C55微膨脹自密實(shí)鋼管混凝土在蒲山特大橋的應(yīng)用研究

隨 燦，王治方，王為林

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450052;2.中鐵七局集團(tuán)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，河南鄭州 450052)

1 工程概況

南水北調(diào)蒲山特大橋全橋總長(zhǎng)1 705m，其結(jié)構(gòu)形式為18×30m+225m+31×30m，主跨為拱肋鋼性系桿鋼管混凝土下承式橋，橋面高出地面22.6 m。主跨拱肋為啞鈴型截面的鋼管混凝土拱肋，全橋共設(shè)三片拱肋，主拱肋為鋼管混凝土空間桁架式結(jié)構(gòu)，邊拱肋與中心拱肋中心距為17.9 m，拱肋中心距系桿中心高度為43.8 m，矢跨比為1∶5。拱軸線采用二次拋物線線形，三片拱肋間共設(shè)18道風(fēng)撐，每幅橋各九道，其中每幅橋各兩道K撐，以增強(qiáng)拱肋的抗壓穩(wěn)定性，主弦管內(nèi)灌注C55微膨脹或無收縮混凝土，上平聯(lián)為鋼板箱形，下平聯(lián)及腹桿為鋼管結(jié)構(gòu)。邊拱肋的4根主弦鋼管直徑為1 000mm，兩上弦鋼管間及兩下弦鋼管間的綴板采用20mm鋼板箱聯(lián)結(jié)，腹桿采用D450×10短鋼管聯(lián)結(jié)，共同組成空間鋼桁架，邊拱肋外至外寬2.5m，中心距1.5m。中拱肋為6根主弦鋼管，直徑為1 000mm，拱肋外至外寬4.6 m，鋼管中心距1.8 m。

由于本橋每片拱肋灌注混凝土后的自重達(dá)3 000 t左右，混凝土灌注采用頂升法施工，自密實(shí)。混凝土一次泵送完畢，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間要求混凝土初凝時(shí)間不低于16 h，混凝土澆注完畢后由于拱肋的自重要求混凝土快速形成強(qiáng)度，即混凝土施工時(shí)要求緩凝、灌注完畢后快速形成強(qiáng)度且快速增長(zhǎng)、后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)、微膨脹補(bǔ)償收縮是本次配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為達(dá)到良好的混凝土自密實(shí)效果，入泵坍落度宜控制在210～230mm之間，拌合物擴(kuò)展度要達(dá)到55～65 cm，以保證混凝土的流動(dòng)性好、坍落度損失小。

2 自密實(shí)纖維鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)纖維鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)思路為:原材料比對(duì)、遴選、確定原材料→配合比設(shè)計(jì)計(jì)算→混凝土拌合物試拌→混凝土拌合物性能試驗(yàn)→配合比調(diào)整→再進(jìn)行調(diào)整后混凝土拌合物試拌→混凝土拌合物性能試驗(yàn)→配合比調(diào)整并滿足要求后→成型各種試驗(yàn)條件所需試件→拆模養(yǎng)護(hù)→到規(guī)定的齡期條件→進(jìn)行各種指標(biāo)檢測(cè)→歸納總結(jié)選出合適配合比→現(xiàn)場(chǎng)小試→模擬施工→模擬施工后的構(gòu)件檢驗(yàn)→正式施工→施工后的效果檢驗(yàn)。

通過兩種級(jí)配碎石、兩組份外加劑、兩種外摻料、一種聚丙烯單絲纖維等材料應(yīng)用效果的疊加，解決了鋼管混凝土的施工問題，在混凝土中摻加緩凝劑，使初凝時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16 h，加入聚丙烯單絲纖維，可有效預(yù)防鋼管混凝土凝結(jié)硬化早期產(chǎn)生有害裂縫的問題。

3 自密實(shí)纖維鋼管混凝土配比試驗(yàn)

3.1 原材料選擇

水泥選用河南孟電集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5R早強(qiáng)水泥，初凝時(shí)間在2 h 40min～3 h 30min之間，3 d抗壓強(qiáng)度在27～31 MPa之間，28 d抗壓強(qiáng)度在55.0～60.0mPa之間。同時(shí)選用華新水泥(襄樊)有限公司生產(chǎn)的P·O52.5水泥和焦作堅(jiān)固水泥有限公司生產(chǎn)的堅(jiān)固牌P·O52.5水泥作為備用水泥。

砂選用當(dāng)?shù)氐暮由?，?xì)度模數(shù)2.7～3.0之間，顆粒級(jí)配良好。含泥量＜2%，泥塊含量＜0.5%，三氧化硫含量為0.01%，堅(jiān)固性質(zhì)量損失為2.0%。

碎石選用南陽(yáng)蒲山產(chǎn)，質(zhì)地堅(jiān)硬的石灰?guī)r，采用反擊破碎、二級(jí)破碎工藝生產(chǎn)的碎石，由5～10mm和10～20mm粒級(jí)組成5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。石材飽水抗壓強(qiáng)度達(dá)120mPa，堅(jiān)固性質(zhì)量損失為1.8%，其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足高強(qiáng)度等級(jí)混凝土要求。由于是大流動(dòng)性高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，應(yīng)適當(dāng)增加碎石在混凝土中的比表面積，即增加4.75～16.50mm顆粒含量。通過不同比例的組合對(duì)比，最后選擇碎石顆粒比(5～10mm)∶(10～20mm)=60%∶40%的比例組合成5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)級(jí)配碎石的試驗(yàn)結(jié)果 %

粉煤灰選用南陽(yáng)鴨河口電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。采用等量代替水泥法代替部分水泥，以降低單位水泥用量，延緩混凝土凝結(jié)時(shí)間。該粉煤灰細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果為2.5%，燒失量為3.7%，三氧化硫含量為0.4%，所檢指標(biāo)均符合Ⅰ級(jí)粉煤灰的要求。

選用鄭州永華水泥有限公司生產(chǎn)的高爐礦渣粉，密度為2.93 g/cm3，比表面積為372.7 m2/kg，A7活性指數(shù)為96.1，符合規(guī)范要求。

在實(shí)驗(yàn)室通過對(duì) JYU-EA、HT-U、JM-Ⅲ、UEA-H-V等多種膨脹劑的對(duì)比試驗(yàn)，UEA-H-V膨脹劑和水泥、減水劑、粉煤灰的適應(yīng)性最好，確定選用UEA-H-V膨脹劑，UEA-H-V膨脹劑摻量0.8%時(shí)，空氣中28 d限制膨脹率為 0.028%，水中 21 d限制膨脹率為-0.012%;7 d抗壓強(qiáng)度為27.5mPa，28 d抗壓強(qiáng)度為45.5mPa。

采用江蘇產(chǎn)聚丙烯單絲纖維(durafiber杜拉纖維)，每立方米混凝土摻入0.6 kg，混凝土專用聚丙烯單絲纖維的物理性能如表2。

3.2 配合比設(shè)計(jì)的組成及實(shí)施

1)配制強(qiáng)度:根據(jù)GJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以及鋼拱混凝土施工工藝要求自密實(shí)，因此試配強(qiáng)度需提高10%，以保證拱內(nèi)混凝土整體達(dá)到設(shè)計(jì)要求;按照J(rèn)TJ 041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》及CECS 28∶90《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，大于C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)差選擇Q=6.0mPa，即配制強(qiáng)度為(55+1.645×6)×1.1=70.5mPa

2)對(duì)碎石不同比例組成的連續(xù)級(jí)配、不同的膨脹劑試拌，通過80多次試拌對(duì)比，圍繞拌合物的和易性、坍落度、擴(kuò)展度、坍落度經(jīng)時(shí)損失、凝結(jié)時(shí)間等物理性能和早期強(qiáng)度抗壓、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了綜合比對(duì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 聚丙烯單絲纖維的物理性能

表3 各試樣配合比及材料組成 kg

3.3 試件配合比的試驗(yàn)結(jié)果及其主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)一系列配合比的早期強(qiáng)度抗壓、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了綜合比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可以看出Q9試樣配合比拌合物的物理性能指標(biāo)和28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求，拌合物表面無浮漿、無泌水現(xiàn)象，流動(dòng)性也是最好的，同時(shí)經(jīng)濟(jì)合理。通過對(duì)比試驗(yàn)確定采用Q9配合比設(shè)計(jì)方案后，又選擇不同的水泥廠家進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，結(jié)果都滿足本設(shè)計(jì)要求。

表4 各試樣力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 配合比試驗(yàn)結(jié)果的分析

為了保證混凝土的自密實(shí)效果，入泵坍落度宜控制在210～230mm之間，拌合物擴(kuò)展度要達(dá)到550～650mm，為了保證混凝土有較好的流動(dòng)性、坍落度損失小、設(shè)計(jì)配合比時(shí)采用多種原材料優(yōu)化組合，使其相互作用產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果可以判斷Q9配合比的原材料組合產(chǎn)生了最佳疊加效應(yīng)，達(dá)到了本次配合比設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。優(yōu)質(zhì)的Ⅰ級(jí)粉煤灰和緩凝高效減水劑互相適應(yīng)并相溶，減少了單位用水量;代替部分水泥后減少了單位水泥用量，顯著降低了混凝土的水化熱，延長(zhǎng)了混凝土的凝結(jié)時(shí)間;同時(shí)早期水化產(chǎn)物Ca(OH)2與水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生的凝膠填充了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管路，增加了混凝土的密實(shí)性，使混凝土后期強(qiáng)度均勻增長(zhǎng)。

膨脹劑在混凝土拌合物的初期與減水劑產(chǎn)生疊加效應(yīng)減少了單位用水量、在混凝土初凝后吸收混凝土初期析出的水份，產(chǎn)生膨脹效果封堵混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管路，使混凝土內(nèi)部的水分不再析出，為混凝土拌合物中的粉煤灰二次水化反應(yīng)提供更好的條件，同時(shí)與水泥共同生成水泥石，提高了混凝土的密實(shí)性，使強(qiáng)度產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

碎石選擇小顆粒占多數(shù)的比例，增加了碎石在混凝土中的比表面積。眾所周知，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的漿體強(qiáng)度是相當(dāng)高的，混凝土試件受壓最先受到破壞的往往是較大顆粒碎石，有意識(shí)地減少了大顆粒碎石含量就使混凝土內(nèi)部受力較均勻，提高了荷載能力，同時(shí)大流動(dòng)性混凝土由于砂率較大，在相同坍落度時(shí)增加了混凝土的擴(kuò)展度，提高了混凝土的自密實(shí)性。

磨細(xì)礦渣粉摻入混凝土中能吸收部分Ca(OH)2，產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，從而改善了界面區(qū)Ca(OH)2的取向度，降低了Ca(OH)2的含量，還減小了Ca(OH)2晶體的尺寸，不僅有利于混凝土力學(xué)性能的提高，還有利于混凝土耐久性的改善;而礦渣粉本身也有一定的減水作用，隨著其磨細(xì)度的提高，減水作用增強(qiáng)，提高混凝土坍落度，并具有一定的保水作用和良好的混凝土和易性。

礦渣粉和粉煤灰復(fù)摻一方面可改善混凝土的工作性，同時(shí)也可在混凝土強(qiáng)度上有一定的互補(bǔ)作用，彌補(bǔ)單摻粉煤灰早期強(qiáng)度低的不足。以礦渣粉而言，析出的Ca(OH)2可激發(fā)粉煤灰的活性，從而促進(jìn)粉煤灰顆粒中鋁、硅的溶解，使水化液相中鋁、硅的濃度增加，又可加速礦渣粉的水化過程，各種外摻料都參與水化，當(dāng)然有早、有晚，有快、有慢，本次配合比經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，調(diào)整出適當(dāng)比例，再與高效減水劑、膨脹劑、聚丙烯單絲纖維等多摻，其適應(yīng)性都較好，技術(shù)效果都很顯著，對(duì)混凝土早期、后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)率都有提高，復(fù)摻后共同發(fā)揮了兩種摻合料的火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微骨料效應(yīng)的疊加作用，使混凝土具有良好的可泵性、抗裂性、抗?jié)B性等工作性及使用性能。磨細(xì)礦渣粉在混凝土中的摻量，應(yīng)根據(jù)磨細(xì)礦渣粉本身的質(zhì)量來決定，一般S75級(jí)為10% ～30%、S95級(jí)為20% ～40%、S105級(jí)為30%～50%;礦渣粉對(duì)混凝土早期抗裂有影響，在摻量20%～35%時(shí)，對(duì)混凝土早期3 d自收縮影響不大，但對(duì)后期收縮則有一定影響;摻量為50%時(shí)，對(duì)早期和后期的混凝土自收縮均有明顯影響，因此，對(duì)高強(qiáng)混凝土以控制摻量≤20%為宜。本次選用10%磨細(xì)礦渣粉和20%粉煤灰雙摻。

在鋼管混凝土內(nèi)使用高強(qiáng)混凝土并加入了0.6 kg/m3的聚丙烯微細(xì)纖維，這種聚丙烯纖維是專為強(qiáng)化混凝土使用的纖維，其成份為百分之百聚丙烯，不吸水，不腐蝕，有耐堿性，混凝土加入杜拉纖維經(jīng)攪拌后，纖維能在混凝土內(nèi)平均分布在不同方位及平面，扣緊混凝土混合物，猶如鋼筋一般增強(qiáng)拉力，尤其發(fā)揮在混合料中拉力較弱的地方，能有效地減少混凝土干縮時(shí)所引起的微小裂縫。根據(jù)有關(guān)單位對(duì)杜拉纖維混凝土及普通混凝土進(jìn)行常規(guī)力學(xué)測(cè)試，并作了劈裂抗拉測(cè)試試件破壞的比較，見表5～表9。

表5 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土試驗(yàn)配合比及拌合物工作特性

表6 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

表7 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能相對(duì)百分率 %

表8 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土變形性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 普通混凝土與纖維混凝土膠砂開裂試驗(yàn)結(jié)果

3.5 混凝土限制膨脹率和自由膨脹率試驗(yàn)方法

1)先把縱向限制器放入100mm×100mm×400mm的試模中，然后將混凝土一次裝入試模，把試模放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)至表面呈現(xiàn)水泥漿、不泛氣泡為止，刮去多余的混凝土并抹平。制作好的試件置于溫度為(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試件表面用塑料布覆蓋，防止水分蒸發(fā)。

2)混凝土縱向限制膨脹率測(cè)試方法:當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到3～5mPa時(shí)拆模(一般為成型后12～16 h)，測(cè)量試件初始長(zhǎng)度。混凝土水中養(yǎng)護(hù)3 d，7 d，14 d和空氣養(yǎng)護(hù)28 d，42 d的縱向限制膨脹率測(cè)定依照《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119—2003)之附錄B(補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹率及干縮率的測(cè)定方法)進(jìn)行。表10是不同養(yǎng)護(hù)條件下各齡期混凝土的限制膨脹率，可見，摻入膨脹劑可使混凝土產(chǎn)生一定的膨脹。

表10 混凝土限制膨脹率

3.6 混凝土自由膨脹率試驗(yàn)

混凝土自由膨脹率采用100mm ×100mm×515mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，立即移入溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度60×(1±5%)的恒溫恒濕室，測(cè)定其初始長(zhǎng)度，然后測(cè)定其3 d，7 d，14 d，28 d，60 d和90 d齡期的自由膨脹率(見表11)，沒有約束的條件下，膨脹劑在7 d齡期可使混凝土產(chǎn)生5.6×10-4的膨脹率。

表11 混凝土自由膨脹率

3.7 砂漿的限制膨脹率

與Q11混凝土相同配比砂漿的限制膨脹率按JC/T 476—2001之附錄 A進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果見表12。膨脹砂漿與混凝土有相同的限制膨脹率發(fā)展趨勢(shì)。

表12 同配比的砂漿限制膨脹率

3.8 混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)

1)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)依照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/T B07-01—2006)之附錄A(混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定的RCM方法)進(jìn)行。

2)混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)依照《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275—2000)之附錄B(混凝土抗氯離子滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)進(jìn)行，以3個(gè)試件的6 h通電量平均值來評(píng)定混凝土的抗氯離子滲透性。

兩組混凝土的抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果見表13，Q9和Q11的單位面積上氯離子遷移量DRCM值均＜4×10-12m2/s，滿足D級(jí)防腐的要求。并且，摻入膨脹劑生成的膨脹性鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O，AFt)具有填充、堵塞毛細(xì)孔縫的作用，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低總孔隙率，增加密實(shí)性，從而提高了混凝土抗氯離子滲透的耐久性能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)應(yīng)用P·O52.5水泥，選用UNF-3C緩凝高效減水劑與UEA-H-V膨脹劑復(fù)合使用，并加入Ⅰ級(jí)粉煤灰、Ⅰ級(jí)高爐礦渣粉，聚丙烯單絲纖維，經(jīng)試配選出的高強(qiáng)高性能纖維鋼管混凝土，可以解決泵送頂升過程中，混凝土容易離析、可泵性不強(qiáng)、初凝時(shí)間＜16 h的施工工藝難題，并滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

表13 混凝土抗氯離子滲透性

2)通過兩種外加劑和外摻料相互適應(yīng)和融合，產(chǎn)生最佳的相互疊加效果，改善了混凝土的性能并減小施工過程中混凝土灌注的難度。

3)通過在混凝土中加入聚丙烯單絲纖維與緩凝高效減水劑使其作用效果疊加，利用聚丙烯單絲纖維在混凝土中的亂向分布形式，可以握裹更多的集料，和水泥基料有極強(qiáng)的黏結(jié)力。能有效地解決混凝土由于截面過大(直徑1 000mm 4根主弦鋼管每根的截面達(dá)0.95m2，接近大體積混凝土)，在凝結(jié)硬化過程中水化熱過大，容易產(chǎn)生早期溫度裂紋的問題。

4)通過使用UEA-H-V型膨脹劑，并選取最佳摻量，與其他外加劑、外摻料相互作用所產(chǎn)生的效果相互疊加，解決混凝土灌注時(shí)需緩凝時(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度要求提高快，硬化后產(chǎn)生微膨脹作用，混凝土與鋼拱不脫粘等一系列問題。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［2］福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn).DBJ13-51—2003 J10279—2003 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.福州:福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2003.

［3］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 28:90 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1992.

［4］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 275—2000 海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［5］王鵬輝，齊永順，楊玉紅.自密實(shí)微膨脹混凝土在鋼管拱橋中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(5):7-9.

［6］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T B07-01—2006 公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

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