随着公路桥梁建设规模的日益增大、建设速度的逐步加快, 冬季低温环境下的桥梁施工尽管面临很大风险, 但也无法避免, 一旦施工质量控制不好, 便会留下工程安全隐患^[1]。

现浇桥梁冬期施工的特点及要点已有部分学者进行总结和应用。王雄等^[2]以北京市轨道交通亦庄线为例, 介绍了现浇桥梁冬期施工的技术要点;郝相阳等^[3]根据拉萨—贡嘎机场公路中才纳特大桥工程, 介绍了混凝土蒸汽养护各环节的质量控制措施;沈江涛等^[4]依托淄博市高新区高架桥工程, 阐述了箱梁冬期施工的温度测量和计算方法, 并提出相应注意事项;王海波^[5]基于青海省G315线察汗诺—德令哈断公路大桥, 介绍了悬臂现浇梁冬期施工保温材料的使用情况;赵永昱^[6]针对山西省高陵高速公路窄相特大桥预应力混凝土连续刚构实例, 从混凝土拌合、运输、浇筑和蒸汽养护等方面研究了预支箱梁冬期施工的质量控制措施;鞠兴华^[7]依托张石高速公路南水北调大桥, 研究了冬期施工中混凝土拌合、运输、浇筑、养护以及钢筋的焊接质量控制方法;肖宾^[8]通过对京沪高铁苏州段连续梁大体积现浇箱梁混凝土浇筑过程的论述, 提出施工的具体方案和浇筑完成后混凝土的养护措施。

根据JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》要求, 室外昼夜日平均气温连续5d温度<5℃时, 钢筋、混凝土、预应力及砌体等工程按冬期施工处理^[9]。桥梁冬期施工主要解决混凝土拌合物的出料温度及其养护问题。混凝土的出料温度控制以拌合用水加热为主, 在极端寒冷天气时采取砂加温措施以保证混凝土质量。在气温不是很低时, 养护混凝土温度在0℃以上时, 采用冬期施工配合比, 混凝土养护采用包裹蓄热法。当蓄热法很难保证混凝土入模温度在5℃以上、养护时混凝土在未达到设计强度40%以前受冻的情况下, 混凝土采用加热法养护。

本文依托的京石七标段桥梁工程位于北京市房山区, 该地区冬季寒冷干燥, 每年的11月15日至次年的3月15日为冬期施工段。由于征地拆迁原因, 有22联60跨现浇箱梁需进行冬期施工, 本文基于该工程背景, 对混凝土配合比优选试验过程及桥梁冬期施工方法进行详细阐述。

混凝土拌合物在浇筑后, 由于水泥水化热的作用, 能够慢慢凝结硬化, 达到最终要求的强度。影响水泥凝结硬化的主要因素有熟料矿物组成、水泥细度与龄期、养护温度与湿度以及水灰比。温度升高, 水泥水化作用反应速度加快, 水泥浆体强度增长也快, 但反应速度太快导致所形成的结构不致密, 反而会导致后期强度下降;温度降低, 水化速度降低, 强度增长缓慢, 早期强度较低, 而当混凝土中的水全部凝结为冰时, 水化作用便基本停止, 而强度也就不再增长^[10]。

因此, 在混凝土冬期施工中, 要采取一定的保温措施, 而通常水泥的养护温度需控制在5~20℃。新浇筑的混凝土在冻结前需要一段养护时间, 这就可以增加它内部的液态水, 减少固态水, 进而加速水泥的水化作用。试验研究表明, 混凝土受冻前的养护期越长, 强度损失就会越小^[11]。混凝土结构在冬期施工时, 其中的一些关键环节如若处理不当, 可能会出现工程质量问题。

为了保证混凝土冬期施工过程的安全和顺利, 本文针对混凝土的工作性能, 对其碳化机理及影响因素进行室内试验研究, 通过对比不同混凝土配合比条件下的试验结果, 得出现场施工所需的最佳配合比。

本次试验室内温度为23℃, 湿度为56%。原材料中采用P·O42.5普通硅酸盐水泥, 细骨料采用普通人工砂与河砂, 粗骨料采用石灰岩碎石, 粒径在5~30mm, 掺和料粉煤灰采用I级粉煤灰, 采用S95级矿石粉。

基于房山地区冬期施工的混凝土质量要求, 表1列出试验所用混凝土配合比组合。

基于以上5组试验方案, 对混凝土的强度、矿物掺和料与防冻剂对混凝土碳化性能的影响进行研究。

根据表1所列配合比进行试件成型, 放置于室温 (18~22℃) 实验室1d之后, 一半在标准养护室养护至预定龄期, 另一半进行自然养护。

对5组不同配合比的混凝土进行坍落度试验, 检测结果如表2所示。

由表2中数据可知, 试验组1, 2, 5中水胶比较大, 坍落度较小, 且试验组5混凝土为C35, 凝胶材料用量大;由于外加剂的影响, 试验组3, 4水胶比最小, 坍落度较大, 因此混凝土的工作性能最好。

试件尺寸为100mm×100mm×400mm, 经过标准养护之后, 于60℃条件下烘干2d, 之后将除顶、底两个表面之外的4个侧面采用石蜡密封。

将试件放于碳化箱, 保持箱内CO₂浓度为17%~23%, 温度为18~22℃, 湿度为65%~75%。

碳化7, 14, 28d后分别取试件进行劈裂试验, 随后喷1%的酚酞酒精溶液, 30s后测试试件的碳化程度。试验结果如图1所示。

由图1可知, 随着时间的推移, 混凝土碳化深度逐渐增大, 试验组3的碳化程度在各时期均最小。

混凝土试块达到预定龄期后进行抗压强度试验, 试验机采用TYE-2000B型。最终结果如图2所示。

由图2可知, 试验组1, 2, 5在2种养护条件下的强度均不能满足配制要求, 这是由于温度较低时, 水泥水化速度降低, 混凝土强度增长较慢;试验组3, 4中, 自然养护条件下的混凝土强度虽然也未达到配制强度, 但是试验组3已达到配制强度的97.1%, 且标准养护条件下的强度已远大于配制强度。

综合以上分析, 结合材料性能以及混凝土的工作性能、抗碳化能力, 试验建议配合比如表3所示。

桥梁冬期施工主要解决的问题之一即为混凝土拌合物的配合比。基于以上试验结论, 对混凝土进行拌制。

拌制时投料顺序为石子→砂→水→水泥和掺和料→外加剂, 时间应较常温时间长50%。混凝土拌合物的出机温度≥10℃。生产期间, 派专职负责骨料仓的人员下料, 以清除砂石冻块。必须随时测量拌合水的温度, 水温控制在 (50±10) ℃, 砂子温度控制在20~40℃, 保证水泥不与温度≥80℃的水直接接触^[12]。

混凝土的保温养护则是冬期施工另一个关键问题。本合同段桥梁下部构造施工处于初冬施工阶段, 主要采取蓄热法养护。

混凝土浇筑完成后立即采用棉被对模板进行包裹, 拆模后立即在其外包裹1层塑料薄膜, 外侧采用棉被加篷布包裹及覆盖保温。

箱梁四周外侧采用阻燃保温篷布进行全封闭覆盖, 篷布利用箱梁支架悬挂于箱梁支架外侧, 底部用土将卷角埋好, 篷布每隔3m采用麻绳按十字剪刀撑的布置方法于外侧将其捆绑固定, 防止风力过大损坏篷布, 如图3所示。为保证安全, 减少火灾安全隐患, 箱梁四周防护在箱梁浇筑前才开始进行。

为保证箱梁环境处于5~10℃, 箱室底部采用自制煤炉加温, 自制煤炉采用油桶制作, 设置在第1排水平杆上部, 采用架管扣件支撑并在底部铺垫铁皮, 煤炉底部留口通风, 通风孔上采用钢筋搭空, 钢筋上烧煤进行加温。火炉四周设置彩钢板围挡, 顶部采用彩钢板防护, 火炉底部四周2.7m范围内用砂子将底部支垫木板覆盖, 并在火炉一侧设置水桶, 以备救火。

经过现场试验, 每跨箱梁设置4个火炉, 顺桥方向按5m+10m+10m+5m设置, 横桥方向沿箱梁中线对称设置2道。

箱梁混凝土浇筑前应提前进行加温预热, 确保浇筑前的温度保持在5℃以上。

为保证空箱室温度达到规范要求, 箱室内采用电暖器进行加热, 每跨箱梁共6个箱室, 每箱室设置1个电暖器, 待箱梁混凝土浇筑完毕后及时进行放置, 如图4所示。但根据现场测温情况, 如为一次性浇筑箱梁仅需进行覆盖, 箱梁空箱室内无须放置电暖器。

为保障冬期施工混凝土质量, 在搅拌过程中应检查混凝土从入模到拆除保温层或保温模板期间的温度。

箱梁现场测温点分桥梁竖向设置4处, 第1处为测试浇筑现场环境温度, 第2处为测试箱室底模下1m处加温棚内温度, 第3处为箱梁空箱室内温度, 第4处为腹板内混凝土内温度。

箱梁混凝土浇筑完毕3d内应持续对梁底进行加温养护, 3d后根据混凝土条件试块的抗压强度 (是否达到设计强度的50%) 确定是否需要进行降温处理。如强度已达要求, 逐渐减少暖棚内的火炉使用量或降低火炉用煤量以达到梯次降温的目的, 当混凝土强度达到设计张拉强度 (100%设计强度) 并完成张拉、压浆后, 方可拆除加温火炉及保温设施。

拆除模板应根据与同条件混凝土结构养护的试件试验, 拆除前应先对环境温度及棚内温度进行检查, 温差>20℃时应逐步减少加温设施, 进行梯次降温;拆除后当混凝土表面温度与环境温度相差>20℃时, 仍应对混凝土表面加以覆盖保温, 使其缓慢冷却。

1) 钢筋工程施工尽可能采用套筒连接, 如需焊接, 必须采用钢垫板进行防护, 同时配备水桶及细砂, 作为应急消防使用。

2) 排架内部因采用煤炉加温, 其CO浓度控制采用专用CO报警器, 浓度超标后会自动报警。

3) 加强日常管理及巡视, 项目部管理人员按2人一班, 3h一岗, 定期对施工现场及驻地进行消防安全巡视及测温检查, 并将检查结果填写在各施工工点悬挂的值班记录表上。各施工工区班组安排专人, 每小时负责工地现场巡视并填写巡视记录。

4) 所有使用煤炉加温的部位安排专人24h值班, 火炉底部设置砂垫层、四周采用钢板围挡, 附近设置消防水、灭火器, 防止出现火灾事故。

5) 所有箱梁顶面施工, 应将消防水引至施工平台顶部, 消防管道应全桥拉通, 每隔10~15m设置喷水龙头, 消防池采用洒盐及电热棒通电, 消防管道采用隔热材料包裹, 防止消防水受冻。

6) 及时清除模板、梯步等通道内的积雪和积冰, 上下行马道铺设土工布起到防滑作用的同时, 确保泥土等杂物不带进施工现场。

通过经济、施工速度比较及现场实践, 采用在料仓设置暖气片对骨料进行加热、水循环加热系统对水进行加热, 借助满堂支架对箱梁进行整体覆盖, 用煤炉对箱梁进行加热的方式进行箱梁施工。该冬期施工方法简单, 成本较低, 保温效果良好, 从2012年12月19日开始浇筑第1联箱梁起, 至2013年1月31日浇筑完所有22联60跨现浇箱梁及6联6跨现浇空心板梁, 历时43d, 平均每1.5d浇筑1联现浇箱梁或空心板梁, 圆满完成了施工任务, 从目前拆模的效果及强度来看, 外观良好, 无较大缺陷, 强度也满足设计要求, 具有一定的推广意义。