白鶴灘大橋鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

黎　誠(chéng)，管瑞萍，朱彩云，張　偉（.昆明冶金?？茖W(xué)校，云南　昆明　650033；.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南　昆明　65005）

白鶴灘大橋鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

黎誠(chéng)1，管瑞萍2，朱彩云2，張偉2
（1.昆明冶金?？茖W(xué)校，云南昆明650033；2.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051）

摘要：白鶴灘大橋位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開發(fā)，設(shè)計(jì)中要考慮兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合效益。鋼管橋砼配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足橋梁承載力結(jié)構(gòu)所要求各項(xiàng)力學(xué)性能，具有耐久性、工作及體積穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。對(duì)鋼管拱橋承載力和力學(xué)性能不同砼填充料配合比設(shè)計(jì)，采用正交法配合比試驗(yàn)方法確定混凝土材料組成來(lái)滿足工程項(xiàng)目要求。

關(guān)鍵詞：鋼管砼；配合比；正交設(shè)計(jì)研究

0　引　言

白鶴灘大橋的設(shè)計(jì)建設(shè)是國(guó)家在云南省巧家縣、四川省寧南縣建設(shè)白鶴灘水電站的通道。白鶴灘水電站的建設(shè)、開發(fā)將給庫(kù)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)良好的契機(jī)，庫(kù)區(qū)交通、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等都將得到極大地改善，同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必將起到積極的帶動(dòng)作用；工程的建設(shè)對(duì)促進(jìn)西部開發(fā)，實(shí)現(xiàn)“西電東送”，促進(jìn)西部資源和東部、中部經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有深遠(yuǎn)意義。白鶴灘大橋全長(zhǎng)526 m，采用全新技術(shù)工藝施工，鋼管混凝土橋梁工程量大，結(jié)構(gòu)技術(shù)復(fù)雜，為解決這一難題，設(shè)計(jì)師通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)考查和多方案比較，采用鋼管混凝土拱橋，具有自重輕、耐強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)，節(jié)約材料，減輕構(gòu)件重量，安裝技術(shù)及施工要求較為簡(jiǎn)單方便，承載量大等特征。是大跨橋梁建設(shè)與施工較為理想的結(jié)構(gòu)組合方式。但其要求所用混凝土強(qiáng)度和抗變形能力大，必須根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)混凝土配合比。

1　配比設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)橋梁承載力的設(shè)計(jì)要求，混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，做了6組18個(gè)試驗(yàn)塊的等級(jí)強(qiáng)度試驗(yàn)。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系數(shù)值d，并按標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護(hù)到28 d齡期，采用國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（即《GB／T 50081－2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《GB 50010－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》）試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值小于標(biāo)準(zhǔn)值超過(guò)3%時(shí)，其強(qiáng)度等級(jí)表示為C55。砼設(shè)計(jì)配合比強(qiáng)度為C55，72 h強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的79%。并且砼要有較好的泵送流動(dòng)性及和易性良好等特點(diǎn)，砼補(bǔ)償收縮性自由膨脹率應(yīng)控制在2.01%～0.05%，把自應(yīng)力控制在0.59～1.4 MPa的參數(shù)之間。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用正交法

2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法。是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。日本著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一將正交試驗(yàn)選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。當(dāng)作一個(gè)三因素三水平的試驗(yàn)，按全面試驗(yàn)要求，須進(jìn)行33＝27種組合的試驗(yàn)，且尚未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)。若按L9（3＾3）正交表安排試驗(yàn)，只需作9次，按L18（3＾7）正交表進(jìn)行18次試驗(yàn)，顯然大大減少了工作量。因而正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2.2砼配合比試驗(yàn)正交法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

砼的性能指標(biāo)在多因素影響下，很難找到隨外加材料性能的不同和摻量的改變而改變的規(guī)律。只有通過(guò)正交試驗(yàn)，安排多因素影響因素去推理判斷，這種方法優(yōu)點(diǎn)是從多種試驗(yàn)條件中，選出有代表性的幾個(gè)因素推斷出它的規(guī)律性，從中獲得有價(jià)值的信息資料，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得到最優(yōu)試驗(yàn)方案。

該次砼試驗(yàn)選用L9（3＾3）正交表安排試驗(yàn)，只需作9次，按L18正交表進(jìn)行18次試驗(yàn)，主要解決兩方面問題：①鋼管內(nèi)填砼增強(qiáng)與管壁的穩(wěn)定性能；②砼與鋼管的咬合性，從正向壓力和側(cè)向壓力，其受壓狀態(tài)都符合國(guó)家規(guī)范的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變力的設(shè)計(jì)要求。使砼與鋼管能夠充分體現(xiàn)出強(qiáng)度高、自重量輕、有良好的可塑性能和抗疲勞抗耐沖擊性能的特點(diǎn)。

3　材料選用

砼主要是由水泥、水、砂、粗骨料和礦物超細(xì)粉，減水劑和膨脹劑等原材料組成。材料在拌合中還要考慮其流動(dòng)性和配比數(shù)量等因素的影響，所以在選用各種材料時(shí)，必須考慮到各類材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。各種材料的物理與化學(xué)性質(zhì)分析如下：

（1）水泥，鋼管砼主要是選擇硅酸鹽水泥，而硅酸鹽水泥的性質(zhì)取決于水泥礦物組成和顆粒級(jí)配，在試驗(yàn)中我們對(duì)寧南縣白鶴灘水泥廠及開遠(yuǎn)水泥廠生產(chǎn)的525水泥進(jìn)行了試驗(yàn)比較，2種水泥性質(zhì)穩(wěn)定，各項(xiàng)質(zhì)量指示達(dá)到國(guó)家驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，其水泥的化學(xué)成分，水泥物理性質(zhì)及其礦物組成部分試驗(yàn)結(jié)果表明也符合國(guó)家驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1　兩種水泥熟料的礦物組成Tab.1　Mineral composition of two cement clinkers

試驗(yàn)表明2種水泥礦物組成有利于強(qiáng)度的形成。這2種普通硅酸鹽水泥可以滿足要求。

（2）碎石：碎石的種類很多，為了降低成本，考慮對(duì)大橋附近材料進(jìn)行調(diào)查研究，從四川省的寧南縣與云南省的巧家縣白鶴灘電站附近20 km范圍普查，經(jīng)過(guò)取樣試驗(yàn)，從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上鑒別兩地玄武巖都滿足設(shè)計(jì)砼要求。碎石狀態(tài)及表面的光潔度，碎石壓碎值≤9.5%、其他形狀量2.5%，砼拌合質(zhì)量及鋼管咬合力性能也滿足設(shè)計(jì)砼要求。鑒于上述調(diào)查分析選用了巧家縣當(dāng)?shù)氐男鋷r破碎碎石作為骨料。砼配合比粗骨料級(jí)配組成，見表2。

表2　砼配合比粗骨料級(jí)配組成Tab.2　Concrete mixture ratio of coarse aggregate gradation composition

（3）石英砂：砂的含泥及含的雜質(zhì)直接影響砼的質(zhì)量和水的用量，同時(shí)也會(huì)影響砼拌合物的工作性能。所以選用的石英砂應(yīng)該符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，顆粒形狀近似于球形級(jí)配良好的優(yōu)質(zhì)河砂或山砂。配制C55的砼時(shí)含泥量不應(yīng)＞0.85，其他指標(biāo)應(yīng)滿足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。石英砂料的細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.5以上，當(dāng)石子級(jí)配較差時(shí)石英砂可以偏大些。實(shí)踐表明，砂子粗細(xì)模數(shù)為2.8～3.2時(shí)砼的抗壓強(qiáng)度高，工作性能好。所以嚴(yán)格控制石英砂中石子細(xì)度與含泥量是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。祥見砼各種材料配合比的成分要求表3及砼配合比砂級(jí)配組成見表4。

表3　砼各種材料配合比的成分要求Tab.3　Requirements on mixture ratio of various materials

混凝土等級(jí)　C50規(guī)定值　巧家砂有機(jī)質(zhì)含量（用比色法試驗(yàn)）顏色符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)符合規(guī)范要求云母含量／%?。?　含量符合要求輕物質(zhì)含量／%?。?.5　0.08

表4　砼配合比砂級(jí)配組成Tab.4　Concrete mixture ratio of sand gradation composition

（4）礦物摻合料：礦物摻合料是改善新拌砼的易和性及各項(xiàng)性能，降低砼成本以及提高硬化砼性能，耐久性能的重要因素。該試驗(yàn)選用的摻合料主要是粉礦渣，電廠的粉煤灰，磨細(xì)硅灰及復(fù)合性物料。具體砼配合比的各種礦摻料的物化性質(zhì)見表5及砼配合比的粉煤灰性能檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5　砼配合比的各種礦摻料的物化性質(zhì)Tab.5　Physico－chemical properties of mineral mixtures

表6　砼配合比的粉煤灰性能檢驗(yàn)結(jié)果表Tab.6　Fly ash performance test results

（5）外加劑：該試驗(yàn)主要是根據(jù)砼的泵送與減水效果來(lái)滿足國(guó)家規(guī)范要求，達(dá)到砼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。根據(jù)試驗(yàn)值對(duì)比分析我們選用外加劑是SW—1減水劑，它不僅能滿足泵送要求，還能控制砼的塌落度值。具體情況見表7。

表7　SW－1型砼泵送劑物理性能檢測(cè)結(jié)果Tab.7　Physical performance test results of SW－1 concrete pumping aid

（6）膨脹劑：選用UEA－I膨脹劑，它是硫鋁酸熟料、石膏和明磯石共同粉磨制成的。摻UEA的砼膨脹率隨其摻量的增加而提高。在UEA－I摻量為9%～13%時(shí)，限制膨脹率為（3～6）×10－，相應(yīng)的自應(yīng)力值為0.3～0.78 MPa。摻UEA—I的砼，在水中養(yǎng)護(hù)13 d后置于相對(duì)濕度為49%的空氣中的干縮值比普通砼的低31%～40%。當(dāng)UEA －I摻量增加到25%～30%時(shí)，可配制自應(yīng)力砼。

4　砼塌落度控制

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果砼塌落度控制在205～42 350 mm較合理，倒塌落時(shí)間控制在130～150 s，擴(kuò)展度控制為700～5 470 mm，1.5 h塌落度宜控制在185 mm以上。實(shí)際工程砼的工作性能設(shè)計(jì)與配制和試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)相同。

4.1試驗(yàn)參數(shù)的確定

大橋主拱肋是主要承重結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)的砼配合比設(shè)計(jì)除要求強(qiáng)度高、可泵性良好外，還須考慮砼的自密性和收縮性良好。試驗(yàn)采用150 cm× 150 cm×150 cm 3種不同等級(jí)配合比試驗(yàn)塊進(jìn)行測(cè)試。砼各種影響因素等級(jí)見表8，砼設(shè)計(jì)試驗(yàn)配合比見表9。

表8　砼各種影響因素等級(jí)Tab.8　Level of various influence factors

表9　砼試驗(yàn)配合比Tab.9　Mixture ratio of concrete test

續(xù)表9

根據(jù)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的等級(jí)表明，選用同等級(jí)正交表中的A9正交表，在正交表中對(duì)應(yīng)位置安排好因素和等級(jí)，形成了配合比試驗(yàn)計(jì)劃表，見表10。試驗(yàn)中不允許隨意更改試驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)每組試驗(yàn)均隨機(jī)進(jìn)行，準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)結(jié)果。

表10　砼　A9正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.10　A9 orthogonal tests and results

4.2試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

1）極差統(tǒng)計(jì)分析按正交試驗(yàn)法結(jié)果，分別算出各相應(yīng)水平的3次試驗(yàn)結(jié)果之和及平均強(qiáng)度及極差R，計(jì)算結(jié)果見表10。

2）方差統(tǒng)計(jì)分析方差計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)混砼拌合物塌落度的影響主要來(lái)自水灰比A和減水劑C，其次是粉煤灰B，并隨著他們摻量的增加塌落度也相應(yīng)增大。對(duì)砼3 d強(qiáng)度的影響主要來(lái)自水灰比A，有一定影響，粉煤灰B和減水劑C影響不明顯。砼28 d的強(qiáng)度，水灰比A、粉煤灰B、減水劑C。因此，方差分析結(jié)果與直觀分析結(jié)果基本上一致。

4.3砼初始配合比的確定

通過(guò)上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析和方差分析：砼的考核指標(biāo)塌落度，從表8、9可以看出，2、3項(xiàng)都能滿足砼泵送要求；按設(shè)計(jì)要求和砼強(qiáng)度分析，取第2項(xiàng)較為合適，按水灰比設(shè)計(jì)要求取0.38較好；粉煤灰考核指標(biāo)可從表8、9可以看出，1、2項(xiàng)都滿足設(shè)計(jì)要求；考慮到粉煤灰摻量太多，會(huì)影響砼的3 d強(qiáng)度，取1項(xiàng)，即粉煤灰摻量控制在水泥用量的15%較合理；減水劑指標(biāo)考核：從表8、9和方差分析，隨減水劑的摻量不斷增加，砼的塌落度、3 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度都隨著增長(zhǎng)，所以減水劑3項(xiàng)，取2.58%較為理。依據(jù)上述分析，因此，最終方案確定為：W∶C∶SW∶RW∶砂∶碎石＝180∶450∶50 ∶15∶699∶935。

為了滿足鋼管拱橋砼的要求，還需對(duì)砼適當(dāng)加入微膨脹劑以提高鋼管內(nèi)部與砼有較高撓合度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選擇合適的膨脹劑摻量是及其重要的。

膨脹劑的添加量：配合比設(shè)計(jì)單向膨脹率為0.04%～0.11%，在確保和易性不變的情況下、水灰比不發(fā)生改變、減水劑摻量微有降低，但砼強(qiáng)度微有增加，通過(guò)添加膨脹劑（8%～12%），進(jìn)行微膨脹硂的試配，試配結(jié)果表示膨脹率28 d控制在（2～6）×10－的膨脹值是合理的，符合設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)　語(yǔ)

工程技術(shù)改革與發(fā)展，要求建筑材料不斷革新。新型材料的出現(xiàn)能解決工程中的許多問題，如工程結(jié)構(gòu)，工程受力。同時(shí)，對(duì)改善工程質(zhì)量，提高工程建設(shè)效果等起重要作用。研究鋼管砼的有效配制，使其達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、橋梁承載力的基本要求，對(duì)工程建筑質(zhì)量的提高起到?jīng)Q定性作用。

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中圖分類號(hào)：TU528.59

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004－2660（2015）01－0049－06

收稿日期：2015－01－20.

作者簡(jiǎn)介：黎誠(chéng)（1956－），廣西人，副教授.主要研究方向：工程管理教學(xué)與應(yīng)用.

Design Research on Mixture Ratio
of Concrete Filled Steel Tube of Baihetan Bridge

LI Cheng1，GUAN Rui－ping2，ZHU Cai－yun2，ZHANG Wei2
（1.Kunming Metallurgy College，Kunming 650033，China；2.Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd.，Kunming 650051，China）

Abstract：Baihetan Bridge，located in ningnan county of Sichuan province and Qiaojia county of Yunnan province，is cascade development in the main stream of Jinshajiang downstream.Comprehensive benefits of flood control，sand prevention，downstream shipping condition improvement and reservoir navigation development should be considered in design.The design of concrete mixture ratio should satisfy all mechanical properties required in the bearing capacity of bridge and also be characterized by durability and stability in operation and volume.In the design of concrete mixture ratio with different capacity and mechanical property，orthogonal method was used to determine the formation of concrete materials to satisfy the project.

Key words：concrete filled steel tube；mixture ratio；orthogonal design study