C50自密實(shí)微膨脹混凝土在S377鋼管拱橋上的探索

雷玲香，李玉梅

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 項(xiàng)目概況

北江(曲江烏石至三水河口)航道擴(kuò)能升級工程省道S377特大橋位于廣東清遠(yuǎn)清城區(qū)境內(nèi)，是廣東省內(nèi)在建的單孔跨度最大的鋼管混凝土拱橋，主橋主拱跨度160 m。拱肋為鋼管混凝土組成的桁架梁結(jié)構(gòu)，截面高3.2 m，肋寬1.95 m。拱肋上、下各兩根750×14(16) mm鋼弦管，管內(nèi)灌C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。弦管通過橫聯(lián)鋼管(500×12 mm)和豎向鋼腹管(351×10 mm)連接構(gòu)成鋼管混凝土桁架梁。

2 C50混凝土初始配合比設(shè)計

初始配合比設(shè)計主要依據(jù)單位用水量、水膠比和砂率三個基本參數(shù)進(jìn)行。根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283-2012)[1]和《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55-2011)[2]得到初始配比，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室混凝土初始配合比 單位：kg·m-3

根據(jù)初始配合比制備混凝土，其工作性能和力學(xué)強(qiáng)度見表2。

表2 C50混凝土實(shí)驗(yàn)室初始配合比的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度

從表2可以看出，C50鋼管混凝土初始流動狀態(tài)良好，齡期強(qiáng)度等級達(dá)標(biāo)，但3 h后混凝土的坍損較大，說明混凝土的自密實(shí)性能和保塑性能均需得到進(jìn)一步的提升，確保鋼管混凝土易于泵送灌注。需要適當(dāng)調(diào)整膠凝材料用量、礦物摻和料、水膠比、砂率等參數(shù)，從而滿足C50鋼管自密實(shí)混凝土施工要求。

3 C50自密實(shí)鋼管混凝土的力學(xué)性能和工作性能的優(yōu)化設(shè)計

S377特大橋C50鋼管混凝土為免振搗自密實(shí)混凝土，泵送頂升灌注時不需搗固而密實(shí)，因此，要求混凝土在頂升灌注過程中保持良好的塑性，在施工完畢前，混凝土不能初凝，具有不離析、不泌水、和易性好、粘聚性好、自密實(shí)免振搗特性。

3.1 水膠比對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

控制膠凝材料用量為530 kg/m3，減水劑量為1.8%，砂率為40%，研究了0.28、0.29、0.3、0.31、0.32五種水膠比對C50混凝土的工作性能和強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知：混凝土的坍落度和擴(kuò)展度與水膠比呈正效應(yīng)，但隨水膠比增加，坍?dāng)U度增加量減少；7、28 d抗壓強(qiáng)度值隨水膠比的增大，先增大后明顯降低。

圖1 水膠比對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

在控制砂率、膠材等參數(shù)恒定的情況下，水膠比增加，其用水量增加，混凝土流動性越好；但同時膠凝材料減少，從圖1可看出后期強(qiáng)度有明顯降低；當(dāng)水膠比=0.31時，混凝土?xí)x析，碎石出現(xiàn)包裹性問題；當(dāng)水膠比=0.32時，離析現(xiàn)象更嚴(yán)重，混凝土中因水占據(jù)的空間體積變大，降低了混凝土的粘聚性，包裹性變差。

當(dāng)水膠比增大，單位用水量越多，超過水泥水化的多余水分也就越多，；當(dāng)水膠比=0.31時，水分在水泥硬化后蒸發(fā)，在水泥-石集料結(jié)構(gòu)的界面過度區(qū)形成大量的孔隙；同時由于離析泌水作用，混凝土膠凝作用降低，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度變差，強(qiáng)度變低。

綜合水膠比對混凝土工作性能和強(qiáng)度的影響，選擇水膠比為0.3，混凝土的工作性能好，強(qiáng)度等級也可以達(dá)到要求。

3.2 膠凝材料用量對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

控制砂率為40%，減水劑量為1.8%，水膠比為0.3。需適當(dāng)增加膠凝材料用量來增加混凝土強(qiáng)度，故研究了膠凝材料用量分別為530、540、550、560 kg/m3對C50混凝土的強(qiáng)度和工作性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 膠凝材料對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度基本呈現(xiàn)增加的趨勢，適量的漿體量能很好地包裹骨料，起到潤滑作用，使混凝土流動度大；漿體量過大，可造成混凝土離析泌水，包裹性和密實(shí)性能變差。膠材變多使其膠凝作用變強(qiáng)，混凝土粘度增大，抗離析性能變好，碎石包裹性變好，但會造成混凝土泵送壓力大、泵送效率低，甚至造成堵管。膠材增加也會帶來水化熱高、收縮大等不良影響。

同時增大膠凝材料用量可使混凝土膠凝作用增強(qiáng)，有利于密實(shí)成型和混凝土各個齡期的強(qiáng)度增長。膠凝用量為540 kg/m3可能由于試驗(yàn)中碎石含有較多石粉和小粒徑石頭，吸附水泥漿體，造成新拌混凝土坍?dāng)U度增長量小，強(qiáng)度損失大。因此，經(jīng)過試驗(yàn)和對數(shù)據(jù)的分析，膠凝材料的用量應(yīng)該在滿足C50鋼管混凝土強(qiáng)度等級富裕系數(shù)要求下選擇一個適當(dāng)?shù)闹担紤]膠凝材料用量帶來的成本問題，選擇膠凝材料用量為550 kg/m3。

3.3 集料級配對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

將碎石分為5～10 mm和10～25 mm兩個級配，研究了5～10 mm碎石占總碎石量的百分比為10%、15%、20%、25%四種不同比率對混凝土的工作性能和強(qiáng)度的影響?？刂颇z凝材料用量為550 kg/m3，減水劑量為1.8%，水膠比為0.3進(jìn)行混凝土試拌。試驗(yàn)結(jié)果見圖3～4。

由圖3～4可知：鋼管混凝土碎石采用粒徑在5～25 mm的粗集料，通過碎石篩分試驗(yàn)可粗略地分為5～10、10～25 mm兩個級配，考慮新拌混凝土要求，認(rèn)為5～10 mm占20%，10～25 mm占80%且>25 mm的碎石較少可很好滿足工作性能要求，且對混凝土強(qiáng)度影響不大。較少中間粒徑容易出現(xiàn)流漿離析，包裹性差等影響混凝土密實(shí)性、工作性能和降低混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)象。并且5～10 mm占10%和25%容易出現(xiàn)離析或扒底現(xiàn)象。

圖3 集料級配對鋼管混凝土工作性能的影響

圖4 集料級配對鋼管混凝土強(qiáng)度的影響

綜合考慮碎石采用20%左右5～10 mm和80%左右10～25 mm雙級配石子時，混凝土力學(xué)等級符合要求，2 h坍落度擴(kuò)展度損失最低，混凝土中砂、碎石與水泥能形成較密實(shí)的堆積。

3.4 膨脹劑對鋼管混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響

膨脹劑可以直接摻加或等質(zhì)量取代水泥。一般說來等量取代(內(nèi)摻法)可節(jié)約水泥、降低水化熱，但會降低強(qiáng)度。直接摻加(外摻法)導(dǎo)致膠凝材料用量增多，當(dāng)用水量、砂率等其他條件未能相應(yīng)變化時，則會大大降低混凝土的工作性能。

本試驗(yàn)控制膠凝材料用量550 kg/m3、水膠比0.3、砂率40%，研究不同摻量膨脹劑對強(qiáng)度和工作性能的影響，可知：混凝土強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增加基本保持穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)，隨著膨脹劑摻量的提高，混凝土早期強(qiáng)度會略有降低，但對其后期強(qiáng)度的發(fā)展基本不造成影響。但與含量0%對比，摻入了膨脹劑的混凝土齡期強(qiáng)度等級都有不同程度的降低。因?yàn)榕蛎泟┨鎿Q等質(zhì)量水泥，膠凝作用減弱，膨脹劑中含有的CaSO4和CaO與水泥等其他膠凝材料水化相互競爭，影響水泥水化。水化早期，膨脹劑形成適量的Aft填充到混凝土孔縫中，改善了截面結(jié)構(gòu)和密實(shí)度；水化后期，CaSO4和Ca(OH)2不斷消耗，水化放緩，水泥的強(qiáng)度和膨脹協(xié)調(diào)發(fā)展。隨著水化的進(jìn)行，膨脹劑中的CaSO4與水反應(yīng)生成大量的Aft填充到水泥-石空隙中，并與水泥水化生成的C-S-H凝膠相互交織，同時由于內(nèi)摻導(dǎo)致膠材減少，混凝土的后期強(qiáng)度基本保持不變或略有降低。

綜合考慮膨脹劑摻量應(yīng)取45 kg/m3(D3#)為宜(約占膠凝材料8.1%)。

4 結(jié)束語

本研究成果在S377特大拱橋得到了成功應(yīng)用。工程應(yīng)用表明：C50自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土具有良好的自密實(shí)性能和力學(xué)性能，核心混凝土與鋼管緊密粘結(jié)，無脫空現(xiàn)象。本技術(shù)的應(yīng)用大大縮短了施工工期，取得了顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

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