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天津西站公交车场轻质泡沫混凝土换填工程设计及应用

天津西站公交车场轻质泡沫混凝土换填工程设计及应用

赵 军

(天津市地下铁道集团有限公司,天津300222)

摘 要:轻质泡沫混凝土是一项新技术、新材料、新工艺,目前国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与开发,在建筑工程和市政工程领域的应用越来越广。针对天津西站南广场公交车场轻质泡沫混凝土换填工程施工特点,在基坑抗隆起检算的基础上,对轻质泡沫混凝土换填设计、压缩力学性能分析、轻质泡沫混凝土换填施工工艺以及换填效果等进行了详细阐述,可为类似工程施工提供一定的参考价值。

关键词:泡沫混凝土;换填设计;压缩性能

收稿日期:2015-01-28

作者简介:赵 军(1973—),男,高级工程师,主要从事地铁建设管理工作

DOI:10.13219/j.gjgyat.2015.03.022

中图分类号:TU528.2

文献标识码:B

文章编号:1672-3953(2015)03-0074-05

Abstract: As a new technique, new material and new process,the study and development of lightweight foam concrete is paid great attention to both at home and abroad in recent years. It finds more and more applications in both

轻质泡沫混凝土是采用发泡剂通过机械制出泡沫,再将泡沫加入到胶凝材料、粉煤灰、水及各种化学外加剂组成的料浆中,经搅拌,然后成型或现浇,经自然养护或蒸压养护所形成的微孔轻质材料。作为一种新型节能材料,我国的一些科研工作者对泡沫混凝土的性能进行了较为深入的研究 [1]。泡沫混凝土在国内多用作轻质隔墙板 [2]、现浇屋面保温层 [3],王武祥等介绍了泡沫混凝土在山西引黄工程连接段洞穿管回填灌浆中的试验研究和现场施工情况 [4],在市政公用工程中的应用尚不多见。

天津西站位于天津中心城区西北部(红桥区),是连接京沪高铁的重要纽带,依托天津地铁一号线换乘枢纽,成为天津西站交通枢纽换乘的必要载体。公交车场占地面积1 2000 m 2,有8 700 m 2公交车场需要占压天津地铁1号线西站主体及出入口结构(其中:包含2004年新建箱体结构和20世纪七八十年代建设的老箱体结构)。现状地面高程为+2.02~+2.63 m,规划地面高程为+4.5~+4.75 m,西站地铁结构上方增加覆土2~2.75 m,增加荷载约50 kN/m 2。在新的规划高程条件下,为满足天津地铁1号线箱体结构顶板承载力与使用性能的要求,必须对地基进行轻型材料换填处理。换填方案采用轻质泡沫混凝土等荷载替换法对箱体结构顶板上部填土进行替换,使之既满足地铁结构顶板相关要求,亦满足规划路面高程对填土高度要求。由于泡沫混凝土中含有大量封闭孔隙,所以有轻质、保温、隔热、耐火及隔音的性能。本工程采用的轻质泡沫混凝土换填材料属新型材料,在天津市市政行业中使用尚属首次。

1 工程设计

1.1 设计演算

根据区域规划,既有地铁1号线西站上方原状地表需抬升标高2~2.75 m,致使既有结构承载力无法满足荷载要求,故对其顶板上方土体采用轻质材料泡沫混凝土进行换填处理。换填期间,由于上部土体卸载,根据开挖施工组织的不同将出现不同程度的隆起等负面影响。因此,必须通过施工模拟计算优化上部土体的开挖组织,减小地铁近接工况下对原结构的影响。为满足既有车站、既有线路正常、安全使用,隆起或沉降量控制值不大于10 mm。

1.1.1 计算模型

采用MIDAS/GTS大型软件作为计算平台,主体结构宽度约32 m,长度约65 m,主体结构覆土厚2.772 m。其中,土体采用弹塑性模型,其力学参数见相关地质报告,采用实体单元模拟;主体结构采用弹性模型,采用平面及杆单元模拟。模型中,除地面为自由面外,其它五个面均施加法向约束。在计算时,根据施工实际,主要模拟了两种荷载工况:

(1)工况一,主体结构上方覆土沿纵向(x向)隔8 m宽度开挖4 m宽土体。

(2)工况二:主体结构上方覆土沿纵向(x向)隔8 m宽度开挖4 m宽土体,并在8 m宽土体上施加40 kPa的堆载。

1.1.2 计算分析

经过施工模拟计算,施工期间,结构覆土开挖后竖向位移云图见图1、图2。

 图1 工况一下土体竖向位移云图

图2 工况二下土体竖向位移云图

由图知:工况一土体最大隆起量约25 mm;工况二土体最大隆起量约为8 mm;适当堆载可减小土体隆起,但需控制在主体结构承载力范围内。从土体结构竖向位移云图不难看出,土体隆起在主体结构中部最大,向两边逐渐减小。经过上述方案的比较,上部土体开挖需抽条实施,每条开挖宽度为4 m,“隔2挖1”,且未开挖的条上堆2 m高沙袋进行加载。同时,施工期间,加强监测,根据监测结果优化抽条宽度和加载大小以及降水深度。

1.2 换填设计

换填结构(见图3)具体为:①上部铺装层;②10 cm厚中粗砂垫层(中间夹铺一层三布二膜不透水土工布,单位面积质量≥1 600 g/m 2);③自粘式高聚物改性沥青防水卷材(厚4 mm);④20 cm(部分区域采用厚度15 cm)厚C30钢筋混凝土板;⑤泡沫混凝土层(主要采用D700),内铺双层镀锌铁丝网;⑥泡沫混凝土层(主要采用D900,部分区域采用D700);⑦5 cm厚C25细石混凝土层;⑧自粘式高聚物改性沥青防水卷材(厚4 mm);⑨5 cm厚C25细石混凝土层;⑩10 cm厚中粗砂垫层(中间夹铺一层三布二膜不透水土工布);○11地铁箱体原状覆土层(部分区域为地铁结构保护层顶部)。


图3 换填结构剖面示意图

1.2.1 双层镀锌铁丝网设置

其中上层泡沫混凝土层(主要为D700)中在距离泡沫混凝土层顶部0.5 m及1 m处分别设置一层镀锌铁丝网(丝径4 mm,正方形网眼孔口尺寸≤10 cm×10 cm)。

1.2.2 防水层设置

沿换填泡沫混凝土层外侧,四周设60 cm厚现浇C30钢筋混凝土墙,然后由内向外逐层铺设自粘式高聚物改性沥青防水卷材(厚4 mm)、三布二膜不透水土工布、2 cm厚防水水泥砂浆、4 mm厚牛皮纸,其外砌筑24 cm厚M10水泥砂浆,砌C30混凝土实心砖,砌砖强度达到要求后再外侧回填土。其中自粘式高聚物改性沥青防水卷材与现浇C30钢筋混凝土板表面形成皮肤式粘结防水,与不透水土工布侧不粘结。C30钢筋混凝土板干燥后方可铺贴防水卷材,且C30钢筋混凝土板表面应平整,否则应打磨平整。现浇泡沫混凝土外侧四周的C30钢筋混凝土板与底部的C30细石混凝土无缝相连,并与现浇泡沫混凝土上部的C30钢筋混凝土板相连接。

当现浇泡沫混凝土外侧四周现浇混凝土施工中必须留施工缝时,应在施工缝中部预埋中埋式钢边橡胶止水带,边部C30钢筋混凝土板与底部细石混凝土相接处,设柔性防水加强层。

1.2.3 上部铺装形式确定

部分换填区域由于存在两种上部铺装形式,为方便施工,只按一种上部铺装形式进行开挖基坑,分层换填设计。在相邻的另一种上部铺装形式区域内,在上部铺装层与10 cm厚中粗砂垫层之间加设补充层,补充层材料为一般填土(合格填料),土中严禁含砾石、碎石等硬块或尖锐体。

1.2.4 顶部密封保护层

20 cm(部分区域采用厚度15 cm)厚C30钢筋混凝土板,钢筋网钢筋直径6 mm,网孔尺寸要求0.15 m×0.15 m,钢筋网上下各1层,共2层。

2 泡沫混凝土的设计

泡沫混凝土配合比设计应满足抗压强度、湿密度、流值的要求,必要时还应考虑材料性能的其他特殊要求(如弹性模量、抗冻性等)。

试配强度应满足式(1)要求:

(1)

式中:q u为泡沫混凝土试配抗压强度(MPa);q c为泡沫混凝土设计抗压强度(MPa)。

泡沫混凝土的设计湿密度和各组分的关系按式(2)确定:

(2)

式中:R c为每立方泡沫混凝土中水泥的质量(kg/m 3);R s为每立方泡沫混凝土中集料的质量(kg/m 3);R w为每立方泡沫混凝土中水的质量(kg/m 3);R f为每立方泡沫混凝土中泡沫的质量(kg/m 3);R x为每立方泡沫混凝土中外加剂质量(kg/m 3)。

其中每立方泡沫混凝土中泡沫的质量R f由式(3)确定:

(3)

式中:ρ w为泡沫混凝土设计湿密度(kg/m 3);ρ c为水泥密度(kg/m 3);ρ s为集料密度(kg/m 3);ρ x为外加剂密度(kg/m 3);ρ f为标准泡沫密度(kg/m 3)。

2.1 湿密度测定

将容量筒内外壁擦拭干净,并称其重量,精确至0.1 g;向容量筒内轻轻倒入事先制备好的泡沫混凝土料浆,至泡沫混凝土料浆略高出筒口;刮平容量筒筒口,使泡沫混凝土料浆与筒口齐平,擦拭干净筒外壁,称其重量,精确至0.1 g,按式(4)计算湿密度:

(4)

式中:ρ w为湿密度(kg/m 3);m 1为容量筒质量(kg/m 3);m 2为容量筒及试样质量(kg/m 3);V为容量筒容积(L)。湿密度以3次试验结果的算术平均值确定,精确至0.1 kg。

2.2 准干密度的测定

准干密度是泡沫混凝土凝结硬化后自然干燥的表观密度。准干密度每400 m 3检验1组,不够400 m 3按400 m 3考虑;顶面高程沿长轴中线每10 m检查1处,平面位置沿中轴线每10 m检查1处;平面尺寸按长、宽方各检查1次。取试件1组3块,试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体,逐块量取长、宽、高方向的轴线尺寸,精确到1 mm,计算其体积V(cm 3)。试块不做吸水或烘干处理,称取试块质量M(g),精确至1 g,各试块按M/V计算准干密度,以3块试块准干密度算术平均值作为试验结果,准干密度的检验合格标准应满足 [5]:ρ u≤ρ w。式中:ρ u为单组试件3个试块准干密度平均值或代表值(kg/m 3);ρ w为湿密度设计值(kg/m 3)。

3 轻质泡沫混凝土生产工艺

3.1 材料与机具

(1)水泥:各种类的水泥都能用来制备泡沫轻质混凝土,由于泡沫混凝土中掺入了大量的泡沫,延缓了水泥水化过程的进行,因此推荐使用凝结时间较快的硫铝酸盐水泥、高铝水泥、早强型硅酸盐水泥、菱镁水泥等,若基于耐久性考虑,建议选择普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)。

(2)泡沫剂:泡沫剂是制备泡沫混凝土最重要的组分,是决定泡沫混凝土性能的关键组分,它影响着泡沫混凝土的孔径大小、均一性、泡孔封闭性等指标,最终影响到泡沫混凝土的力学性能和耐久性。一般分为松香类、蛋白质类以及复合型等种类。本工程发泡剂选用HTW-1型复合发泡剂,该发泡剂环保无毒、泡沫丰富、稳泡能力强。

(3)拌合水:拌合水应符合普通水泥混凝土用水标准,并应符合DBQ29-14-2010的规定。

(4)水泥发泡机:泡沫混凝土换填施工采用HT-60C型泡沫混凝土生产设备,该设备具有输送量大、性能稳定、混泡均匀、控制精确等特点。

(5)散装水泥罐:为有效提高施工效率,在合理范围内缩短施工工期,降低水泥使用周期和现场储存时间,保证水泥质量,同时缓解水泥运输过程中对城市环境保护带来的压力,本工程现浇泡沫混凝土浇筑采用散装水泥。应用100 t散装水泥罐,每两套水泥罐供应一套泡沫混凝土生产设备。

(6)螺旋计量称:为准确计量现浇泡沫混凝土固化剂、掺和料等组分,使之满足设计配合比要求,采用螺旋计量称,保证进料稳定、自动计量,提高泡沫混凝土的制备质量稳定性。

3.2 生产工艺

将各种胶凝质材料计量后,由螺旋输送机送入搅拌机,加水搅拌成糊状水泥浆液;发泡机加入发泡剂充分搅拌发泡后,将搅拌好的泡沫精确计量直接压入搅拌机,与水泥浆液搅拌、混合,制成泡沫水泥浆;泡沫水泥浆由搅拌机再次压入搅拌储料机,在搅拌状态下由液压输送泵将水泥泡沫浆液泵送至施工现场浇注,经保温、保湿养护,最终凝固硬化至一定强度时,即为轻质泡沫混凝土,其工艺流程要点如下:

(1)计量与上料。宜采用封闭上料,选用螺旋输送机封闭上料。各种粉体、颗粒体固体物料在计量后混合在一起由螺旋输送机上料。液体外加剂和水一起混合加入。固体物料最好用电子秤或核子称自动计量,液体外加剂和水最好用流量计进行计量。

(2)搅拌。缓凝较慢的水泥,在水泥浆体搅拌时应适当延长搅拌时间1~2 min。凝结速度较快的水泥可缩短其搅拌时间1 min。为加快凝结速度,可在搅拌时向内加入热水(50~60 ℃),最好能向搅拌机内通入蒸汽。

(3)泵送。生产规模不大时,可采用人工送料,若料浆产量较大,可采用泵送。400 kg/m 3以下超低密度泡沫混凝土,不宜远距离、高度大的泵送。在泵送时,宜加入高效减水剂或泵送剂,并配合5%~10%的粉煤灰润滑。快硬快凝水泥类泵送周期应尽量缩短。砂石加量较大的泡沫混凝土,应在泵送时加入抗离析的外加剂。

(4)浇注与养护。通用硅酸盐水泥类泡沫混凝土,在浇注后的1~2 h内,应有促凝增稠措施。一般方法有覆盖塑料布,塑料布上再覆盖保温被。

4 结论

由于在地铁箱体上部开挖土体,会破坏已有的土体压力平衡条件,随着土体应力的释放,会对箱体结构产生不利影响。通过对轻质泡沫混凝土换填过程中箱体结构、轨道隆沉、结构位移、裂缝等连续监测,各项指标均满足规范和设计要求,确保了天津地铁1号线的运营安全,达到了轻质换填的目的。泡沫混凝土在本工程中的成功应用为解决深填方、土体换填等工程难题提供了成熟的经验,可供同类工程参考。

参考文献

[1]肖力光,侯启超.泡沫混凝土的研究进展及应用[J].吉林建筑工程学院学报,2011,28(5):32-36

[2]唐 虹.泡沫混凝土在现代建筑中的应用[J].贵州工业大学学报,2005,34(3):115-117

[3]舒大平.现浇泡沫混凝土隔热层屋面渗漏的处理办法[J].工程科学,28(4):41-44

[4]王武祥,刘 宁,罗栓定.泡沫混凝土在引黄工程洞穿管回填工程中的应用[J].混凝土与水泥制品,2002(4):12-15

[5]粟光前.泡沫混凝土在填充工程中的应用[J].铁道工程企业管理,2011(5):34-37,47

On the Design of and Application of Lightweight Foam Concrete to the

Replacement Project of a Bus Field for the Tianjin West Railway Station

ZhaoJun

(The Tianjin Metro Group Co. Ltd.,Tianjin300222,China)

Key words: foam concrete;replacing design;compressibility performance