細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土在狹小空間的施工應(yīng)用研究

龍 勇(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 工程概況

某高速鐵路橋梁工程中的主橋跨徑布置為(116+120+336+120+116)m = 808m，336m 的主拱采用雙層橋面鋼箱系桿拱橋，116m 和 120m 的邊拱采用混凝土簡支系桿拱橋。主橋拱座為混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋為內(nèi)高 9m、內(nèi)寬 3m 的鋼箱結(jié)構(gòu)，拱座—鋼箱拱肋結(jié)合面設(shè)計(jì)為 20 cm厚的 C 55 混凝土。結(jié)合段設(shè)計(jì)采用m 56 錨桿提供預(yù)壓力，通過錨桿的預(yù)壓力使鋼箱拱和橋墩混凝土基座連接成一體。錨桿一側(cè)錨固在混凝土橋墩內(nèi)，另一側(cè)錨固在鋼箱拱承壓加勁板與錨墊板共同構(gòu)成的錨梁上，錨墊板厚度 60 mm。

由于所灌注的混凝土厚度僅為 20 cm，其中還布置 142根m 56 錨桿及鋼筋網(wǎng)，鋼筋密集，空間狹小，且無法振搗，所以要求混凝土有良好的流動性、穿透鋼筋間隙能力及勻質(zhì)性，能很好地填充結(jié)構(gòu)物，即應(yīng)具有自密實(shí)性。另外，為了防止混凝土與鋼板脫黏，混凝土應(yīng)具有一定的微膨脹性能，因此，決定使用 C 55 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土。

2 混凝土性能指標(biāo)確定

根據(jù) JGJ 283—2012《自密實(shí)度混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，配制的細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土拌合物性能指標(biāo)應(yīng)滿足表1 要求，硬化混凝土力學(xué)性能、耐久性及體積穩(wěn)定性指標(biāo)應(yīng)滿足表2 的要求。

表1 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土拌合物性能指標(biāo)要求

表2 土力學(xué)性能、耐久性及體積穩(wěn)定性指標(biāo)要求

3 原材料優(yōu)選

采用四川雙馬(宜賓)水泥制造有限公司生產(chǎn)的低堿 P·O 42.5 水泥，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 26.2%、比表面積應(yīng) 336 kg/m2，堿含量 0.52%、熟料中 C3A 含量應(yīng)＜ 5.7%，3d 抗折強(qiáng)度 5.6 MPa，3d 抗壓強(qiáng)度 28.4 MPa，28d 抗折強(qiáng)度 8.3 MPa，28d 抗壓強(qiáng)度 50.8 MPa，各技術(shù)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

采用四川宜賓孝兒電廠生產(chǎn)的 F 類 Ⅰ 級粉煤灰，其細(xì)度 9.6%，需水量比 92%，燒失量 2.87%，各項(xiàng)指標(biāo)符合TB/T 3275—2011 《鐵路混凝土》規(guī)范 C 50 及以上混凝土用粉煤灰指標(biāo)要求。

采用重慶天耀材料有限公司生產(chǎn)的 TY-ZY/Ⅰ 型高效膨脹劑，該膨脹劑后期膨脹效果良好，7d 抗壓強(qiáng)度 24.9 MPa，28d 抗壓強(qiáng)度 43.6 MPa，水中7d 限制膨脹率3.8×10-4，空氣中 21d 限制膨脹率 0.9×10-4。

采用四川鐵科新型建材有限公司特配的 TK-PCA2緩凝型聚羧酸高性能減水劑，復(fù)配了適當(dāng)引氣劑，減水率29%，7d 抗壓強(qiáng)度比 149%，28d 抗壓強(qiáng)度比 135%。

采用云南水富金沙江河砂，其細(xì)度模數(shù) 2.6，級配符合Ⅱ 區(qū)中砂，含泥量≤1.1%，泥塊含量≤0.2%。

采用宜賓市珙縣興太采石廠用反擊破破碎，再經(jīng)整形工藝生產(chǎn)的 5～10 mm 連續(xù)級配碎石，其含泥量 0.3%，泥塊含量 0.1%，針片狀含量 2%，壓碎值 6%。

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)試配

4.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算

配合比設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)規(guī)范 JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及 TB/T 3275—2011 進(jìn)行，依據(jù)混凝土堆壘理論，采用絕對體積法設(shè)計(jì)計(jì)算。在相關(guān)參數(shù)選定時(shí)，應(yīng)盡可能的提高集料用量、降低漿體體積，以保證混凝土的體積穩(wěn)定性。

(1)確定粗集料用量：自密實(shí)混凝土粗集料體積宜控制在 0.28～0.35m3，過小影響混凝土彈性模量、體積穩(wěn)定性等性能，過大則影響混凝土工作性。本混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，且碎石粒徑偏小，初步選定粗集料表觀密度為2780 kg/m3，體積為 0.35m3，粗集料mg用量計(jì) 算 見式(1)。

(2)確定細(xì)集料用量：砂漿體積計(jì)算見式(2)。

自密實(shí)混凝土的砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)宜控制在0.42～0.45，過大則混凝土工作性和強(qiáng)度降低，過小則混凝土收縮較大。為進(jìn)一步保證混凝土體積穩(wěn)定性，適當(dāng)降低膠凝材料用量，砂漿中細(xì)集料的體積分?jǐn)?shù)取 0.45。細(xì)集料ms用量計(jì)算公式見式(3)。

摻適當(dāng)?shù)姆勖夯铱筛纳苹炷恋墓ぷ餍裕档突炷了療?；膨脹劑是微膨脹混凝土的膨脹源，?jīng)試驗(yàn)比選確定，取粉煤灰、膨脹劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.18、0.10。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水泥、粉煤灰、膨脹劑的密度分別為 3.14 g/cm3、2.57 g/cm3、2.81 g/cm3。

代入式(5)計(jì)算可得：膠凝材料表觀密度 t b 為 2.986g/cm3。

依據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程，取 v =6.0 ，

(8)計(jì)算單位用水量 ：單位用水量計(jì)算公式見式(8)。

(9)計(jì)算水泥用量、礦物摻合料用量：粉煤灰mf、膨脹劑mp、水泥mc用量計(jì)算見式(10)～(12)。

(11)驗(yàn)算混凝土漿體比：根據(jù)規(guī)范 TB/T 3275—2011第 7.2.6 要求，C 50～C 60(含 C 60)混凝土最大漿體比應(yīng)≤0.35，漿體比是膠凝材料和水體積之和與混凝土總體積的體積之比。本次設(shè)計(jì)計(jì)算的混凝土配合比漿體比 ：；符合規(guī)范要求。

(12)確定初步配合比：根據(jù)以上計(jì)算，初步確定表3 中的混凝土配合比。

表3 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土初步配合比參數(shù) kg/m3

4.2 混凝土配合比試配

(1)混凝土外加劑初步配方的確定。為保證混凝土有良好的工作性，滿足坍落度損失小、易自密等性能要求，良好的高性能減水劑是關(guān)鍵，有必要對外加劑組分進(jìn)行調(diào)整。為了降低調(diào)整外加劑組分時(shí)試拌混凝土的勞動強(qiáng)度，采用試拌同配合比砂漿性能方法確定外加劑的初步配方，試拌過程中，應(yīng)重點(diǎn)觀察砂漿的氣泡大小、泌水巴底情況及擴(kuò)展度發(fā)展趨勢。通過調(diào)整外加劑配方，使砂漿達(dá)到不泌水、不巴底并保持流動性能良好。砂漿流動度試驗(yàn)方法參照 GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄 A 進(jìn)行，砂漿配合比見表4(是在表3 的基礎(chǔ)上去除粗集料、外加劑摻量降低 0.2% 而形成的)。砂漿性能試驗(yàn)試拌5L，試驗(yàn)情況及外加劑配方調(diào)整情況見表5。

表4 試拌砂漿配合比參數(shù) kg/m3

表5 砂漿試拌性能調(diào)整情況

(2)混凝土試配調(diào)整。根據(jù)表5 配合比參數(shù)、按配方 3外加劑，進(jìn)行混凝土試配。試拌時(shí)首先確?；炷凉ぷ餍裕ぷ餍詽M足要求后再制作成型力學(xué)性能、耐久性能試件。單次試拌 25 L，通過微調(diào)外加劑配方使混凝土工作性滿足施工要求，試拌混凝土工作性結(jié)果見表6。

表6 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土試拌工作性能結(jié)果

由表6 可以看出，同外加劑配方，試拌同配合比砂漿(摻量降低 0.2%)流動度與混凝土擴(kuò)展度發(fā)展趨勢基本一致，但其他性能需根據(jù)混凝土試拌實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

通過表6 中序號2的試驗(yàn)，最終確定了外加劑配方，并用這個(gè)配方的外加劑試拌混凝土，測試的細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土拌合物性能檢測結(jié)果見表7，硬化混凝土力學(xué)性能、耐久性及體積穩(wěn)定性檢測結(jié)果見表8。

表7 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土拌合物性能檢測結(jié)果

表8 細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土力學(xué)性能、耐久性及體積穩(wěn)定性檢測結(jié)果

從表7、表8 可以看出，混凝土配合比各檢測指標(biāo)結(jié)果均滿足施工、設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，故擬定表3 配合比為本工程拱座-鋼箱拱肋結(jié)合段施工用混凝土配合比。

5 混凝土模擬澆筑

本工程部位操作空間狹小，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，且鋼筋較密，混凝土澆筑一旦失敗，幾乎沒有補(bǔ)救措施。為了進(jìn)一步確保結(jié)合段混凝土澆筑的質(zhì)量，采用平面尺寸 1/4、厚度為 20 cm 的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬澆筑，澆筑過程中監(jiān)控混凝土的工作性，并跟蹤混凝土的力學(xué)性能。澆筑完成后，拆除模板進(jìn)行混凝土外觀驗(yàn)收，鉆取芯樣查看混凝土的密實(shí)程度，并檢測混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)拆模檢查外觀、取芯驗(yàn)證強(qiáng)度，混凝土填充密實(shí)，無蜂窩麻面等缺陷，混凝土芯樣 28d 抗壓強(qiáng)度為 64.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 工程應(yīng)用

為了確保拱座-鋼箱拱肋結(jié)合段混凝土的順利澆注，項(xiàng)目部制訂了專項(xiàng)澆注方案，狹小空間施工時(shí)，應(yīng)注意控制澆筑速度，防止?jié)仓^快而形成氣囊。為了便于混凝土施工澆筑過程中觀察及更好地排出氣體，按梅花形預(yù)留部分錨桿孔間隙作為澆筑排氣孔及觀察孔，混凝土澆筑高度即將到達(dá)時(shí)用泡沫膠封堵；試驗(yàn)室制定了專項(xiàng)控制措施，混凝土原材料進(jìn)場后，進(jìn)行了室內(nèi)試拌、拌和站試生產(chǎn)等工作，澆筑時(shí)，逐車檢查混凝土施工性能，并跟蹤5d 混凝土抗壓強(qiáng)度、工作性能、5d 抗壓強(qiáng)度與原配合比設(shè)計(jì)基本一致后，再正式生產(chǎn)施工。2016 年12月11日，在主橋2號墩、3 號墩拱座-鋼箱拱肋結(jié)合段首次澆筑，混凝土出機(jī)坍落度 260 mm、擴(kuò)展度 680 mm、混凝土含氣量 2.4%，5 h 后坍落度 240 mm、擴(kuò)展度 610 mm，5d 抗壓強(qiáng)度 53.4 MPa、彈性模量 36.6 GPa，28d 抗壓強(qiáng)度 67.0 MPa、彈性模量 41.3 GPa，14d 水中限制膨脹率 3.3×10-4、轉(zhuǎn)空氣中 28d 限制膨脹率 0.5×10-4，均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。該細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土的成功應(yīng)用，解決了狹小空間混凝土澆筑無法振搗、后澆易脫黏等難題，為今后類似結(jié)構(gòu)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

7 結(jié) 語

(1)細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)采用絕對體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，粗集料體積、砂漿中細(xì)集料的體積分?jǐn)?shù)是影響混凝土力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

(2)高性能外加劑是細(xì)石自密實(shí)微膨脹混凝土工作性的重要保障，采用同配合比砂漿(摻量降低 0.2%)是確定外加劑初步配方的有效方法。

(3)膨脹劑是混凝土補(bǔ)償收縮的膨脹源。膨脹劑的型號及摻量是混凝土補(bǔ)償收縮重要影響因素。高強(qiáng)度微膨脹預(yù)應(yīng)力混凝土，應(yīng)選擇后期膨脹效果良好的膨脹劑，配合比設(shè)計(jì)時(shí)限制膨脹率應(yīng)比設(shè)計(jì)提高 0.5×10-4。

(4)狹小空間結(jié)構(gòu)部位澆筑混凝土，應(yīng)適當(dāng)控制混凝土澆筑速度，防止應(yīng)澆筑過快而形成氣囊。