
［3］李海．桥梁工程承台大体积混凝土施工技术研究［J］．黑龙江交通科技，2014，（1）：84，86．
论文作者:林裕先
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/13
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