淺談鋼管混凝土

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

1 前言

現(xiàn)代建筑工程對(duì)混凝土的要求越來越高，不僅要求混凝土具有高強(qiáng)性能，更重要的是要有良好的工作性能和耐久性能。鋼管混凝土憑借高強(qiáng)度、高韌性、高承載力、優(yōu)良抗震性能、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在大跨境橋梁、高層建筑、高墩高塔和工廠廠房等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用［1］；已建世界第一跨（530m）的四川合江長江一橋和世界第一高墩（182.5m）都證明了鋼管混凝土的應(yīng)用前景。鋼管混凝土復(fù)合材料已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注和重視，隨著理論的不斷完善和實(shí)踐的檢驗(yàn)，相信鋼管混凝土的應(yīng)用將成為現(xiàn)在工程中不可或缺的一部分。

2 鋼管混凝土優(yōu)勢［2］

（1）鋼管混凝土組合材料在復(fù)合作用下形成緊箍作用，使得混凝土的強(qiáng)度和韌性大大提高，混凝土的破壞形式從脆性破壞到塑性破壞，克服了混凝土最致命的弱點(diǎn)—脆性大、韌性差。

（2）混凝土完全處于鋼管的封閉狀態(tài)之中，外界侵蝕介質(zhì)（如對(duì)混凝土耐久性有較大影響的硫酸根離子和氯離子）被隔絕，無法與混凝土發(fā)生反應(yīng)，混凝土壽命大大提高，從而克服了混凝土另一致命弱點(diǎn)—耐久性問題。

（3）高承載力：混凝土被約束在鋼管內(nèi)，其受力方式發(fā)生了變化，從單向受壓變?yōu)槿蚴軌?，大大提高了混凝土的抗壓?qiáng)度，同時(shí)大大降低了鋼管局部變形的可能性。由此可見，這種組合結(jié)構(gòu)克服了混凝土、鋼材二者的不足，達(dá)到優(yōu)異的復(fù)合效果。

（4）高經(jīng)濟(jì)性。與純鋼拱橋、斜拉橋、懸索橋等橋型相比，鋼管混凝土相對(duì)成本較低，如某工程采用分幅式鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)，一個(gè)高墩節(jié)省1500 萬元。

3 鋼管混凝土澆筑方法及性能要求

鋼管混凝土常用三種澆筑方法：人工逐段澆搗法、高位拋落免振搗法、泵送頂升法；而泵送頂升法是三種方法中最常用的，由于采用此法一次澆筑混凝土的量大，施工難度和技術(shù)要求相對(duì)其它工程要高，這對(duì)鋼管混凝土的配制、性能提出了嚴(yán)格的要求。

混凝土除了要滿足設(shè)計(jì)的各項(xiàng)力學(xué)性能要求，還應(yīng)具備必需的工作性能：高流動(dòng)性、低坍落度損失（初始坍落度應(yīng)控制在20cm 以上，3h 坍落度損失≯3cm，混凝土泵送完畢后還具備一定的流動(dòng)性，坍落度＞12cm）、擴(kuò)展度在55～66cm 之間、免振搗自密實(shí)、粘聚保水性好、低水化熱、微膨脹、延后初凝和早強(qiáng)等［3］。

4 鋼管混凝土配制

（1）水泥：

在鋼管混凝土當(dāng)中，主要使用普通硅酸鹽水泥。

水泥細(xì)度不能太高，否則會(huì)造成混凝土坍落度損失增大。部分廠家水泥煅燒質(zhì)量不好，則一味地將水泥磨細(xì)，這易造成吸附大量外加劑，收縮增大。

水泥存放時(shí)間過短容易造成坍落度損失加大。水泥存放時(shí)間長后，表面吸附空氣、水分等造成表面活化能下降，吸附減水劑的能力下降，從而更好地發(fā)揮出減水劑的作用。

做橋梁考慮經(jīng)濟(jì)性，建設(shè)單位一般不會(huì)同意用成本相對(duì)較高的中熱或低熱水泥，所以一般采用P·O42.5 的水泥，然后調(diào)整礦物摻合料使用和優(yōu)化減水保塑劑性能。

（2）礦物摻合料：

混凝土中摻入礦物摻合料可以起到節(jié)省成本、改善新拌混凝土的工作性能的作用，更重要的是它們的摻入大大延長了混凝土的使用壽命，大大提高了混凝土的耐久性。

在鋼管混凝土中應(yīng)用較多的礦物摻合料是粉煤灰，但隨著煤的漲價(jià)，粉煤灰的質(zhì)量下降、數(shù)量下降和價(jià)格開始上漲，現(xiàn)階段一些地方的粉煤灰價(jià)格甚至與水泥的價(jià)格相當(dāng)，此時(shí)可以考慮用一些磨細(xì)礦渣粉。當(dāng)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度要求比較高如C80 時(shí)，還需加入一定量的硅灰。

一般來說，粉煤灰的加入會(huì)降低混凝土的早期強(qiáng)度，已施工完畢的拱肋鋼管一般要求混凝土在3d 內(nèi)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上，只有這樣，才能進(jìn)行下一根鋼管的灌注同時(shí)縮短施工時(shí)間。所以一般在鋼管混凝土的配合比中應(yīng)盡量降低粉煤灰的比例（以12%～15%居多），抗壓強(qiáng)度要求越高的混凝土，就必須用越優(yōu)質(zhì)的粉煤灰，另外使用前應(yīng)檢測粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)。

（3）高效減水保塑劑［2-4］：

選擇原則是減水率高、保塑性好、引氣量低（≤2.5%）、不易造成泌水和離析、與水泥的相容性好。

萘系減水劑減水率雖高，但引氣量非常大且混凝土粘聚性不如聚羧酸系減水劑的好；氨基磺酸鹽系減水劑減水率高，保塑性好，但混凝土粘聚性不太好，容易造成離析、泌水，因此氨基磺酸鹽減水劑不能單獨(dú)使用，需要與萘系減水劑、葡萄糖酸鈉復(fù)合使用。一般比例為（80%FDN＋10%N+5%葡萄糖酸鈉）

用聚羧酸系減水劑、緩凝保塑成分、消泡成分（如有機(jī)硅、磷酸三丁酯，摻入量約為4～5‰）復(fù)合也是一種比較好的選擇，因此應(yīng)根據(jù)具體情況選擇何種減水保塑劑。

（4）膨脹劑：

膨脹劑的選擇至關(guān)重要，它關(guān)系到鋼管與混凝土之間粘結(jié)的效果，對(duì)鋼管混凝土的承載力乃至整個(gè)工程的安全有重大影響。

具體選擇的選擇是：膨脹與強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展、膨脹能大、膨脹穩(wěn)定期長、膨脹性能可控和可持續(xù)膨脹?，F(xiàn)在一般采用復(fù)合膨脹劑來實(shí)現(xiàn)上述功能，膨脹劑的摻入量約為10%左右最為合適。

（5）集料：

細(xì)集料：一般采用中砂，不用細(xì)砂和特細(xì)砂，其含泥量和泥塊盡可能低（＜1%），砂要具有良好的顆粒級(jí)配和一定的硬度。

粗集料：采用連續(xù)級(jí)配，最大粒徑控制在25mm 以內(nèi)，對(duì)于C60 以上的混凝土宜小于20mm，其中的針片狀含量應(yīng)較低（＜10%），保證壓碎值Qa ＜10%。

（6）拌合水：

不得使用海水、被酸堿溶液侵蝕的水、工業(yè)廢水和城市地下水等已被嚴(yán)重污染的水，其它水作為混凝土拌合水基本沒問題。

5 鋼管混凝土的施工（以鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?］

鋼管混凝土施工中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)是混凝土的灌注和拱橋的合龍。其中混凝土的灌注對(duì)混凝土的工作性能提出了比較嚴(yán)格的要求。

工程上為了降低砂石的溫度，需用冷卻水沖洗，但資歷經(jīng)驗(yàn)尚淺的年青人員，最好不用用水沖洗砂石，因?yàn)楹首兓?，不易控制，容易?duì)混凝土工作性能造成影響。白天可以對(duì)砂石遮陽，當(dāng)晚上施工時(shí)，將表面一層砂石推掉，取內(nèi)部砂石進(jìn)行混凝土的配制。

一般為保證灌注工作順利進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)堵管等故障，施工選在后半夜進(jìn)行，此時(shí)是一天中溫度最低的時(shí)候，各種原材料溫度也降至和大氣溫度相當(dāng)，這時(shí)進(jìn)行混凝土的灌注最合適。

5.1 安裝進(jìn)料管和排漿管

首先在鋼管底部兩拱腳處各開一個(gè)灌注孔，鋼管頂部開設(shè)兩個(gè)排漿孔（規(guī)格直徑為200 或150mm，壁厚一般為15mm 不超過22mm），在排漿孔上焊接鋼管（長約為1000mm），在灌注孔處加固焊接一段端口朝外的泵管，泵管另一段切一斜口，插入鋼管內(nèi)，但插入深度不能超過鋼管中心線，泵管與鋼管中心線的夾角為30°～45°，應(yīng)保證泵管的方向朝上，絕對(duì)不能朝向下方。為了防止混凝土回流，應(yīng)在進(jìn)料管處設(shè)一回流閥。

5.2 布置泵管

盡量少采用彎管和軟管，與進(jìn)料管相連的第一節(jié)為直管。要設(shè)置足夠的支點(diǎn)、懸掛點(diǎn)，將泵管定牢，避免灌注過程中發(fā)生晃動(dòng)。

5.3 灌注清水和砂漿

往鋼管中先灌入約0.3～0.5m3再灌入約1m3砂漿用于潤滑鋼管內(nèi)壁、減少泵送阻力，砂漿的配合比和去除粗骨料的混凝土配合比一致。

5.4 泵送混凝土

當(dāng)混凝土灌注滿時(shí)，發(fā)現(xiàn)排漿孔開始排漿，此時(shí)繼續(xù)泵送混凝土，直到排出約1m3混凝土，可通過觀察落入水中的物體形成的波紋來判斷此時(shí)排出的是砂漿還是混凝土。然后，每隔3～5min 開動(dòng)泵機(jī)一次，總共開動(dòng)3～5 次，盡可能排除混凝土中的氣體，將其含量降至2.5%以下，避免產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，然后堵塞灌注孔和排漿孔。

5.5 混凝土質(zhì)量檢測

混凝土泵送完成3 個(gè)月左右后，應(yīng)對(duì)混凝土與鋼管壁粘結(jié)情況進(jìn)行檢測，檢查是否有脫空現(xiàn)象，尤其是鋼管頂部和法蘭盤處易產(chǎn)生脫空的部位，一般采用三種方法檢測：錘擊敲打、鉆孔取樣、超聲波無損檢查。幾種方法可結(jié)合使用。

若發(fā)現(xiàn)某處有脫空現(xiàn)象，應(yīng)鉆孔壓進(jìn)環(huán)氧樹脂水泥漿，用此方法來填補(bǔ)空隙，完成后封堵鉆孔，待壓漿材料硬化后，再用超聲波檢測脫空區(qū)域是否密實(shí)，若仍未密實(shí)，應(yīng)繼續(xù)壓漿。

6 結(jié)語

鋼管混凝土作為一種復(fù)合材料，充分發(fā)揮了鋼管、混凝土兩者的優(yōu)勢同時(shí)克服了兩者的不足，達(dá)到了疊加效果，我們從原材料的選擇、混凝土的施工等方面不斷優(yōu)化混凝土的性能，使其在重大工程中能夠得到更廣泛的應(yīng)用。