重混凝土配合比設(shè)計(jì)及其在城市橋梁中的應(yīng)用

鄧長軍，唐英，何躍軍，胡安慶

(1．中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路橋建設(shè)有限公司，四川成都610091)

重混凝土配合比設(shè)計(jì)及其在城市橋梁中的應(yīng)用

鄧長軍1，2，唐英2，何躍軍3，胡安慶2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路橋建設(shè)有限公司，四川成都610091)

根據(jù)成都市二環(huán)路高架橋立交大跨度曲線鋼箱梁匝道橋的抗傾覆配重要求，采用重晶石為主要骨料，經(jīng)試配與調(diào)整獲得滿足條件的重混凝土配合比。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行混凝土配制并在混凝土拌合、運(yùn)輸、泵送、澆筑以及鋼箱梁預(yù)拱度監(jiān)測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取控制措施，有效地保證了配重施工質(zhì)量。

鋼箱梁 重混凝土 配合比 控制措施

鋼箱梁具有自重輕、跨越能力大、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。由于城市的地域限制，高架橋立交節(jié)點(diǎn)處常使用小曲線半徑鋼箱梁結(jié)構(gòu)。但因其受彎扭耦合作用造成扭矩較大，同時(shí)其自重較輕易出現(xiàn)支座脫空甚至傾覆等現(xiàn)象，一般通過在鋼箱梁中橋墩附近設(shè)置配重，以增大支座正反力儲(chǔ)備的方法加以控制［1-2］，重混凝土即是配重的關(guān)鍵材料。重混凝土是近年來新興的特種材料，目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，配合比也需根據(jù)實(shí)際需要特別研究［3-4］。重混凝土具有重度大的特殊性，其施工質(zhì)量與配合比設(shè)計(jì)、施工過程控制密切相關(guān)。

本文根據(jù)成都市二環(huán)路高架橋立交大跨度曲線鋼箱梁匝道橋的抗傾覆配重要求，首先著手于滿足需要的重混凝土配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)從現(xiàn)場施工的實(shí)際情況出發(fā)，采取了一系列的控制措施，有效地保證了配重施工質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

1 重混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料選取

根據(jù)配重設(shè)計(jì)要求，重混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，重度不低于35 kN/m3，同時(shí)需滿足耐久性、和易性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，因此選取合適的原材料是關(guān)鍵。

1)水泥。應(yīng)以滿足混凝土強(qiáng)度及和易性等泵送指標(biāo)為原則，選用密度較大、需水量和水化熱都較小的P．O42.5R型普通硅酸鹽水泥。

2)細(xì)骨料。重混凝土的強(qiáng)度、重度等物理性能在很大的程度上取決于骨料的表觀密度、級(jí)配、尺寸與形狀等指標(biāo)。本配合比設(shè)計(jì)中采用級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈、密度較大的重晶砂作為細(xì)骨料來填充空隙，以達(dá)到混凝土和易性良好、保水性強(qiáng)、重度較高的目的。其技術(shù)指標(biāo)詳見表1、表2。

表1 細(xì)骨料物理力學(xué)性能

表2 細(xì)骨料篩分結(jié)果%

3)粗骨料。重混凝土常采用特別密實(shí)和特別重的集料制成，如重晶石混凝土、鐵砂混凝土等，鐵砂混凝土很容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其成本太高，故本配合比設(shè)計(jì)中粗骨料選用連續(xù)級(jí)配重晶石，并通過試驗(yàn)對(duì)其針片狀含量等指標(biāo)進(jìn)行測定，防止混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象從而影響強(qiáng)度及和易性。其技術(shù)指標(biāo)詳見表3、表4。

表3 粗骨料物理力學(xué)性能

表4 粗骨料篩分結(jié)果%

4)拌合用水。水的密度較小，可適當(dāng)摻入減水劑來控制用水量和水膠比，降低水對(duì)混凝土重度的影響，同時(shí)改善混凝土的和易性。

5)外加劑。重晶石骨料石粉含量高、吸水性強(qiáng)，對(duì)混凝土強(qiáng)度、坍落度損失、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)均有較大影響。為確?；炷翉?qiáng)度及良好的可泵性需選用一種性能優(yōu)良的外加劑;另考慮到鋼箱梁頂板開孔小而難以振搗等現(xiàn)場條件，混凝土應(yīng)具有較大流動(dòng)性。綜合以上因素，本配合比設(shè)計(jì)中選用低摻量、高減水率、適應(yīng)性較好、對(duì)環(huán)境無任何影響的聚羧酸泵送劑作為外加劑，其摻量為2.1%。

6)摻合料。為改善混凝土的泵送效果，增加和易性且防止骨料下沉，減少泌水率和混凝土水化熱，本配合比設(shè)計(jì)中采用Ⅰ級(jí)粉煤灰作為摻合料，其摻量為22%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)［5-6］

對(duì)于重混凝土，由于目前尚無專門的配合比設(shè)計(jì)公式，故本設(shè)計(jì)主要依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)，以質(zhì)量法為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，并根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況對(duì)各種成分用量進(jìn)行了修改與調(diào)整，最終通過試驗(yàn)確定了現(xiàn)場拌制時(shí)采用的理論配合比。

1)確定混凝土配制強(qiáng)度

根據(jù)配重設(shè)計(jì)要求，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=30 MPa，取標(biāo)準(zhǔn)差σ=5.0 MPa，則混凝土配制強(qiáng)度fcu，0=fcu，k+1.645σ=38.2 MPa。

2)確定水膠比

已知混凝土配制強(qiáng)度fcu，0=38.2 MPa，現(xiàn)計(jì)算水泥28 d膠砂抗壓強(qiáng)度fce=γcfce，g=1.16×42.5 MPa= 49.3 MPa(式中:γc為水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)，fce，g為水泥強(qiáng)度等級(jí)值);查回歸系數(shù)取值表得:aa= 0.53，ab=0.20;考慮到為改善混凝土工作性能而摻入的一定量的粉煤灰對(duì)水膠比的影響，則膠凝材料28 d膠砂抗壓強(qiáng)度值fb=γfγsfce=0.69×1.00×49.3 MPa= 34.0 MPa(式中:γf為粉煤灰影響系數(shù)，γs為粒化高爐礦渣影響系數(shù)，查表取γf=0.69，γs=1.0)，由此計(jì)算得到混凝土水膠比W/B=(aafb)/(fcu，0+aaabfb)=0.43。

3)確定用水量

根據(jù)泵送施工需要，配制的混凝土應(yīng)具有較大流動(dòng)性，坍落度為18±3 cm，其用水量在《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)無法查找到相應(yīng)參考值，因此本設(shè)計(jì)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)初步確定每立方米混凝土用水量mw0=150 kg/m3。

4)確定砂率

對(duì)于普通泵送混凝土，其砂率通常控制在35%～ 45%，本設(shè)計(jì)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況選用砂率βs= 43%。

5)計(jì)算膠凝材料、摻合料和水泥用量

首先計(jì)算每立方米混凝土中膠凝材料用量為mb0粉煤灰摻量按22%計(jì)算，則每立方米混凝土中粉煤灰用量為mf0=76.7 kg/m3，每立方米混凝土中水泥用量為mc0=272.1 kg/m3。

6)計(jì)算粗、細(xì)骨料用量

本設(shè)計(jì)采用質(zhì)量法計(jì)算混凝土配合比，并取每立方米混凝土拌合物的假定質(zhì)量mcp=3 600 kg/m3進(jìn)行計(jì)算。

由式(1)和式(2)得到:每立方米混凝土的細(xì)骨料用量ms0=1 333.5 kg/m3，每立方米混凝土的粗骨料用量mg0=1 767.7 kg/m3。

7)計(jì)算外加劑用量

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中每立方米混凝土的外加劑摻量βa=2.1%，則外加劑用量ma0=mb0βa=7.3 kg/m3。

8)初步配合比確定

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得到初步配合比，詳見表5。

表5 初步配合比kg/m3

9)配合比的試配、調(diào)整與確定

根據(jù)初步配合比稱料試拌，測得拌合物坍落度為195 mm，密度為3 540 kg/m3，且和易性良好，無離析，符合設(shè)計(jì)和施工要求，故以此配合比為試拌配合比。

在試拌配合比基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三組不同配合比，其中1#配合比為試拌配合比，2#配合比在試拌配合比的基礎(chǔ)上將水膠比上調(diào)0.05，砂率增加1%，用水量與試拌配合比相同，3#配合比在試拌配合比的基礎(chǔ)上將水膠比下調(diào)0.05，砂率減小1%，用水量與試拌配合比相同。三組配合比混凝土試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

由試驗(yàn)結(jié)果可知:三組配合比混凝土試件的密度和強(qiáng)度均滿足要求。經(jīng)比較，擬選用1#配合比作為理論配合比進(jìn)行重混凝土生產(chǎn)拌制。

2 工程應(yīng)用

在成都市二環(huán)路永豐和武侯立交匝道橋鋼箱梁配重施工中，采用1#配合比進(jìn)行重混凝土生產(chǎn)拌制，累計(jì)泵送澆筑了約2 000 m3混凝土，并根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況，采取了以下控制措施。

1)拌合與運(yùn)輸控制。拌合與運(yùn)輸時(shí)注意保持重混凝土的黏聚性，防止混凝土離析和坍落度損失而影響混凝土質(zhì)量;另外重混凝土自身密度大，故在拌合與運(yùn)輸時(shí)應(yīng)以重量作為設(shè)備荷載能力量化指標(biāo)，以防發(fā)生機(jī)械設(shè)備損害。

2)泵送設(shè)備選擇?；炷帘盟透叨燃s20 m，應(yīng)對(duì)泵車的整車質(zhì)量、最大布料高度、最大半徑進(jìn)行綜合考慮，選擇泵送能力較大的設(shè)備。

3)分次澆筑。澆筑時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制每次澆筑高度，一方面為防止混凝土離析和骨料沉降，另一方面由于重混凝土重度大，對(duì)鋼箱梁縱橫向加勁肋板側(cè)壓力大。施工前應(yīng)對(duì)肋板承受的側(cè)壓力、抗彎及撓度進(jìn)行驗(yàn)算，以確定澆筑速度與分層高度。

4)鋼箱梁預(yù)拱度監(jiān)測。由于鋼箱梁線性膨脹系數(shù)較大，受溫度影響也較大，故選在氣溫穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑施工，且全程進(jìn)行鋼箱梁預(yù)拱度監(jiān)測。其中，初始預(yù)拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)在早晚進(jìn)行測量并且記錄溫度，后續(xù)每次澆筑前后均需進(jìn)行觀測，并將實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，以此分析配重效果。

表6 三組配合比混凝土試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

在結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用質(zhì)量法作為配合比設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，配制出滿足設(shè)計(jì)施工條件的以重晶石為主要骨料的重混凝土，并在混凝土拌合運(yùn)輸、泵送、澆筑、鋼箱梁預(yù)拱度監(jiān)測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取控制措施。工程實(shí)踐表明，施工過程安全順利，做到了經(jīng)濟(jì)、高效、適用。本文對(duì)鋼箱梁配重施工質(zhì)量控制提供了一種思路，可供類似項(xiàng)目參考。

［1］孫全勝，張清晨，張雙．曲線鋼箱梁支座反力分析和脫空控制［J］．世界橋梁，2012，40(2):29-32．

［2］劉彬斌，陳福軍．大跨度曲線鋼結(jié)構(gòu)匝道橋的抗傾覆設(shè)計(jì)［J］．市政技術(shù)，2014，32(2):63-66．

［3］王小岐．剛構(gòu)連續(xù)梁梁端配重鐵砂混凝土應(yīng)用［J］．四川建筑，2013，33(2):197-199．

［4］崔嵩嶺．淺談配重混凝土的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013(8):16．

［5］張大強(qiáng)．重晶石混凝土在橋梁中的應(yīng)用［J］．科技視界，2014 (4):108，210．

［6］中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

Mix proportion design of heavy concrete and its application to urban bridges

DENG Changjun1，2，TANG Ying2，HE Yuejun3，HU Anqing2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 610031，China;3．Chengdu Construction Engineering Corporation Group Road and Bridge Company Limited，Chengdu Sichuan 610091，China)

T o meet the requirements of the anti-overturning balance weight of the long-span curved steel box girder at the ramp bridge at the viaduct bridge of the second ring road of Chengdu province by using barite as the main aggregate，after trails and adjustment，the mix proportion of heavy concrete was obtained．On this basis，heavy concrete was manufactured，in the mean time，control measures is taken at key stages as concrete mixing，transport，pumping，pouring and girder camber for the sake of quality control．

Steel box girder;Heavy concrete;M ix proportion;Control measures

TU528.19

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．07

1003-1995(2015)03-0024-03

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-10-29;

2014-12-10

鄧長軍(1986—)，男，四川安岳人，碩士研究生。