中铁五局四公司试验分公司 刘鹏
摘要：本文以银西铁路咸阳渭河特大桥242#～243#墩1孔128m简支系杆拱自密实混凝土施工为例，通过实践，总结施工过程中对影响混凝土质量因素的分析判断及采取的措施。钢管拱自密实混凝土除了对混凝土性要求高之外，施工工艺也比普通混凝土要求更高，其目的是为了形成一个均匀、密实的整体性受力结构。做好这一工程，必然是集成多种技术和管理的系统工作。要达到这一目的，这个系统中的所有工作都要做好，包括原材料质量、配合比设计、生产及运输、现场施工管理等方面。针对每一方面的工作都需要详细的部署和实践，才能避免各种不利因素对工程质量的影响。
关键词：自密实混凝土、质量控制
- 工程简介
银西铁路咸阳渭河特大桥242#～243#墩1孔128m简支系杆拱上跨G70福银高速，高速里程K1686+700，相交夹角34°。梁全长132.5m，计算跨度为128m，拱肋立面投影矢高26m。系梁横截面为单箱双室截面，断面高3m，梁端加高至3.5m，支座中心距梁端各1.5m。拱肋结构设计为刚性系梁刚性拱，设两道拱肋。拱肋外径为130cm壁厚20mm的钢管混凝土空腹哑铃型截面，上下两钢管中心距2.6m，拱肋截面高3.9m，拱管内灌注C55自密实补偿收缩混凝土。
全桥拱肋C55自密实补偿收缩混凝土718m³，采用泵送顶升灌注法，利用混凝土输送泵的压力，在拱座上部拱肋开灌注口，在拱顶开排气孔，将混凝土沿钢管拱肋从下往上一次灌注完成，保证混凝土的连续和均匀。钢管混凝土的作用机理，是通过钢管对管内混凝土的“箍套”作用使混凝土处于三向受压状态，使得混凝土的承载能力大为提高。所以管内混凝土的质量直接影响拱的受力状态，因此钢管混凝土质量要求非常严格：管内混凝土不能出现断缝、空洞；管内混凝土不能与管壁分离、脱粘；混凝土必须连续灌注，一气呵成；同一拱圈必须待下弦管拱肋混凝土达到设计强度的80%以上后，方可浇注上弦管混凝土。
因此，C55自密实补偿收缩混凝土质量控制是系杆拱混凝土质量控制最关键的部分。
二、自密实混凝土施工存在的技术难点及风险
（一）配合比技术困难
1.大流动性混凝土浮浆
在大流动性混凝土生产中普遍产生浮浆，浮浆即是在过湿混凝土顶部由水泥和微细粒料所形成的弱材料层，混凝土减水剂掺量过高、施工过程中振捣过多、用水量超都有可能产生浮浆，其产生的原因是水和气泡夹带胶凝材料上浮造成的，原因比较容易理解，混凝土体系中水和空气的密度是最小的，当混凝土的稠度不足，就不能够阻止水和空气上浮，泌水和浮浆都是这样形成的。
浮浆对混凝土结构的危害是不言而喻的，浮浆层较混凝土实体收缩更大，导致混凝土表面产生裂纹，有时甚至会造成贯穿混凝土内部的裂缝现象，不利于混凝土结构整体受力。同时，混凝土表面浮浆过多会导致内部各原材料分布不均匀，影响结构整体性能。上述工程中运用到的钢管混凝土为大流动性自密实混凝土，减水剂掺量以及胶凝材料总量较正常混凝土有明显的提高，浮浆过多会导致收缩加剧使钢管内出现空洞也会导致钢管内混凝土强度分布不均，直接影响钢管拱的受力情况，因此必须采取必要措施既保证混凝土的大流动性，又能够抑制混凝土浮浆。
2.混凝土收缩
普通混凝土都存在收缩，一般情况下，混凝土收缩在可接受的范围，对结构不会产生较大影响，所以不需要做特殊处理。我们需要知道的是，混凝土的收缩来自于混凝土中浆体的收缩，因为骨料不会收缩，所以浆体越多的混凝土收缩量越大，本工程所用的自密实混凝土浆体比例远远高于一般的混凝土，所以收缩量必然远远大于一般的混凝土。
本工程钢管混凝土拱肋为钢管混凝土拱桥的主要承重结构，管内混凝土必须与钢管壁密闭紧贴，这样才能使钢管对管内混凝土产生“箍套”作用，加大钢管拱的承载能力。混凝土收缩量过大混凝土与钢管壁产生离缝，使钢管对管内混凝土产生的“箍套”作用大大减弱，对钢管混凝土结构受力产生不利影响。因此本工程自密实混凝土应良好的具有收缩补偿性，即补偿收缩混凝土，其微膨胀率≥混凝土收缩率，使混凝土在硬化后依旧填充满钢管，钢管与混凝土形成一个整体，使拱肋受力能力增加。
3.工作性保持时间
本工程混凝土灌筑采用泵送压注，在泵送顶升的全过程中，混凝土需始终保持良好的可泵性，混凝土工作性保持时间要求较长；每次压注工作时间达3-5小时，压注过程中混凝土要在钢管内流动，因此，混凝土应具有较好的缓凝性，泌水率较低，且流动度要高，便于混凝土自动扩张填充。拌合站距离施工现场的运距为1h左右，施工中每根管需压注的最大方量为168.3m3,按照每小时压注30 m3算，则泵送时间为2.8h，再加上混凝土罐车运至现场可能需要等待十几分钟至半个小时，因此，该自密实混凝土保坍时间至少需要3h，且在3小时至5小时之间保持可塑性。这其中就对混凝土中的减水剂要求很高，其保坍性能必须满足现场施工要求。
4.高标号混凝土粘度过大
高标号混凝土配合比在设计过程中往往会使用较低水胶比、较高胶凝材料用量，造成了混凝土用水量降低，混凝土粘度变大。这样就会造成泵送混凝土时，混凝土与泵送管粘度加大，不易泵送。
同时混凝土含气量的多少也会直接影响混凝土的粘度，含气量越低混凝土的粘度越大，但是含气量并不是越高越好，越高则会使混凝土强度明显降低，因此合理控制混凝土含气量范围，对混凝土施工便捷性而言也有很大的影响。
本工程是钢管混凝土，在泵送顶升过程中混凝土粘度过大，更加会使管内混凝土不易往上方向压注，极易造成堵管，施工停滞的情况。因此，如何合理控制混凝土粘度，使混凝土容易泵送，这在配合比设计与现场施工前准备工作中尤为重要。
（二）拌合站生产运输环节
1.材料不均匀引起的工作性变化
材料不均匀所引起的混凝土工作性能变化的情况经常发生，尤其是大方量混凝土生产过程中。原材料的变化以细骨料含水率及含泥量的变化、粉煤灰烧失量和需水量的变化对混凝土工作性影响最为突出。细骨料含水率不均匀使得无法准确计算混凝土的实际用水量，配合比可能会失去控制；含泥量和粉煤灰质量变化会使混凝土需水量改变，不及时做出调整会出现流动性不足、离析、泌水，甚至有些材料会影响减水剂的效果，使保坍时间发生显著改变。自密实混凝土是大流动性混凝土，工作性要求比普通混凝土高得多，胶凝材料用量和细骨料用量也比普通混凝土多，所以这些材料的变化对混凝土工作性的影响表现的更加明显。这种明显的差距表现在：当材料发生变化，根据普通混凝土的生产经验对工作性没有太大影响，但是对自密实混凝土引起的变化会使混凝土不能够满足要求，也就是说依据普通混凝土生产控制经验来控制自密实混凝土是不够的，往往会出现不理想的效果。所以应对材料品质波动对混凝土工作性带来的变化是自密实混凝土施工中令众多试验人员头痛的问题。
2.环境温度变化对混凝土工作性影响
本工程中所使用的自密实混凝土工作性保持时间需要4小时左右，4小时的扩展度不小于600mm，5小时还要保持可塑性。基于这样的要求，外加剂需要综合使用缓凝技术和缓释型减水剂技术。简单来说，缓凝技术可使混凝土凝结时间延长至我们需要的时间，缓释型减水剂在混凝土中分阶段发挥作用，使混凝土在4小时能够保持600mm扩展度。这里使用的缓释型减水剂对温度变化比较敏感，就是说在不同温度的情况下它的释放时间不同。温度比较低的时候发挥作用的时间偏迟，会在后期某个时间段集中发挥作用，造成混凝土流动性过大甚至离析；温度高的时候发挥作用的时间偏早，也会造成混凝土前期离析，后期保持时间不足。基于这样的问题，生产过程中温度的变化对自密实混凝土工作性的影响成为不能忽视的问题。
3.不当操作对混凝土工作性的影响
混凝土工作性能的变化除了原材料、环境温湿度、现场施工的影响外，还有许多不当的操作也会对混凝土的性能有较大的影响，其中有些影响可能是不可逆的，比如拌合站操作系统的故障、称量系统的不准确、搅拌机操作手未规范操作、罐车接料前未进行空转把积水排除等，这些操作直接的改变了施工配合比，生产出来的混凝土不满足设计与施工要求，就会造成不可逆的影响。混凝土生产过程中的不当操作有时又对于我们调整混凝土时有一定的误导作用，不当的操作所引起的混凝土性能变化有时又无法调整，所以对于这种行为在我们混凝土生产中应完全杜绝，在混凝土生产过程中时刻关注，避免出现不当操作。
（三）施工中的风险
1.技术风险
钢管拱肋混凝土施工采用高压泵送顶升灌注工艺，拱肋（上弦管）弧长约127.3米（下弦管123.7米），全桥拱肋C55自密实补偿收缩砼718m³。要保证钢管混凝土的均匀性和整体性，混凝土必须一次性灌注饱满，保证过程连续不中断，灌注的过程持续4～5个小时，要做到这一点，混凝土的浇筑方案必须要详细且具有可实施性。
现场施工前的准备工作：人员、仪器的合理安排，在何处设置排气孔，泵车泵送能力，罐车数量的计算，灌注孔的设置，加载设计及灌注顺序等如何做出合理的安排对于技术岗位具有极大的挑战性。当混凝土浇筑时应该是否完全按照施工方案进行，对运输至现场的混凝土的性能如何检测，对于不满足现场浇筑条件的混凝土的处理方式，这些方面都会直接影响混凝土的灌注质量。
2.管理风险
混凝土施工生产过程中涉及了项目不同部门之间的配合和沟通，拌合站负责混凝土的生产，生产前对河砂的翻拌、减水剂罐的循环、罐车空转放水以及对罐车司机不得加水的要求都非常重要。试验室主要的职责则是对出站混凝土性能的检测，对混凝土工作性发生变化时的调整，积极与现场试验人员交流，了解混凝土工作性能的变化情况，对混凝土工作性发生变化时的调整。作业队主要负责混凝土浇筑、罐车与泵车的协调，因此各部门资源之间的合理调配、相互配合、积极沟通，都对整个施工有重要的影响。
三、应对措施
（一）配合比设计方面
钢管混凝土拱桥的主要承重结构为钢管混凝土拱肋，因此钢管混凝土的配合比选择除要考虑它的早强、良好的可泵性外，还需特别考虑自密实混凝土如何控制浮浆、收缩、粘度过大、工作性保持时间长等问题。为此，我们在配合比设计中采取以下措施：
第一，使用高分子增稠剂来增加混凝土稠度，抑制混凝土浮浆。选用20万分子量的羟丙基甲基纤维素，用量为胶凝材料的万分之二至万分之五，该材料对抑制混凝土浮浆有很好的效果，成功抑制了混凝土浮浆；
第二，对于混凝土收缩，解决相对简单，目前市场上有成熟的膨胀剂，通过试验，选用硫铝酸盐类Ⅰ型膨胀剂，7天（水中）限制膨胀率≥0.025%，21天（空气中）限制膨胀率≥-0.020%，保证能够有效补偿混凝土收缩；
第三，对于低水胶比混凝土粘度过大，我们采取的方法是使用引气技术，提高混凝土的含气量，将含气量控制在7%左右。含气量增加以后不仅降低了浆体粘度，也使浆体的体积增加，使混凝土更加饱满，包裹性更好，使施工浇筑更容易操作。
第四，对于混凝土工作性保持时间长的要求，我们使用了缓凝剂和缓释型减水剂技术，使混凝土的工作性可保持在4-5小时。为了应对不同温度下缓释型减水剂的效果，我们在不同温度下做了试验，在不同温度下通过调整外加剂的掺量来和控制出机扩展度，使混凝土的工作性在容许的范围内。
通过以上措施，最终确定的配合比见表1，试验结果参数见表2
（二）混凝土生产、运输及浇筑环节
1.针对材料变化应对措施
第一，根据预计的方量储备足够原材料，水泥、粉煤灰、粗细骨料、外加剂均为同一批次，进场后在试验室进行配合比验证，根据实际情况做出相应调整，从而保证原材料品质的均匀性。
第二，对于细骨料含水率，施工前将预计数量的细骨料用装载机翻拌均匀，控制含水率偏差在0.5%之内，生产过程中每隔两个小时检测粗细骨料含水率。
2.生产过程中的应对措施
为了应对环境变化和拌合过程对混凝土性能的影响，采取了以下措施：
第一，在混凝土生产前，为了预防应拌合站机器故障而导致的生产停滞以及称料系统不准确而导致的混凝土性能出现变化，对拌合站机器进行检修、对称料系统进行自校。砼生产前几天进行大机试拌，熟悉生产流程，保证搅拌机机况正常，保证运输罐车无积水，保证能够复现试验室配合比，同时检测混凝土的含气量、扩展度等指标，为在类似的环境条件小调整配合比积累经验数据。
第二，合理安排试验技术人员分工，除了要求配合比计算准确，配料准确之外，在搅拌机上观察搅拌电流、搅拌机内混凝土状态，作为控制工作性的参考依据，对每车混凝土出站前进行拌合物性能检测，对于拌合物性能结果在允许之外的混凝土及时在站内进行调整，对出站的混凝土罐车及时通知现场试验人员。
3.混凝土运输环节
混凝土运输由拌合站调度员统一指挥，根据方量和现场施工速度来安排罐车数量，保证混凝土供应连续。混凝土的质量由拌合站值班的技术员和施工现场值班的技术员共同把控，拌合站的试验员将混凝土出站的检测数据发送给现场试验员，每车混凝土到达现场检测一次扩展度和含气量，将结果反馈给拌合站试验员，彼此互通信息，及时了解混凝土工作性在运输过程中的变化，为拌合站的试验员调整配合比提供依据。
4.现场施工环节
现场检测每车混凝土的坍落扩展度及含气量，评估其能否满足施工及质量要求，混凝土拌合物指标超出可控范围的不予使用，同时将信息反馈于拌合站对生产配合比作出调整。
现场安排专人与拌合站人员沟通车辆信息，协调混凝土供应速度，做到现场混凝土罐车既不堆积也不缺少，保证现场砼能连续泵送。
开始泵送时混凝土输送泵处于低速压送状态，注意观察混凝土输送泵的工作压力和各部件的工作状况，待泵送正常后方可提高至正常压送速度。钢管拱肋混凝土施工选择白天进行，施工时备好土工布、水管等，土工布铺在钢管拱上，以做好养护准备，并防止突然升温，给浇筑带来不利影响。混凝土顶升时，应测量拱肋表面温度，如温度过高，须在拱肋表面覆盖土工布并浇水降温。当混凝土压送困难时，泵压升高，管路产生振动时，不能勉强压送，对管路进行检查，并放慢压送速度或使泵反转，以防堵塞。泵送过程中，专业质检人员可用敲击法判断管内砼填充情况，如有空隙，及时用管外加振方法解决。
四、结束语
钢管拱自密实混凝土除了对混凝土性要求高之外，施工工艺也比普通混凝土要求更高，其目的是为了形成一个均匀、密实的整体性受力结构。所以要做好这么一个结构的混凝土，必然是集成多种技术和管理的系统工作。要达到这一目的，这个系统中的所有工作都要做好，包括原材料质量、配合比设计、生产及运输、现场施工管理等方面。 针对每一方面的工作都需要详细的部署和实践，才能避免各种不利因素对工程质量的影响。
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