超大型混凝土构件节水养护技术的研究

2014年度中交四航局QC小组成果材料 年度中交四航局QC小组成果材料 超大型混凝土构件节水养护技术的研究港珠澳大桥岛隧工程第Ⅲ工区二分区EnergyOfYoungQC小组单位：中交四航局第二工程有限公司日期：2015年2月10日目录一、工程概况 1二、小组简介 2三、选题理由 4四、设定目标 5五、目标可行性分析 6六、提出方案并确定最佳方案 76.1养护方案 76.2方案比选 86.2.1养护效果对比 86.2.2养护剂养护效果 106.2.3养护方案比选 11七、制定对策表 14八、对策实施 15九、效果检验 239.1目标完成情况 239.2经济效益 259.3技术效益 26十、标准化 26十一、总结及下一步打算 2711.1总结 2711.2下一步打算 29超大型混凝土构件节水养护技术的研究港珠澳大桥岛隧工程第Ⅲ工区二分区EnergyOfYoungQC小组一、工程概况港珠澳沉管隧道是世界范围最长、埋置最深、单孔跨度最宽、单节柔性管节最长、规模最大的海底公路沉管隧道，也是我国交通建设史上最复杂、标准最高的海中隧道工程。港珠澳大桥岛隧工程海底沉管隧道总长度为5664m，由33个管节组成。单个标准管节长180m，由8个长22.5m的节段组成。管节采用两孔一管廊截面形式，宽3795cm，高1140cm，底板和顶板厚150cm，侧墙厚150cm，中隔墙厚80cm，单次混凝土浇筑量达3415m³。沉管示意图沉管管节采用工厂法进行预制：由岛上自建砼搅拌站生产混凝土，利用地泵输送至厂房浇筑台座内进行浇筑，人工完成混凝土分料、振捣等施工作业。沉管混凝土28天强度等级为C45，56天强度等级为C50。港珠澳大桥作为具有国家战略意义的世界级跨海通道，其社会影响及关注度极高，沉管设计使用寿命120年，结构长埋水下Ⅲ类海盐环境，其作用等级为严重（D级）至非常严重（E级）。沉管隧道主体结构采用混凝土自防水，且由于其长埋水下，结构无法修复，一旦出现钢筋腐蚀将影响结构使用寿命，因此，对混凝土的质量要求非常高，为使沉管满足设计使用年限，必须精心设计、严格施工。二、小组简介小组名称EnergyOfYoungQC小组活动日期2014.1.1-2014.7.31成立日期2014.1.1小组人数6活动频率1次/周课题类型创新型小组注册号X-2014-005课题注册号K-2014-005课题名称超大型混凝土构件节水养护技术的研究顾问：张文森技术顾问顾问：张文森技术顾问组长：季亮组织策划组长：季亮组织策划副组长：黄文慧副组长：黄文慧调查分析副组长：李翔副组长：李翔调查分析组员：李超现场验证组员：李超现场验证组员：陈君野现场验证实施项目时间（2014年01月01日——2014年7月31日）2014.01.01—2014.02.102014.02.11—2014.04.302014.05.01—2014.07.31lan选择课题`确定目标目标可行性分析提出方案并确定最佳方案制定对策o对策实施heck效果检查ction标准化活动总结制表人：季亮制表时间：2014.2.14三、选题理由沉管隧道设计使用寿命为120年，隧道主体结构采用混凝土自防水，混凝土的施工质量直接影响到沉管隧道使用寿命，沉管混凝土养护温度不得高于40摄氏度，湿度不得小于90%，且必须时时可控。沉管隧道设计使用寿命为120年，隧道主体结构采用混凝土自防水，混凝土的施工质量直接影响到沉管隧道使用寿命，沉管混凝土养护温度不得高于40摄氏度，湿度不得小于90%，且必须时时可控。高性能混凝土施工，是建设部、交通部推行的新技术之一，本工程应用此项技术，为公司公路、桥梁施工工艺质量累积经验。 沉管隧道设计使用寿命为120年，为确保沉管隧道使用寿命达标，业主、项目总经理部要求沉管隧道设计使用寿命为120年，为确保沉管隧道使用寿命达标，业主、项目总经理部要求沉管混凝土强度必须达到设计要求，现场回弹、抗渗等检测合格率必须达到100%。施工现场在外海孤岛，淡水资源匮乏，且沉管隧道管节断面尺寸较大，底板、墙体、顶板都需要用不同的方法进行养护，为进一步提高养护质量及节约成本，必须对现有养护技术进行改善提高。 施工现场在外海孤岛，淡水资源匮乏，且沉管隧道管节断面尺寸较大，底板、墙体、顶板都需要用不同的方法进行养护，为进一步提高养护质量及节约成本，必须对现有养护技术进行改善提高。四、设定目标研发沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，包括养护棚，还包括温度湿度控制系统、喷淋系统及自动控制主机，有效解决沉管节段养护问题，准确监控沉管节段浇筑完成后的温度、湿度等指标。设定目标：沉管混凝土面养护达到100%，沉管节段养护阶段湿度不低于90%，温度不高于40℃。港珠澳大桥岛隧工程为国内首例，世界第二例。技术难度高，项目部汇聚中交集团各方面的技术骨干，项目总经理部设置沉管中心实验室对混凝土搅拌、浇筑以及养护进行24小时候监控。同时，沉管混凝土为高性能海工混凝土，配合比为专家经过研究而成，从一方面排除配合比缺陷等因素的干扰，故从技术层面来讲我们设定的目标可以实现。五、目标可行性分析港珠澳大桥岛隧工程为国内首例，世界第二例。技术难度高，项目部汇聚中交集团各方面的技术骨干，项目总经理部设置沉管中心实验室对混凝土搅拌、浇筑以及养护进行24小时候监控。同时，沉管混凝土为高性能海工混凝土，配合比为专家经过研究而成，从一方面排除配合比缺陷等因素的干扰，故从技术层面来讲我们设定的目标可以实现。沉管节水养护技术不仅可以为项目节约用水成本，还可以使沉管成品沉管节水养护技术不仅可以为项目节约用水成本，还可以使沉管成品混凝土的质量得到进一步提升，项目领导大力支持课题开展，并给予大力支持。沉管预制厂虽然在牛头岛，但总经理部及项目部配有交通船和货船，可以保证课题所需材料及设备及时运输至施工现场。沉管预制所使用的水泥、沙、粉料等均经过严格检验，排除原方面因素对课题研究的影响，故从物资保障方面来讲我们设定的目标可以实现。PAGE35六、提出方案并确定最佳方案小组成员使用头脑风暴法，经过分析发现，成品沉管养护难度大主要有以下几个原因：1、沉管断面尺寸大，且内腔及外墙均需要达到全面养护，外墙养护存在临边作业，增大人工洒水养护过程中高空坠落的风险；2、沉管预制厂位于中华白海豚自然保护区海域，项目总经理部对环保要求高，养护过程中必须达到零污染；3、沉管预制厂地处孤岛，岛内无任何淡水资源，所有淡水均采用水船从珠海运至岛上，淡水成本极高，且水船受天气影响，不能保证每天运输淡水。针对以上几点，我们认为节水养护技术必须必须具备以下要素：环保、节水、全面养护。6.1养护方案沉管节水养护技术方案沉管节水养护技术方案全自动养护系统+涂刷养护剂全自动养护系统+涂刷养护剂底板蓄水养护+涂刷养护剂洒水养护+涂刷养护剂 6.2方案比选为了保证达到环保、节水、全面养护等几方面要求，小组成员分别做了以下几个试验来进一步进行方案比选。养护方案比选养护方案比选 养护剂效果覆盖土工布洒水养护蓄水养护全自动喷雾养护氯丁橡胶、丙烯酸树脂为溶剂的养护剂养护剂效果覆盖土工布洒水养护蓄水养护全自动喷雾养护氯丁橡胶、丙烯酸树脂为溶剂的养护剂无机硅酸盐与有机材料符合而成的养护剂 6.2.1养护效果对比小组成员联合实验室人员，对沉管混凝土试块分别进行覆盖土工布洒水养护、涂刷养护剂养护以及自然养护三种养护，然后对试块称重，确认养护效果最好的养护方式。养护效果试验土工布覆盖洒水养护涂刷养护剂养护自然养护试验前称重（kg）8.0318.0338.026试验后称重（kg）7.9917.98947.963重量损失率0.4981%0.5428%0.7849%6.2.2养护剂养护效果市场上有很多种养护剂，如以氯丁橡胶、丙烯酸树脂为溶剂的养护剂，虽然性能可靠，但因气味大，有毒且价格高而不便推广。本工程位于中华白海豚自然保护区，所以不能选用此类养护剂。目前比较容易推广的还是以无机硅酸盐与有机材料符合而成的养护剂，它可与水泥发生物理化学作用而行程一体，性能稳定，无毒无味，价格便宜，便于推广。小组成员参照美国ASTMC156标准，对试块拆模后涂抹硅酸盐类养护剂试块与空白试块称重后放入烘箱（38±1）℃中烘72小时后进行称重，试块的水分不应超过0.55Kg/㎡表面积。按照上述方法对养护剂进行试验结果如下：养护剂失水率测定结果养护方法烘72小时后水分损失/(Kg/㎡)涂硅酸盐类养护剂试块0.511空白试块1.301试验证明硅酸盐类养护剂符合美国ASTMC156标准。6.2.3养护方案比选小组成员对沉管养护进行试验，并得出以下结论：1、洒水养护对于淡水过于浪费，且养护不能达到全面养护，仍有部分混凝土表面未得到及时养护，且人工工时耗用大；2、使用养护剂进行养护虽然可以达到全面养护，但是养护效果没有使用淡水养护好，所有不建议全面使用，可在局部使用养护剂养护；3、蓄水养护仅仅适用于底板内腔与顶板，效果虽好但不能全面适用。而且蓄水养护的蓄水坎容易损坏，导致养护水流入下一段管节的模板中，如清理不及时会导致钢筋生锈，影响下一段沉管混凝土浇筑；4、我们进行模拟全自动喷涂养护系统，在管节内部进行试验，并用机械湿度仪及电子湿度监控仪器分别进行监控，发现喷雾养护既可以满足养护所要求的湿度，同时最大限度的节约了淡水资源。综上试验，我小组成员对几种养护方案进行综合评分，评分表如下：节水养护方案比选方案蓄水养护+涂刷养护剂洒水养护+涂刷养护剂全自动养护系统+涂刷养护剂节水要求（20分）161418.5环保要求（20分）202020养护效果（20分）151718工时（20分）181519成本（20分）171419总分（100分）868094.5制表人：季亮制表时间：2014.4.12最终确定方案C：全自动养护系统+涂刷养护剂为最佳的养护方案。七、制定对策表经过方案比选后，确定了最佳的养护方案，经过小组技术指导同意后，将方案上报项目领导审批，进项目领导审批后，制定如下对策表；节水养护方案养护部位养护措施目标沉管顶板全自动喷涂系统养护沉管养护率达到100%，湿度达到90%以上，温度低于40℃，且达到节水环保要求沉管外墙沉管内腔沉管底板涂刷硅酸盐养护剂养护沉管端面对策表序号要素对策目标措施地点责任人完成时间1智能温度、湿度控制系统充分利用网络资源，发明智能温度、湿度控系统设定温度、湿度警报值，当沉管养护区域温度、湿度达到报警值后，自动启动养护系统，进行喷雾养护全自动温度、湿度控制系统办公室施工现场黄文慧李超2014.11.12养护棚建设在沉管养护区域搭设养护棚养护棚内的湿度、温度达到沉管混凝土养护条件使用钢结构搭建养护棚施工现场季亮陈君野2014.11.1制表人：季亮制表时间：2014.4.28八、对策实施实施一：智能温度、湿度控制系统发明一种预制沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，包括养护棚，还包括温度湿度控制系统、喷淋系统及自动控制主机，其特征在于：养护棚由设置于预制厂房内的折叠式养护棚和设置于预制厂房外的固定式养护棚组成，预制厂房内设置有钢吊架，预制厂房内还设有用于支撑所述钢吊架的支座，支座上有纵向滑轨，钢吊架底部设有行走于所述纵向滑轨的行走轮，折叠式养护棚通过设于其顶部的牵引绳悬挂于钢吊架，折叠式养护棚棚顶下表面悬挂有带滑轮的钢支架，折叠式养护棚具有可折叠的钢性框架及罩设于钢性框架的柔性物料制造的罩体，所述罩体自养护棚棚顶延伸至地面。预制沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，其特征在于：养护棚覆盖于依次放置在浇筑台座区、过渡区及养护棚区的三节预制沉管节段，沉管节段上表面安装有供所述钢支架滑行的槽钢导轨。预制沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，其特征在于：温度湿度控制系统包括若干个温度湿度传感器、若干个温度湿度采集单元和无线信号中转基站，温度湿度传感器设置在所述预制厂房内、养护棚内及沉管节段内部，每一沉管节段上固设一个或数个温度湿度采集单元，温度湿度采集单元与温度湿度传感器通过有线连接，无线信号中转基站接收由温度湿度采集单元发射出的无线信号，并将信号传输至自动控制主机，自动控制主机按照预设的温度湿度预警临界值对温度、湿度监测值进行处理与判断，控制喷淋系统喷洒热水或冷水。预制沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，其特征在于：每个沉管节段设置至少3个温度湿度传感器，其中沉管节段内侧与外侧各设置一个，其余埋入沉管节段混凝土主体中。预制沉管节段全自动监测预警控温保湿养护系统，其特征在于：喷淋系统包括对喷淋水进行加热或冷却的工业主机、预设在厂房及养护棚的水路管道及喷头。实施效果：针对上述智能温度、湿度控制系统进行模拟试验，确保混凝土养护区域内温度、湿度可以达到要求。我们随机抽取20个点进行温度及湿度的测控，试验数据如下：不同季节的养护环境温湿度要求季节养护环境温度养护环境湿度保温、保湿养护时间夏季≥35℃，≤40℃≥90%14d冬季及平常季节≥3012小时记录24小时记录序号温度（℃）湿度（%RH）序号温度（℃）湿度（%RH）137.291.4140.292.0237.890.8242.191.5339.490.3341.592.1436.992.0437.492.4537.591.5539.991.5637.192.1640.292.1738.392.4738.392.4835.890.1835.891.4938.690.4938.690.81039.192.11038.790.31137.490.71139.892.01239.991.21236.991.21340.290.51337.590.51442.190.61442.190.61541.590.81541.590.81639.691.31639.691.31738.391.51738.391.51841.890.71841.890.61938.790.61938.790.82039.891.42039.891.3制表人：季亮制表时间：2014.5.18经过试验表明，只能温度、湿度控制系统可以满足沉管混凝土的养护要求，在24小时的监控过程中，管内的温度，湿度均达到养护标准。实施二：养护棚建设智能温度、湿度控制系统的关在在于养护棚，所有的温度、湿度控制系统以及自动喷雾系统均安装在养护棚内，故养护棚的建设是所有工作中的重中之重。养护棚由设置于预制厂房内的折叠式养护棚和设置于预制厂房外的固定式养护棚组成。预制厂房内设置有钢吊架以及用于支撑钢吊架的支座，支座上有纵向滑轨，钢吊架底部设有行走于纵向滑轨的行走轮，折叠式养护棚通过设于其顶部的牵引绳悬挂于钢吊架，折叠式养护棚棚顶下表面悬挂有带滑轮的钢支架，折叠式养护棚具有可折叠的钢性框架及罩设于钢性框架的柔性物料制造的罩体，罩体自养护棚棚顶延伸至地面。养护棚覆盖依次放置在浇筑台座区、过渡区及养护棚区的三节预制沉管节段，沉管节段上表面安装有供所述钢支架滑行的槽钢导轨。喷淋系统由预设在厂房及养护棚的水路管道及喷头、高压水泵、阀门、水箱、过滤网、高压管、工业主机13、缺水保护装置等组成，根据自动控制主机命令实现养护水温度、流速的控制与调节。喷头采用GSIM-S系列喷嘴，按照最大0.105L//min的速率喷射水雾。自动控制主机通过中控系统实现对整个养护系统的控制，按照功能包括传感器控制模块、水路控制装置模块、数据采集模块、数据处理及预警模块和数据管理系统模块，各模块独立开发，采用LabVIEW软件平台对各子模块进行集成，实现温湿度监测、预警及自行调节环境温湿度功能。例如，当实测混凝土内外温差超过20℃、养护环境湿度低于90%，自动控制主机12发出报警，并发出指令控制工业主机13对循环水进行加热或制冷，然后由循环水泵通过铜质双头喷嘴按照最大实施效果：养护棚建设完成，准备现场试用，检验是否可以达到模拟试验中的养护效果。实施三：现场试用全自动智能温度、湿度监控系统完成后，需要在现场进行检验该养护系统是否可以达到在模拟试验中的养护效果。小组成员对E13、E15两个大管节进行现场监控及数据采集：E13管节养护监控序号平均温度（℃）平均湿度（%RH）E13-S839.992.5E13-S740.290.2E13-S642.192.1E13-S537.590.7E13-S437.191.2E13-S338.392.6E13-S241.892.8E13-S139.890.3制表人：季亮制表时间：2014.5.28E15管节养护监控序号平均温度（℃）平均湿度（%RH）E15-S837.593.5E15-S742.990.2E15-S641.590.8E15-S538.691.3E15-S442.391.5E15-S341.890.6E15-S239.792.8E15-S139.891.3制表人：季亮制表时间：2014.6.18实施效果：全自动温度、湿度控制系统满足沉管养护所需要的条件要求。九、效果检验9.1目标完成情况小组成员对E13-E20等8个管节进行全程监控及数据采集，并将数据汇总得出下表：监控数据汇总管节平均温度（℃）平均湿度（%RH）平均节水（吨）节约人工（工时）E1338.790.14512180E1439.491.44560180E1539.290.84608180E1638.890.34406180E1741.491.14489180E1842.191.84703180E1939.592.24695180E2039.691.94659180制表人：季亮制表时间：2014.7.1为了进一步确认全自动智能养护系统的养护效果，我们将小组成员采集的数据，与总经理部沉管中心实验室的监控数据进行对比，结果是一致的：全自动智能养护系统满足沉管混凝土养护条件要求。9.2经济效益QC活动后沉管节沉管养护每一个大管节节约用水量为4579吨，节约人工工时180个，从E13到E33共计21个管节。由于沉管预制厂所在孤岛，没有任何淡水资源，沉管养护所有淡水均为水船运输至现场，淡水资源价格昂贵，每吨达40元左右，养护施工人员每工时为200元。、本次QC活动活动费用共计为23万元，养护棚建设及全自动养护系统费用共计120万元。则：使用节水养护技术后节约淡水成本为：21*4579*40=3846360（元）节约人工成本为：21*180*200=756000（元）扣除费用230000+1200000=1430000共节约成本：3846360+756000-1430000=3172360（元）9.3技术效益 本QC课题的成功，为公司及集团的后续类似工程提供了宝贵经验。同时，进入21世纪以来，以沉管隧道为主要形式的地下工程逐渐增多，目前在建或拟建的土耳其博斯普鲁斯海峡工程、韩国釜山-巨济连接线工程、港珠澳大桥工程、琼州海峡跨海工程、渤海海峡跨海通道工程等大型海洋工程在其主线工程中均有沉管隧道，预制沉管在地下工程中具有广阔的应用前景。本QC课题得到了项目领导和施工队伍的一直好评，总经理部及沉管中心实验室为此项目申请了一项发明技术专利。十、标准化通过本次QC活动，我们将研发成果进行了标准化：《沉管节水养护技术标准化》《沉管节段不同养护阶段养护要求标准化》沉管节段不同养护阶段养护要求序号养护阶段养护重点主要措施养护要求养护时间养护环境温度养护环境湿度1浇筑完成至拆模前1）空气接触表面保湿2）节段整体保温移动式养护棚养护高温季节≥35低温季节≥30≥85%≥72h2拆模及顶推过程1）空气接触表面保湿2）节段整体温度不出现突降移动式养护棚养护高温季节≥35低温季节≥30≥85%约8h3预制第二节匹配节段的过程移动养护棚与固定养护棚之间的环境差异移动式养护棚养护与固定式养护棚养护高温季节≥35低温季节≥30≥85%≥148h4预制第三节匹配节段的过程1）空气接触表面保湿2）为顶推出养护棚做准备固定式养护棚养护高温季节≥30低温季节≥25≥85%≥132h5顶推出固定养护棚后高温天气大风降温天气土工布覆盖及洒水///制表人：季亮制表时间：2014.7.11十一、总结及下一步打算11.1总结1、在总结了本次QC活动的实施经验和获取实施有效数据后，QC小组对把所采取的各种技术措施和施工工艺方法收集整理，由小组汇编成《沉管节水养护作业指导书》《沉管节水养护施工操作规程》，放置于预制厂施工区内，用于指导现场施工人员施工作业。2、对智能养护系统的操作人员惊醒严格培训，采用定人定岗定责制度，确保每个操作人员都可以准确无误的对系统进行调试，避免因操作失误而造成系统损坏。同时，要求操作人员定期对智能养护系统进行检修和保养。3、巩固期效果跟踪为进一步加强沉管节水养护以及改进节水养护系统，我小组成员将对剩余所有管节混凝土养护进行全程监控及数据采集。4、进一步巩固、完善、深化QC小组攻关活动，将本次QC活动中各个组员的优缺点进行总结与自我反思，并逐一克服，力争在下次QC活动中做出更好的成果；5、进一步发挥团队合作的优势，争取做到全员参与监督和管理，工人自己监督自己的操作是否规范，不断提高工程整体质量；6、巩固阶段效果检查:重视QC成果的持续落实性，保证各项措施不打折扣的落实到每一个现场操作人员身上，并持续改进，为港珠澳大桥120年设计使用寿命保驾护