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二航 海水拌制泥浆方案
行业新闻 2019-12-09 22:23

  二航 海水拌制泥浆方案_建筑/土木_工程科技_专业资料。上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 第七章 海水拌制泥浆方案 1、工程概况 上海崇明越江通道长江大桥位于长江入海口,属感潮河段,主通航孔斜拉桥主墩基 础、辅助墩及边墩

  上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 第七章 海水拌制泥浆方案 1、工程概况 上海崇明越江通道长江大桥位于长江入海口,属感潮河段,主通航孔斜拉桥主墩基 础、辅助墩及边墩基础,均采用大直径钻孔灌注桩。在水上进行钻孔桩施工时,如采用 淡水拌制泥浆可能会受到海水的污染,影响泥浆的性能,而且主通航孔桥所在区域离陆 地较远,淡水供应非常困难,在试验的基础上确保海水拌制泥浆的安全性和可行性,具 有非常显著的社会效益和经济效益。本企业武汉港湾工程设计研究院对海水泥浆的配制 技术以及海水泥浆对混凝土耐久性的影响进行了深入研究,曾编制《杭州湾跨海大桥海 水拌制泥浆钻孔桩现场施工指南及质量控制标准》,确保了海水拌制泥浆在杭州湾大桥 的顺利实施。本企业将针对上海崇明越江通道工程实际情况,研究适应其地质条件、海 水理化指标的泥浆配制技术,确保海水泥浆在本工程安全、可靠地使用。 2、海水泥浆在国内外工程中的应用 2.1 美国加州交通局项目 CARQUINEL BRIDGE(卡坚尼斯桥) 该桥在美国旧金山市以北海湾,连接 VALLEJO 和 CROCKETT,跨越卡坚尼斯海峡。其 桥型为悬索桥,★△◁◁▽▼跨度约为 0.7km,有 24 根φ 3.0m、平均深度 100m 的钻孔桩,全部采用 海水拌制泥浆。 卡坚尼斯桥(CARQUINEZ BRIDGE) 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-125 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 2.2 美国加州交通局项目 BENICIA/MARTINEZ 大桥 该桥跨度约为 1.5km,连接 BENICIA(班西亚市)和 MARTINEZ(马天拿斯市),有 136 根φ 2.5m 的钻孔桩,钻孔桩平均深度 55m,由 SEGMENTAL 公司设计,KIEWIT PACIFIC COMPANY 施工。工程造价为 3200 万美元。该桥 2002 年 4 月开工,其钻孔桩采用海水泥 浆拌,现施工已基本完成。 班尼西亚—马天尼斯桥(BENICIA-MARTINEZ BRIDEIE) 2.3 崖门大桥 崖门大桥是广东省西部沿海高速公路上的关键工程项目,跨越崖门水道入海处,属 典型的沿海地区河流水文地质情况。全桥长 1296m,为双塔单索面混凝土斜拉桥,主跨 338m,跨径在我国同类桥梁中排行第一,亚洲第二。其主墩位于深水区,基础由 18 根 Ф 3.0m 钻孔灌注桩组成 ,平均深度 60m,最长深度达 80m。通过分析论证,在多次试验 的基础上,最终采用海水造浆技术顺利完成了桩基的施工。 2.4 海沧大桥 海沧大桥位于厦门西海域,是国家“九五”重点工程之一,为兼具公路和城市桥梁功 能的内海港湾大桥。全桥 5926m,其中东航道主桥长 1108m,为主跨 648m 悬索桥结构, 是世界第二、▲●…△亚洲第一的三跨连续全漂浮体系钢箱梁悬索桥。通过科研攻关,解决了海 水造浆的技术难题,△成功完成桥梁基础钻孔灌注桩的施工。另外,海水泥浆在胶州湾高 速公路女姑口跨海大桥、青岛李村河灰管桥及广东镇海湾大桥等工程中的应用,•☆■▲都收到 良好的效果。 2.5 杭州湾跨海大桥 杭州湾跨海大桥南起宁波慈溪,北至嘉兴海盐,全桥长度 36km,是建设中的世界上 最大的跨海大桥,它也是我国沿海大通道建设中第一座跨海大桥。其桥型为主跨 318m 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-126 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。其南航道桥为单塔双索面斜拉桥,跨径组合为 318m+160m +100m。其中 D13 墩为主塔墩,○▲D11、D14 墩为过渡墩,☆△◆▲■D12 为辅助墩。D13 主墩基础设 计有 38 根直径 2.8m,单根桩长 120.2m 的钻孔灌注桩,桩底标高为-120.0m。地质情况 主要以淤泥质亚粘土、淤泥质粘土、亚粘土、粘土、砂层为主。 在 D13 墩钻孔桩施工过程中使用海水拌制泥浆。根据现场测试结果,在成孔过程中, 泥浆比重可以控制在 1.1-1.2,粘度可以控制在 18-21s,PH 值控制在 9-10 左右,胶 体率可以控制在 90%左右。清孔换浆后,泥浆的比重可以控制在 1.12-1.15,粘度可以 控制在 17-19s,PH 值可以控制在 9-10s,胶体率可以控制在 95-98%之间。其中 26 #孔由于机械故障原因导致在成孔的过程中停工时间长达 8 天,但由于泥浆质量优良, 护壁效果好,孔壁仍然十分稳定,确保了钻孔桩的安全施工。 3、海水拌制泥浆对钻孔桩砼耐久性影响综述 3.1 海水泥浆对钢筋腐蚀性能的研究 为研究成孔后钻孔灌注桩浇筑混凝土前钢筋在海水泥浆中的腐蚀状况,我们试验观 察了钢筋浸泡在不同泥浆中的腐蚀状况并采用线性极化法测量钢筋在泥浆中的腐蚀速 率,试验结果见表 7.1。 项目 钢筋浸泡 12h 钢筋浸泡 1 天 钢筋浸泡 2 天 钢筋浸泡 3 天 钢筋浸泡 7 天 泥浆浸泡钢筋目测试验结果 海水泥浆 呈墨绿色,未发现锈斑 呈墨绿色,未发现锈斑 呈墨绿色,未发现锈斑 呈墨绿色,未发现锈斑 呈墨绿色,未发现锈斑 表 7.1 淡水泥浆 呈乌黑色,未发现锈斑 呈乌黑色,未发现锈斑 呈乌黑色,未发现锈斑 呈乌黑色,未发现锈斑 呈乌黑色,◆◁•未发现锈斑 3.1.1 海水泥浆浸泡钢筋目测试验 通过以上试验发现,△▪️▲□△★▽…◇钢筋浸泡在海水泥浆中,尽管有大量氯离子存在,但 钢筋表面没有发现锈蚀,将钢筋拿出泥浆暴露于空气中,墨绿色物质速迅转化为红色铁 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-127 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 锈,由于氧和水的共同作用,氯离子破坏了钢筋的保护层,从而加剧了锈蚀的产生。 3.1.2 线性极化法测量钢筋腐蚀速率 由图 7-1 可以看出,在试验龄期内,钢筋浸泡在海水泥浆的腐蚀速率略大于浸泡在 淡水泥浆中,掺阻锈剂海水泥浆的腐蚀速率早期较小,后期基本等同于淡水泥浆。钻孔 灌注桩施工时,钢筋浸泡在海水泥浆中的时间较短,而且由于缺氧和碱性钝化模的保护, 因此钢筋不会产生明显的锈蚀。 腐蚀速率(mm/y) 0.14 0.12 海水泥浆 0.1 0.08 0.06 淡水泥浆 0.04 0.02 海水阻锈剂泥浆 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 时间(天) 图 7-1 钢筋在不同泥浆中的腐蚀速率 3.2 模拟试验中氯离子分布规律的研究 60cm 12cm 图 7-2 模拟试验中浇筑漏斗示意图 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 60cm 2 1 4 3 6 5 图 7-3 混凝土试件取样部位示意 5-128 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 浇筑漏斗 图 7-4 模拟浇筑过程 浇筑过程 氯离子含量(%) 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1 2 图 7-5 混凝土试件上端氯离子含量分布 氯离子含量(%) 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 3 4 图 7-6 混凝土试件中部氯离子含量分布 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-129 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 氯离子含量(%) 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 5 6 图 7-7 混凝土试件下端氯离子分布 我国《水运工程混凝土施工规范》(JTJ268-96)规定了混凝土拌合物中的氯离子最 高限量,见表 7.2。海水环境中钢筋混凝土的最高氯离子限值为水泥重量的 0.1%。美国 混凝土学会 ACI222 报告《混凝土中钢筋腐蚀》中规定,潮湿环境中普通混凝土最高氯 离子限值为 0.1%。(酸溶法以水泥重量百分比计) 混凝土拌合物中氯离子的最高限值(以水泥重量百分比计) 表 7.2 环境条件 预应力混凝土 钢筋混凝土 素混凝土 海水环境 0.06 0.10 1.30 淡水环境 0.06 0.30 1.30 因此,在海水泥浆中浇筑混凝土,在保证浇筑过程顺利的情况下,混凝土中氯离子 含量可以满足有关规范的要求。混凝土中氯离子的分布规律为:在沿钢筋纵向范围内, 氯离子中间最低,底部最高,在同一平面内,中间较低,四周较高,这是由于中部混凝 土在浇筑顺利的情况下,不会受到海水泥浆的污染。现场钻孔桩浇筑时,由于混凝土方 量大且采用机械化设备施工,混凝土的施工质量更加有保障。 3.3 现场试桩氯离子分布规律研究 为研究海水泥浆钻孔灌注桩混凝土氯离子分布规律,对现场试桩进行混凝土钻芯取 样,试件用酸溶法处理后,滴定结果见表 7.3。 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-130 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 试件编号 桩内混凝土氯离子总量检测结果(以水泥百分比计) 表 7.3 桩芯距孔顶标高(m) 桩边距孔顶标高(m) 0.5 1 2 3 0.5 1 2 3 海水桩 0.0087 0.0072 0.0060 0.0058 0.0090 0.0085 0.0081 0.0077 淡水桩 / 0.0054 0.0056 / 0.0059 / / 0.0061 现场取样结果可以看出,淡水桩和海水桩混凝土中氯离子含量都很低,均满足《水 运工程混凝土施工规范》(JTJ268-96)对混凝土中氯离子含量的规定。 同时,我们对海水桩中预埋的钢筋进行了取样检测,■□电子探针检测结果显示:钢筋 表面含有微量氯元素,检测数据与表 7.3 基本相同。 3.4 理论分析 理论上普遍认为:氯离子侵入混凝土内钢筋表面,破坏钢筋的钝化膜,在有水和氧 的情况下发生电化学反应,形成微电池,使钢筋锈胀造成混凝土开裂,从而降低混凝土 结构的使用寿命。 混凝土中钢筋锈蚀是一种电化学过程。在氯离子作用下,●钢筋表面局部活化形成小 的阳极,钝化表面成为阴极区,自由电子到达阴极与氧和水结合生成氢氧根离子。阳极 产生铁溶解是在钢筋钝化膜破坏之后,阴极过程则在钢筋仍处于钝化状态时即可进行埋 置于无氧、◇▲=○▼=△▲未碳化混凝土中的钢筋不会发生锈蚀,因为混凝土中孔隙溶液具有碱性(PH >12.5),在这种 PH 值范围内,钢筋表面生成一层氧化膜,阻止阳极铁的溶解。由于碳 化混凝土的 PH 值低于 10 或钢筋表面氯离子含量超过临界值,保护膜破坏,在有水和氧 存在的条件下,就会发生钢筋锈蚀。 因此,只有氧和水的共同作用下才发生电化学腐蚀,而在干燥环境中或是在水下(不 含氧时),海水混凝土中的钢筋是不会发生锈蚀的。 本工程钻孔灌注桩平均深度在 100m 左右,桩四周均有钢护筒嵌入泥床,钢护筒基 本阻断了桩内混凝土氧气的来源,在钢护筒以下的泥床内,钻孔桩混凝土的氧含量也非 常的少。在水下混凝土中,溶解在水中的氧很难扩散,而在半干燥的混凝土中氧的扩散 却快很多倍。因此,缺氧是水下钻孔桩混凝土不发生锈蚀的主要原因。 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-131 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 根据试验结果可知,采用海水拌制泥浆会导致钻孔桩内混凝土含有少量氯离子,但 含量小于水泥重量的 0.1%,能够满足我国《水运工程混凝土施工规范》(JTJ268-96) 的要求。 美国混凝土协会在《混凝土中钢筋腐蚀》报告中指出:氯离子对钢筋的腐蚀与氯离 子的掺入方式有很大关系,氯离子通过混凝土扩散到钢筋的腐蚀要远大于氯离子直接掺 入到混凝土中。因为氯离子掺入混凝土后会与水泥结合生成 “Friedel”盐,即 3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O,被结合的氯离子对钢筋锈蚀无害,并且能延缓氯离子的渗 透过程。□▼◁▼而且,氯离子掺入混凝土中其含量相对稳定,可以减少腐蚀的发生。相反,氯 离子扩散到硬化混凝土表面,当混凝土本身存在缺陷,如有裂缝存在、混凝土致密程度 不同或保护层厚度不同等原因,导致混凝土内钢筋的环境条件(氯离子浓度、氧气、水 份等)相差很大,由于混凝土内钢筋的相互连接,当有些钢筋处于氯盐腐蚀的环境中而 有些处于钝化状态,导致大阴极、小阳极的产生,快乐时时彩技巧钢筋的电化学腐蚀将会加速。 综上所述,采用海水拌制泥浆虽然会使钻孔桩混凝土带有少量氯离子,但其含量满 足规范要求。由于水下钻孔桩环境中缺氧以及混凝土硬化时会结合部分氯离子,因此不 会导致钻孔灌注桩混凝土钢筋的锈蚀。 4、海水泥浆配制技术 4.1 海水泥浆原材料优选及性能指标 1)桥址海水理化指标检测 2)造浆粘土的优选 选用蒙脱石为主的钠基膨润土。因为蒙脱石含量高的膨润土,阳离子交换容量大, 膨胀性及分散性能好,造浆率高,配制的泥浆流变性能好,失水量小。 3)增粘剂的优选 选用聚阴离子纤维素(简称 PAC)。PAC 是羧甲基纤维素 CMC 的衍生物,是一种阴离 子型线性高分子物质,能在海水中不降粘,具有增稠性、保水性、抗盐性及较好的薄膜 成形性。PAC 有高粘度、低粘度两种。粘度越高,增粘效果越好,•●但粘度过高会影响其 在泥浆中的溶解性。◇•■★▼ 4)分散剂 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-132 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 分散剂的首要作用是使进入水中的膨润土颗粒分散开来,形成外包水化膜的胶体颗 粒,减少了内部阻力,泥浆中如含有 Mg2+、▲●Ca2+、Na+等金属离子,泥皮的形成性能降低, 比重增加,致使膨润土凝聚、泥水分离,有可能造成孔壁坍塌。使用分散剂可以解决这 些问题,改善泥浆的性能。▼▼▽●▽● 选用纯碱 Na2CO3 可与海水中的 Ca2+、Mg2+起化学反应,生成碳酸钙,使金属离子惰性, 因此分散效果较好。可根据需要利用 Na2CO3 的掺量来控制泥浆的 PH 值。泥浆呈碱性稳 定性好,而且碱性环境对钢筋的锈蚀起到保护作用。 4.2 海水泥浆性能试验及配合比优化 在拟定的海水泥浆原料及掺量的基础上,按土量因素、增粘剂因素及分散剂因素设 计泥浆配合比,通过性能对比试验确定经济合理的最终配比,并找出各因素对泥浆性能 的影响规律。 1)加土量对泥浆性能的影响 泥浆配比相同,即 PAC 及 Na2CO3 掺量均为泥浆总量的 0.2%时,随着加土量的增加, 泥浆的比重、粘度和静切力都有所增加,而泥浆的失水量有所减少。这是由于土量的增 加,单位体积泥浆中结构链环数目增多,导致泥浆流动阻力增大,泥浆的粘度及静切力 增大,而随着泥浆中胶体粒子的增加,泥皮更趋致密,其渗透性及失水量也越小。 2)PAC 掺量对泥浆性能的影响 泥浆配比相同,即膨润土掺量 12%,纯碱 0.2%,随着 PAC 掺量的增加(PAC 掺量 按泥浆总量计),泥浆的失水量降低,但超过一定值后,失水量恒定在 8ml 左右。随着 PAC 掺量的增加,其在泥浆中电离生成长链多价阴离子,因而增大了固相土的水化层, 提高了固相土的凝结稳定性。一方面有利于形成致密的泥皮,降低失水量,另一方面由 于 PAC 长链分子之间相互作用的增强,在长分子链间形成网状结构,提高了泥浆的粘度 和静切力。 3)加碱量对泥浆性能的影响 在泥浆配比相同的情况下,即膨润土掺量 12%,PAC 掺量 0.2%,加碱量越大,泥 浆的 PH 值越大,▼▲在泥浆选定的情况下,可以通过改变碱掺量达到需要的 PH 值。加入适 当量的 Na2CO3,通过离子交换作用,以低价离子 Na+取代海水中的 Mg2+、Ca2+等高价离子, 使粘土颗粒分散,水化膜增厚,泥浆的粘度及静切力增大,而失水量减少,泥浆的稳定 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-133 上海崇明越江通道长江大桥工程 B5 标段 第五部分 施工专项方案 性能好。但由于海水中已经含有较多的 Na+离子,用碱量过多反而会使泥浆性能变坏。 考虑到泥浆呈碱性有利于钢筋的防腐,海水泥浆的加碱量为泥浆总量的 0.2%。 4)海水盐浓度对泥浆性能影响的研究 以 NaCl 的含量来表示海水盐的浓度,用土量及添加剂掺量一定时随着 NaCl 浓度的 增加,泥浆性质会发生明显变化,泥浆粘度会急剧下降,过滤失水量明显增多,泥皮厚 度增大,稳定性降低,这是由于膨润土颗粒在湿胀后成为一种带负电荷的亲水胶体,并 通过胶体颗粒间的静电斥力保持稳定的悬浮状态,随着泥浆液中阳离子数量的增多,泥 浆胶体会逐渐产生絮凝而沉淀从而降低泥浆的性能指标。因此,在海水成份变化较大时, 要及时调整泥浆配比。 5)泥浆存放时间对稳定性的影响 高质量海水泥浆要求有较高的稳定性,泥浆在静置一段时间内不产生离析且没有固 体颗粒沉淀。新拌泥浆胶体率在 95%以上,且在静置存放 24 小时后其上下部分的泥浆的 相对密度差小于 0.03,则稳定性较好。需通过试验配制稳定性好的海水泥浆,以较好地 适应施工的需要。 6)海水泥浆配比优选 根据以上加土量、PAC 掺量及加碱量对泥浆性能影响试验,推荐海水泥浆配比为: 加土量在 12%左右(以水量计),PAC 掺量在 0.15-0.2%(以水加膨润土计),纯碱掺 量在 0.2%(以水加膨润土计),泥浆的各项性能指标均满足要求。施工时具体配比需根 据工程地质实际情况进行调整。优选泥浆配比及其性能见下表 7.4 所示。 优选泥浆配比及其性能 表 7.4 钠基 土(g) 海水 (ml) 70 700 84 84 增粘剂 (g) 温 PAC 1.54 温 PAC 1.18 温 PAC 1.57 Na2CO3 (g) 1.57 1.57 1.57 比重 1.08 1.09 1.09 粘度 (s) 20.81 19.87 21.97 PH 值 9.3 9.15 9.3 静切力(Pa) 10s 10min 失水量 (ml/30 min) 泥皮厚 (mm) 稳定性 上 下 胶体 率 (%) 0.1 1.1 10.0 1.5 1.075 1.08 97 0.1 1.0 9.2 1.5 1.085 1.09 97 0.2 1.3 9.1 1.0 1.08 1.085 98 中港第二航务工程局 上海城建(集团)公司联合体 5-134