真空辅助灌注技术+自密实无收缩混凝土在CFST拱桥中的应用

1 引言

中国近20年来CFST(钢管混凝土)拱桥发展迅速、应用广泛，根据文献[1]及后续的统计数据，截至2019年1月已有450余座。该桥型发展速度快，但相关的计算理论、施工规范并未跟上，直至2013年，住建部才发布了第一本国标GB 50923-2013《CFST拱桥技术规范》。一些省份，如广西，编制了地方标准对规范进行了补充，但仍有一些技术问题未能解决。其中，制约该桥型进一步发展的一项问题就是CFST脱黏问题。文献[2-3]研究表明：CFST脱黏问题普遍存在在CFST拱桥中，一直是工程界的难题，对其极限承载力和耐久性影响较大。造成CFST脱黏的因素有许多，其中，施工和混凝土收缩是重要的原因。为解决脱黏问题，部分专家、学者提出了一些新的施工工艺和新材料，该文介绍真空辅助灌注技术及自密实无收缩混凝土在CFST拱桥中的应用及其应用效果，以验证上述新工艺、新材料的理论，为同类桥型施工提供借鉴。

2 工程概况

马滩红水河特大桥为主桥跨径336 m的中承式CFST拱桥，全长553 m。大桥分左右两幅桥，全宽达55.8 m，主体钢结构约14 000 t。主拱矢跨比为1/4，拱轴系数为1.167。拱肋采用变高度四管桁式截面，拱顶截面高7.0 m，拱脚截面高12 m，拱圈净矢高80 m。主弦管直径1.2 m，管内灌C55混凝土，单管灌注混凝土约400 m3。大桥总体布置及横断面如图1、2所示。

图1 马滩红水河特大桥总体布置图(单位：cm)

图2 马滩红水河特大桥横断面图(单位：cm)

拱肋管内混凝土采用“两岸对称，从下往上，两级接力连续泵送顶升”的方式灌注。全桥共16根主弦管，共需进行16次灌注。首先，在拱脚和拱肋2/3高度处的弦管上开设进浆孔，焊接进浆阀门。然后，在两岸拱脚处各布置两台80型混凝土输送泵，将泵管沿拱背布置，连接到进浆阀。施工时，两岸各使用4台罐车运输混凝土至泵机，用泵机连续向上压注，直至混凝土到达拱顶，然后从拱顶排出浮浆。

3 真空辅助灌注技术应用

CFST灌注时，由于混凝土含气，其在向上压注过程中不断将内部气泡内的气体释放出来，因此，会在其表面与钢管壁之间形成气囊，影响混凝土的密实性。另外，拱顶区段的弦管较平缓，管内空气易悬浮在钢管顶部，混凝土在该区段不易将其挤出，也会在混凝土与钢管壁间形成气囊，影响CFST灌注的密实性。

为排除管内空气，马滩红水河特大桥拱肋CFST灌注时参考广西地标的要求，采用了真空辅助泵送顶升压注技术。抽真空系统构造如图3所示。

图3 抽真空系统布置示意图

(1) 抽真空系统与拱肋弦管通过拱顶出浆管连接，连接管采用高压软管。

(2) 拱肋弦管与抽真空系统设一个阀门1，阀门设于出浆管或连接管的顶部。

(3) 真空泵与拱肋弦管之间设一个储浆桶，桶的底部呈锥形，锥形底部设出浆管和阀门2。

(4) 真空泵和储浆桶之间设真空检测表和阀门3。

(5) 抽真空系统内部以及与外部的各处连接应保证牢固密封，不漏浆、不漏气。

真空辅助灌注操作步骤：

(1) 首先，在拱顶用型钢搭设施工平台，将抽真空设备安装在拱顶，并在拱肋钢管的1/8、1/4、3/8及拱顶抽真空系统处设置真空表。进行真空辅助灌注拱肋混凝土前，先提前进行空钢管试抽真空，检验设备的运转情况以及整个系统的密封性。

(2) 开始灌注后，当混凝土埋过进浆口2 m，确认进浆口不会漏气后暂停灌注，启动真空泵将弦管内空气抽出，达到-0.08 MPa的真空度，然后继续泵送第一级管内混凝土。混凝土顶升过程中，每泵送完1车就记录一次各点的真空读数，随时保持弦管内真空度维持在-0.08 MPa左右。

(3) 第一级泵送混凝土面接近排浆口，先将负压释放，直至弦管内恢复常压状态后，打开排浆口排出管内浮浆。浮浆排完后，关闭出浆口阀门。当第一级混凝土边界面到达二级进浆管下50 cm时，打开第二级进浆管阀门，暂停第一级泵机，启动第二级泵机。直到混凝土边界面高于第二级进浆管2 m时，然后启动抽真空系统，待真空度达到-0.075～-0.086 MPa(绝对真空现场无法达到，多次试验表明，采用-0.08 MPa左右的真空度可实现灌注密实无气囊)时，第二级泵机继续泵送混凝土。期间，随时保持弦管内真空度维持在-0.08 MPa左右。

(4) 当二级管内混凝土泵送到拱顶，拱顶出浆管开始出浆时，将混凝土泵送至储浆桶内至少1.0 m3后，暂停二级泵机，缓慢打开空气阀门，拆开真空系统与主弦管的连接，真空系统退出工作。然后泵机继续泵送混凝土。卸除负压时，人工用铁锤敲击出浆管，靠声音辨识混凝土面在出浆管内的位置，检查混凝土是否有回落，当发现混凝土面下降后，立即通知泵机再泵进混凝土，使混凝土重新填满出浆管，确保排浆管内混凝土面不回落至钢管内，以防止空气回流至钢管。反复进行上述操作，直至负压卸载完毕。

(5) 真空系统退出后，二级泵机继续泵送混凝土，拱顶出浆管不断排出浮浆，当管口浮浆排尽，出现良好混凝土后，暂停泵送，静置10 min。然后泵送两下，再静置10 min。当出浆管内无明显气泡后，关闭二级进浆管阀门，完成单条主弦管浇筑。

灌注过程中，现场技术人员详细记录每泵送完1车混凝土后各处真空表的读数，该文选取有代表性的一次真空度记录(左幅上游内侧下弦管)进行分析，具体如表1所示。

表1 真空度检测记录(南宁岸半拱数据)

从表1可看出：CFST灌注过程中，管内始终维持-0.08 MPa左右的负压。马滩红水河特大桥共16根主弦管，均采用了真空辅助灌注。

4 自密实无收缩混凝土

为解决管内混凝土间的脱空问题，大桥项目组研发了可控制可设计膨胀混凝土。原理是在混凝土中掺加CaO和MgO两种新型膨胀剂，利用特制的CaO类膨胀组分实现强度生成过程中的早期膨胀，利用高活性MgO类膨胀组分实现中期膨胀，利用低活性MgO膨胀组分实现后期膨胀，通过采用不同活性膨胀组分多元复合，实现硬化混凝土分阶段、全过程的收缩抑制，达到无收缩的目的。

传统补偿收缩混凝土可补偿一定的收缩量，JGJ/T 178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》要求28 d限制膨胀率为-0.01%，未能做到真正的无收缩。项目组参照该规程对自密实无收缩混凝土提出了更高的试验控制指标，具体如表2所示。

表2 自密实无收缩混凝土体积变形控制指标

为确保混凝土达到设计的性能，使用磨圆整形的碎石作为混凝土骨料，以提高其工作性能及骨架密实性；使用优质的天然砂作为细集料；以及使用Ⅰ级粉煤灰和42.5级硅酸盐水泥。

经多次试验后，得出了混凝土的配合比，满足上述指标要求。项目组还进行了1∶1的CFST收缩试验。试验采用3根直径1.2 m的钢管，每根3 m高，分别进行基准(不掺膨胀剂)、单掺(掺1种膨胀剂)、双掺(掺两种膨胀剂)3种混凝土的收缩对比。在钢管中心布置了径向及轴向应变计，测试其混凝土浇筑完成后的内部温度及变形历程。采集了50 d的数据(图4)，图4显示，双掺混凝土的性能较优，从灌注完成至50 d龄期一直呈微膨胀状态，未发生收缩。

图4 试验管混凝土轴向应变历程

采用双掺混凝土进行实桥灌注，配合比见表3。

表3 自密实无收缩混凝土配合比 kg

采用表3配合比，得到混凝土坍落度为180～220 mm，扩展度为580～650 mm，工作性能良好，实桥灌注较成功。混凝土灌至拱顶，从出浆管排出后，浮浆也较少。

5 CFST成形效果检测

由图4可知：灌注完3 d，混凝土尚未开始收缩。在3 d龄期时采用敲击法和超声波对整条CFST的灌注密实性进行检查，各测区检测结果如表4所示。

表4显示，3 d龄期CFST灌注饱满性好，填充密实，真空辅助灌注有效。

对28 d龄期的CFST采用超声波法检测其黏结情况，采集了声速、波幅和波形等数据及图形，各测区检测结果如表5所示。

同时，在拱顶弦管内埋设两个应变计进行混凝土变形测定，从灌注完成开始，连续自动测量和记录，结果如图5所示。

表4 CFST检测结果(3 d龄期)

注：各测区波形均正常、清晰。

表5 左幅上游内侧下弦管CFST超声波检测结果(28 d龄期)

注：各测区波形均正常、清晰。

图5 实桥混凝土钢管内中心混凝土轴向应变历程

从图5可看出：混凝土的变形曲线在前3 d呈上升趋势，而后下降，从第5 d开始呈平缓，但一直保持正应变状态，采用双掺膨胀剂制作自密实无收缩混凝土是成功的。150 d龄期后，对部分声速值低于4.5 km/s的部位进行钻孔验证，未发现脱黏现象。灌水检查也无渗漏现象。

6 结语

要提高CFST的密实性，减少和杜绝混凝土与钢管间的脱空现象，可先采用真空辅助灌注技术将混凝土灌满，其次，使用自密实无收缩混凝土，使其在钢管中不产生收缩。事实证明，上述新技术和新材料的联合应用可大幅提高CFST的质量及耐久性，同时提高拱肋的极限承载力，这亦是CFST拱桥迈向更大跨径的保障和途径。