平南三橋C70自密實(shí)無(wú)收縮鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究

周紹基

文章結(jié)合平南三橋工程實(shí)例，采用全計(jì)算法及體積法研究制備了一種C70自密實(shí)無(wú)收縮管內(nèi)混凝土，通過(guò)優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比等方法，研究了其工作性能、泵送性能及體積穩(wěn)定性能設(shè)計(jì)要求，對(duì)超大跨徑鋼管混凝土橋梁的的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

鋼管混凝土拱橋;自密實(shí);無(wú)收縮;配合比設(shè)計(jì);性能研究

U445.57A260915

0 引言

平南三橋是廣西荔浦至玉林高速公路平南北連接線上跨潯江的一座特大橋，主橋?yàn)?75 m（凈跨徑548 m）中承式鋼管混凝土拱橋，引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，南引橋?yàn)椋?0+60+2×35） m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，北引橋?yàn)椋?0+60+50）m+（3×40） m（現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋），大橋全長(zhǎng)1 035 m。該橋主拱采用鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，整束擠壓鋼絞線吊索體系，計(jì)算矢跨比1/4.0，拱軸系數(shù)為1.50，拱肋中距為30.1 m，拱頂截面徑向高為8.5 m，拱腳截面徑向高為17.0 m，肋寬為4.2 m，每肋為上、下各兩根1 400 mm鋼管混凝土弦管，管內(nèi)混凝土采用高性能高流態(tài)自密實(shí)微膨脹C70。本文結(jié)合全計(jì)算法及體積法研究制備了一種C70自密實(shí)無(wú)收縮管內(nèi)混凝土，通過(guò)優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比等方法并采用高穩(wěn)健性化學(xué)外加劑和多元復(fù)合膨脹補(bǔ)償收縮技術(shù)，滿足了工作性能、泵送性能及體積穩(wěn)定性能設(shè)計(jì)要求，并在平南三橋成功應(yīng)用。

1 鋼管自密實(shí)無(wú)收縮混凝土的性能要求及控制指標(biāo)

鋼管自密實(shí)無(wú)收縮混凝土采用特殊的施工工藝，不僅要求混凝土具備普通高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性和填充性能等基本性能，還要求混凝土具有低泡、大流動(dòng)性、收縮補(bǔ)償、延后初凝、不離析、不泌水及粘聚性好等性能。

設(shè)計(jì)為C70自密實(shí)混凝土，其工作性能應(yīng)當(dāng)滿足自密實(shí)混凝土要求，含氣量≤2.5%，自拌和開(kāi)始3 h內(nèi)坍落擴(kuò)展度為650±50 mm，擴(kuò)展時(shí)間T500為3～7 s，坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度差值為0～25 mm，離析率≤15%，初凝時(shí)間≥20 h，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C70。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，28 d強(qiáng)度≥70 MPa，90 d配制強(qiáng)度按下式確定：fcu，0≥1.15 fcu，k=1.15×70=80.5 MPa，無(wú)收縮混凝土3 d自生體積變形≥150 με，56 d自生體積變形≥0。

2 原材料優(yōu)選

2.1 水泥

水泥作為混凝土主要的膠凝材料，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能。水泥的主要含量為硅酸三鈣、硅酸二鈣以及鋁酸三鈣，其含量不同直接影響水泥主要性能。通過(guò)對(duì)比優(yōu)選當(dāng)?shù)厝A潤(rùn)水泥和魚峰水泥，這兩種水泥的主要力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)測(cè)試如圖1所示，綜合各方面因素考慮，優(yōu)選廣西柳州魚峰水泥有限公司生產(chǎn)的P.052.5水泥。

2.2 粗集料

粗集料的機(jī)械強(qiáng)度、顆粒形狀、表面特性、級(jí)配、雜質(zhì)含量、吸水率等對(duì)C70混凝土的性能有重要影響。粗骨料是高性能混凝土的重要組成材料，高質(zhì)量的材料方可配制高性能的特種混凝土。因此，選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、粒形好、級(jí)配好的碎石，可以最大限度地減少用水量和漿體體積，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

根據(jù)原材料對(duì)比優(yōu)選可知，輝綠巖碎石粒型圓潤(rùn)，與閃長(zhǎng)巖比表面相對(duì)光滑，表觀密度為2 959 kg/m3，壓碎值小，原材料質(zhì)量穩(wěn)定;閃長(zhǎng)巖的表觀密度為2 815 kg/m3，碎石粒型圓潤(rùn)，表面較為粗糙，原材料不穩(wěn)定;石灰?guī)r粒型棱角分明，壓碎值高，達(dá)到14.1%，表觀密度為2 713 kg/m3，石粉含量高且質(zhì)量不穩(wěn)定，該碎石不滿足C70混凝土要求。對(duì)比優(yōu)選后，最終確定輝綠巖作為粗骨料。

2.3 細(xì)集料

所用細(xì)集料為鐘山石灰?guī)r機(jī)制砂：中砂，顆粒潔凈，質(zhì)地堅(jiān)硬。

采用機(jī)制砂制備混凝土，由于機(jī)制砂中>0.3 mm的顆粒含量>85%，細(xì)度模數(shù)偏大，加之機(jī)制砂棱角多，表面粗糙，應(yīng)用于混凝土配制時(shí)易出現(xiàn)坍落度損失大、拌和物泌水及混凝土泵送壓力大等問(wèn)題，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工。只有嚴(yán)格控制0.3 mm以下細(xì)顆粒和石粉含量，才能確保配制出的高性能混凝土拌和物性能既滿足施工要求，又滿足強(qiáng)度和耐久性要求。試驗(yàn)表明，機(jī)制砂為Ⅱ區(qū)砂級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.6～2.9，0.3 mm以下細(xì)顆粒為22%～26%，石粉含量為4.8%～7%時(shí)所配制的C70高性能混凝土工作性能最佳。

2.4 粉煤灰

粉煤灰中含有的活性成分比C3S和C2S水泥的水化速度慢，二次水化能有效地填充混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔洞，使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，從而提高混凝土的性能。選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰能有效地提高混凝土的耐久性，節(jié)約水泥，降低成本。

混凝土使用Ⅰ級(jí)粉煤灰由廣西欽州藍(lán)島提供，其工程抽樣檢驗(yàn)符合《水泥及混凝土用粉煤灰》（GB/T1596-2017）Ⅰ級(jí)粉煤灰技術(shù)條件要求。

2.5 硅灰

硅灰是一種具有高比表面積的微粉輔助膠凝材料。在C70高性能混凝土摻入一定量的硅灰，不僅能改善混凝土的工作性，還可以利用微粉填隙作用形成細(xì)觀的緊密體系，改善界面結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

2.6 微珠

微珠屬于粉煤灰活性微珠，這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細(xì)，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，在相同用水量的情況下，可增大流動(dòng)性，改善和易性和可泵性。它們?cè)诨炷林?，能起到滾珠作用，降低混凝土的黏度，提高混凝土的流動(dòng)性。在C70高性能混凝土中摻入一定量的微珠，可以降低混凝土黏度。在相同坍落度或擴(kuò)展度條件下，添加微珠的混凝土塑性黏度和倒筒時(shí)間明顯降低，對(duì)泵送混凝土有極佳的潤(rùn)滑改善作用，顯著降低混凝土泵的泵送壓力。同時(shí)，可以提高混凝土密實(shí)度，改善混凝土中水泥漿與粗骨料之間的界面，減少有害毛細(xì)孔，提高混凝土強(qiáng)度。微珠在混凝土中能夠起到密實(shí)填充作用，減少有害毛細(xì)孔及微裂紋，增加抗腐蝕性能。

2.7 外加劑

C70混凝土采用蘇博特PCA-I高穩(wěn)健性減水劑。由于水泥用量大，水灰比低，強(qiáng)度要求高，混凝土流動(dòng)性大，因此對(duì)混凝土的設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。為了滿足混凝土的性能和施工要求，同時(shí)減少水泥用量，降低工程造價(jià)，外加劑的選擇尤為重要。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，選用蘇博特PCA-I高穩(wěn)健性減水劑，在擬合成的聚合物中引入較大比例對(duì)水具有良好親合性的長(zhǎng)聚醚側(cè)鏈，長(zhǎng)期提供強(qiáng)烈的位阻作用，延緩水泥顆粒的物理凝聚，從而提供其良好的分散性能。通過(guò)引入酯型長(zhǎng)側(cè)鏈，橋接基團(tuán)為-COO-，能夠提供一定的空間位阻，降低羧基比例，調(diào)節(jié)聚合物在水溶液中構(gòu)象，可有效降低吸附驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)逐步吸附，顯著降低外加劑摻量敏感性，提高混凝土拌和物穩(wěn)健性。

2.8 膨脹劑

根據(jù)不同膨脹組分的膨脹特性，利用CaO類膨脹劑可補(bǔ)償混凝土的自收縮等早期收縮變形，再利用不同水化活性值MgO膨脹材料的延遲膨脹特性，補(bǔ)償溫降收縮和后期干燥收縮，從而實(shí)現(xiàn)分階段、全過(guò)程補(bǔ)償此類結(jié)構(gòu)混凝土的收縮變形，為無(wú)收縮混凝土制備提供了一種有效的技術(shù)手段。本工程選用蘇博特HME-Ⅱ氧化鎂復(fù)合膨脹劑。

3 自密實(shí)混凝土配合比計(jì)算原理

本項(xiàng)目C70自密實(shí)、無(wú)收縮混凝土理論配合比設(shè)計(jì)主要采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin兩位教授所提出的全計(jì)算法設(shè)計(jì)理論和體積法理論并輔以平行比較試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化。

3.1 全計(jì)算法設(shè)計(jì)原理

要使高性能混凝土同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性能和強(qiáng)度性能，其膠材漿體與骨料應(yīng)有一個(gè)最佳體積比，結(jié)合本工程的施工特點(diǎn)，建議膠凝材料漿體積∶骨料體積=35∶65，即漿體體積取350 L，再在普遍適用的混凝土體積模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)求得混凝土用水量VW和砂率SP的計(jì)算公式。

3.2 體積法設(shè)計(jì)原理

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

式中：ρc——水泥表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測(cè)，取值為3 080 kg/m3;

ρf——礦物摻合料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測(cè)，粉煤灰為2 610 kg/m3、微珠為2 610 kg/m3、硅灰為2 705 kg/m3、膨脹劑為2 760 kg/m3;

ρs——細(xì)骨料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測(cè)，取值為2 789 kg/m3;

ρg——粗骨料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測(cè)，取值為2 959 kg/m3;

ρw——水表觀密度（kg/m3），取值為1 000 kg/m3;

α——混凝土含氣量百分?jǐn)?shù)，取值為2.0。

4 初始配合比計(jì)算

4.1 水膠比

根據(jù)水膠比定則，水膠比越小，混凝土抗壓強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性相應(yīng)提高。但為保證混凝土具有較好的泵送性能，水膠比應(yīng)適當(dāng)，不宜過(guò)小。因此，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C70時(shí)，建議水膠比mw/mb范圍為0.26～0.30，本文mw/mb取值為0.27。

4.2 用水量

根據(jù)碎石最大粒徑及混凝土自密實(shí)性能要求，選取混凝土用水量mwo=250 kg，摻入高性能聚羧酸減水劑后，經(jīng)試拌，減水率β為36%，用水量mwo=mwo′×（1-β）=250×（1-0.36）=160 kg。

4.3 膠材用量

mbo=mw/mb=160/0.27=593（kg/m3）

根據(jù)混凝土試驗(yàn)，外加劑摻量取2.2%，593×2.2%=13.05 kg/m3。

粉煤灰用量mfo=mb0βf=593×15%=89（kg/m3）

膨脹劑用量muo=mb0βu=593×10%=59（kg/m3）

硅灰用量meo=mb0βe=593×4%=24（kg/m3）

微珠用量mwo=mb0βw=593×5%=30（kg/m3）

水泥用量mc0=mf0-mU0-me0-mwo=593-89-59-24-30=391（kg/m3）

4.4 砂率

依據(jù)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范，根據(jù)試驗(yàn)確定機(jī)制砂砂率為42%。

4.5 粗細(xì)骨料用量

按照上述式中體積法計(jì)算粗細(xì)骨料用量：

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

即：mco/ρc+mfo/ρf+muo/ρu+meo/ρe+mgo/ρg+mso/ρs+mwo/ρw+0.01a=1

代入已知各材料的質(zhì)量和表觀密度計(jì)算得出每立方米混凝土的細(xì)骨料用量為738 kg/m3;每立方米混凝土的粗骨料用量為1 019 kg/m3。計(jì)算初始配合比如表1所示。

5 C70自密實(shí)混凝土的初步試驗(yàn)

根據(jù)以上初步計(jì)算得出的配合比分別進(jìn)行試拌，驗(yàn)證其工作性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)，結(jié)果如表2、表3所示。

6 C70自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)化

經(jīng)試拌檢測(cè)，C70混凝土含氣量、擴(kuò)展度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。但混凝土的工作性能均存在混凝土黏度大、流速慢等不足。鑒于平南三橋跨度大，單根管的設(shè)計(jì)混凝土方量大，灌注時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，管內(nèi)混凝土泵送對(duì)混凝土的工作性能要求更高，因此必須對(duì)管內(nèi)混凝土的工作性能進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)大量試驗(yàn)，對(duì)配合比進(jìn)行了多次優(yōu)化驗(yàn)證，確定混凝土施工配合比，并進(jìn)行工作性能和力學(xué)、收縮性能驗(yàn)證。其試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

6.1 混凝土的工作性能及力學(xué)性能（表5～6）

6.2 變形性能

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，C70管內(nèi)混凝土摻入了復(fù)合膨脹劑，補(bǔ)償混凝土硬化階段自收縮。經(jīng)試驗(yàn)，普通混凝土28 d后收縮曲線逐漸平緩，截止到60 d時(shí)，混凝土自收縮為248 με;無(wú)收縮混凝土3 d時(shí)膨脹變形為190 με，28 d時(shí)補(bǔ)償收縮后混凝土有113 με膨脹變形，56 d時(shí)混凝土仍有90 με膨脹變形，如表7所示。如圖2所示，摻入復(fù)合膨脹劑的C70混凝土膨脹變形系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

7 施工關(guān)鍵措施及應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)，模擬現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝進(jìn)行試泵試驗(yàn)。按優(yōu)化后的配合比：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨脹劑∶砂∶石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)試驗(yàn)分析和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，管內(nèi)混凝土脫空的主要原因是灌注施工時(shí)混凝土中的氣泡沒(méi)有及時(shí)排出，混凝土在泵送運(yùn)動(dòng)過(guò)程中聚集于管壁而造成。為了排出混凝土攪拌時(shí)夾帶進(jìn)去的空氣和材料反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡，混凝土攪拌結(jié)束后讓罐車以1.5 r/min速度滾動(dòng)40 min，盡可能讓氣泡排出，減少混凝土中氣泡的帶來(lái)的危害（見(jiàn)表8）。根據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21-2000）采用超聲法檢測(cè)管內(nèi)混凝土勻質(zhì)性，評(píng)價(jià)混凝土填充效果（粘結(jié)狀況），定性判別內(nèi)部裂縫、空洞等缺陷。其檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

8 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)采用原材料優(yōu)選，并結(jié)合全計(jì)算法及體積法配合比優(yōu)化方式，采用高穩(wěn)健性減水劑調(diào)控技術(shù)及多元復(fù)合膨脹補(bǔ)償收縮技術(shù)，優(yōu)化后的配合比為：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨脹劑∶砂∶石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96。

（2）本文研究制備了一種超大跨拱橋管內(nèi)高穩(wěn)健性自密實(shí)、無(wú)收縮混凝土，2 h內(nèi)坍落擴(kuò)展度為650±50 mm，56 d補(bǔ)償收縮后仍有90 με膨形變形，滿足設(shè)計(jì)與施工要求。

[1]鄭皆連，王建軍，牟廷敏，等.700m級(jí)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與建造可行性研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2014，16（8）：33-36.

[2]黃卿維，傅元方，許春春，等.超大跨徑活性粉末混凝土拱橋試設(shè)計(jì)研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2015，37（3）：252-256.

[3]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及發(fā)展[J].工業(yè)建筑，1998，28（10）：1-5，29.

[4]李 悅，胡曙光，丁慶軍.鋼管膨脹混凝土的研究及其應(yīng)用[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14（3）：189-192.

[5]王 偉.鋼管混凝土脫空機(jī)理研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

[6]姜紹飛，韓林海，喬景川.鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結(jié)問(wèn)題初探[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33（2）：24-28.

[7]Hajime Okamura，Masahiro Ouchi.Self-Compacting Concrete[J].Journal of Advanced Concrete Technology，2003（1）：5-15.

[8]劉運(yùn)華，謝友均，龍廣成.自密實(shí)混凝土研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35（5）：671-678.