鋼管拱C80微膨脹自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計研究

李友志

(廣西公路檢測有限公司,廣西 南寧 530024)

0 引言

鋼管混凝土勁性骨架結(jié)構(gòu)拱橋具有剛度大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢,已被廣泛應(yīng)用[1]。而管內(nèi)混凝土灌注質(zhì)量直接影響著鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)受力性能[2],隨著橋梁跨徑增大,混凝土泵送和頂升距離增加,施工灌注堵管、不密實(shí)等風(fēng)險加劇[3],這要求管內(nèi)混凝土需具備較好的流動性、穩(wěn)定性。然而管內(nèi)混凝土常為高強(qiáng)度混凝土,較常規(guī)混凝土具有高膠材、低水膠比等特征[4],使混凝土固相濃度增加,減水劑用量增加,黏度大幅提高,流動性能降低,導(dǎo)致管內(nèi)混凝土施工難度增加。此外高強(qiáng)度混凝土早期自收縮現(xiàn)象嚴(yán)重[5],導(dǎo)致管內(nèi)混凝土脫空、脫粘的風(fēng)險提高[6],混凝土與鋼管組合結(jié)構(gòu)的整體性下降,協(xié)同受力效果降低。因此,需通過優(yōu)化配合比、改進(jìn)施工工藝等手段,確保管內(nèi)混凝土灌注順利,提高工程質(zhì)量。

綜上,本文以某勁性骨架混凝土特大拱橋為背景,對管內(nèi)C80微膨脹自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計展開研究,為同類型橋梁工程提供參考。

1 工程概況

該特大橋項目為某高速公路控制性工程,大橋全長2 488.55 m,主橋為上承式單跨600 m勁性骨架混凝土拱橋,矢高125 m,矢跨比f=1/4.8,拱橋上構(gòu)為12×40 m預(yù)制T梁,兩岸拱座主墩設(shè)計為70 m T構(gòu)連接主引橋。主橋拱圈為左右單獨(dú)拱肋箱室通過橫向連系隔墻形成整體,主拱圈鋼管拱直徑0.9 m,管內(nèi)混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C80,總方量近3 500 m3,灌注采用真空輔助灌注工藝。

2 管內(nèi)C80自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計

2.1 性能指標(biāo)設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)跨徑較大,承載力要求高,并且泵送距離遠(yuǎn),常規(guī)混凝土難以同時滿足強(qiáng)度與工作性能要求,因此管內(nèi)混凝土設(shè)計為C80微膨脹自密實(shí)混凝土,各項性能指標(biāo)設(shè)計如表1所示。

表1 C80微膨脹自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)設(shè)計表

2.2 原材料選擇

為改善C80自密實(shí)混凝土的工作性能,同時提高管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度和耐久性,試驗依據(jù)施工規(guī)范并結(jié)合工程經(jīng)驗,對原材料進(jìn)行優(yōu)選,最終水泥選用魚峰P·O 52.5水泥,性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示;粗集料為10～20 mm、5～10 mm輝綠巖碎石,性能指標(biāo)如表3所示;細(xì)集料為0～5 mm精品機(jī)制砂,物理力學(xué)性能指標(biāo)如表4所示;粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰,細(xì)度為22.2%,燒失量為1.32%,含水率為0.4%;硅粉燒失量為2.14%,含水率為1.8%;微珠燒失量為4.79%,含水率為0.2%;膨脹劑選用蘇博特HME?-Ⅱ高性能混凝土復(fù)合膨脹劑,細(xì)度為300 m2/kg,21 d空氣中限制膨脹率為0.035%,21 d水中限制膨脹率為0.069%;減水劑選用蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑,減水率為16%,性能指標(biāo)如表5所示。

表2 P·O 52.5水泥性能指標(biāo)檢測結(jié)果表

表4 石灰?guī)r機(jī)制砂物理力學(xué)性能檢測結(jié)果表

表5 蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑性能指標(biāo)表

2.3 配合比設(shè)計

根據(jù)《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 281-2012)[7]和《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283-2012)[8]技術(shù)要求,采用絕對體積法進(jìn)行C80微膨脹自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計,步驟如下:

(1)根據(jù)填充性指標(biāo)要求,確定1 m3混凝土中骨料的體積Vg及質(zhì)量mg。

(2)計算砂漿體積Vm,根據(jù)砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù),計算1 m3混凝土中骨料的體積Vs及質(zhì)量ms,計算漿體體積Vp。

(3)計算膠凝材料表觀密度ρb,見式(1)。

(1)

式中:ρm——礦物摻合料的表觀密度(kg/m3);

ρc——水泥的表觀密度(kg/m3);

β——礦物摻合料與膠凝材料質(zhì)量比(%)。

(4)計算配置強(qiáng)度fcu,0,見式(2);計算水膠比mw/mb,見式(3)。

fcu,0≥1.15fcu,k

(2)

(3)

式中:fcu,k——混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);

fce——水泥28 d實(shí)測抗壓強(qiáng)度(MPa);

γ——礦物摻合料的膠凝系數(shù)。

(5)計算1 m3混凝土中膠凝材料的質(zhì)量mb,見式(4)。

(4)

式中:Va——1 m3混凝土中引入空氣體積(L);

ρw——拌和水的表觀密度(kg/m3)。

(6)計算1 m3混凝土中水的質(zhì)量mw;計算外加劑用量mca,見式(5)。

mca=mb·α

(5)

式中:α——外加劑占膠凝材料質(zhì)量比(%)。

根據(jù)上述步驟計算混凝土中各材料摻量,對混凝土水膠比進(jìn)行調(diào)整,研究不同水膠比對混凝土性能和強(qiáng)度且考慮到減水劑的減水效果影響。不同水膠比C80自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計如下頁表6所示。

表6 C80微膨脹自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計表

3 管內(nèi)C80微膨脹自密實(shí)混凝土性能研究

3.1 自密實(shí)性能

拌和不同水膠比下C80自密實(shí)混凝土,并檢驗混凝土強(qiáng)度及工作性能。各水膠比混凝土工作性能試驗結(jié)果如下頁表7所示。

表7 不同水膠比C80微膨脹自密實(shí)混凝土工作性能對比表

由表7可知,水膠比對混凝土的工作性能影響較大,當(dāng)水膠比為0.22時,混凝土擴(kuò)展度低于650±50 mm的要求,混凝土漿體稠度較高,雖然混凝土粘聚性較好,但流動性較小,不利于遠(yuǎn)程長時間泵送。當(dāng)水膠比為0.26時,混凝土擴(kuò)展度較大漿體稠度較低,粘聚性較差,出現(xiàn)輕微泌水;當(dāng)水膠比0.24時,混凝土粘聚性、保水性、流動性較好,更利于長距離長時間泵送。通過U型箱檢測不同水膠比下混凝土自密實(shí)性能,在不設(shè)鋼筋柵的條件下,U型箱填充高度分別為11 mm、4 mm和2 mm,3種水膠比下混凝土自密實(shí)性能均較好,利于保證管內(nèi)混凝土灌注密實(shí)度,提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.2 抗壓強(qiáng)度

通過抗壓強(qiáng)度試驗測得不同水膠比C80微膨脹自密實(shí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊7 d、28 d、60 d的抗壓強(qiáng)度,如圖1所示。

圖1 C80微膨脹自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度曲線圖

由圖1可知,3種水膠比狀態(tài)下C80自密實(shí)混凝土28 d強(qiáng)度均>80.0 MPa,60 d抗壓強(qiáng)度均>92.0 MPa,三種配合比下混凝土抗壓強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計要求,但水膠比對混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度影響較大,隨著水膠比增大,其強(qiáng)度呈下降趨勢,在保證混凝土強(qiáng)度時,應(yīng)優(yōu)先考慮混凝土的和易性與自密實(shí)填充性。

3.3 限制膨脹率

鑒于大橋跨徑較大,施工泵送距離較遠(yuǎn),要求混凝土具備較好自密實(shí)性能和較高強(qiáng)度,綜上試驗結(jié)果確定最終水膠比為0.24。成型C80微膨脹自密實(shí)混凝土和普通混凝土試件,在溫度為20 ℃±2 ℃的水中養(yǎng)護(hù)14 d,測量第3 d、7 d和14 d的長度變化;14 d后移入溫度為20 ℃±2 ℃、濕度為60%±5%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),測量第28 d、42 d、60 d、90 d的長度變化。膨脹率試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種混凝土限制膨脹率試驗結(jié)果曲線圖

由圖2可知,水中養(yǎng)護(hù)14 d時,不摻膨脹劑的水泥混凝土試件產(chǎn)生了收縮,這是因為水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物小于反應(yīng)物的總體積,在水中養(yǎng)護(hù)時,有足夠的水進(jìn)行水化反應(yīng)和填充凝膠孔與毛細(xì)孔,自身收縮較小,14 d后在濕度60%環(huán)境下養(yǎng)護(hù),由于水泥水化反應(yīng)和凝膠吸水,混凝土內(nèi)部孔隙失水干燥,自身收縮較大,同時伴隨干縮溫縮,90 d限制膨脹率為-0.036%。而摻入膨脹劑組14 d、90 d限制膨脹率分別為0.028%、0.013%,較不摻膨脹劑混凝土分別提高了0.039%、0.049%,這是因為膨脹劑中方鎂石(MgO)水化生成水鎂石(Mg(OH)2),產(chǎn)生體積膨脹,有效補(bǔ)償了混凝土的收縮,同時,方鎂石的水化反應(yīng)緩慢且持續(xù),能有效實(shí)現(xiàn)分階段、全過程補(bǔ)償混凝土收縮產(chǎn)生的化學(xué)收縮、溫降收縮以及干燥收縮,有利于改善混凝土在拱肋弦管約束下的應(yīng)力狀態(tài),降低脫空脫粘風(fēng)險,提高鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性。

4 施工質(zhì)量控制及應(yīng)用效果

管內(nèi)混凝土施工采用真空輔助頂升灌注工藝,為保證管內(nèi)混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度,提升工程品質(zhì),采用以下質(zhì)量控制手段:

(1)嚴(yán)格控制進(jìn)場原材料的質(zhì)量,專人檢查驗收,杜絕不合格材料進(jìn)場。

(2)精選外觀圓潤的骨料,以減少混凝土灌注后產(chǎn)生的氣泡數(shù)量,在拱肋弦管頂部開設(shè)排氣孔,利于氣泡排出。

(3)按照配合比精準(zhǔn)下料,嚴(yán)格控制攪拌時間,確保拌和質(zhì)量;攪拌完成后,進(jìn)行和易性檢測,運(yùn)送過程中要求連續(xù)攪拌;泵送前,每車待料30 min,混凝土充分熟化,現(xiàn)場測定擴(kuò)展度、T500等指標(biāo)合格后進(jìn)行泵送。

(4)通過敲擊法、超聲波無損檢測法檢查管內(nèi)混凝土密實(shí)性,對存在缺陷的部位進(jìn)行壓漿補(bǔ)強(qiáng)。

依序灌注8根主弦管,如圖3所示。達(dá)28 d齡期后,對C80管內(nèi)混凝土進(jìn)行超聲波無損檢測,檢測結(jié)果如表8所示。由表8可知,主弦管A3的波速最低為3 909 m/s,主弦管A2的波速最高為4 529 m/s,8根主弦管的波速均>3 900 m/s,表明管內(nèi)混凝土灌注均勻性較好,密實(shí)度較高。

圖3 8根主弦管灌注示意圖

表8 C80管內(nèi)混凝土超聲波無損檢測結(jié)果表

5 結(jié)語

(1)根據(jù)絕對體積法進(jìn)行C80微膨脹自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計,設(shè)計配合比為水泥∶粉煤灰∶硅粉∶膨脹劑∶微珠∶石∶砂∶水∶外加劑=413∶48∶36∶60∶42∶1 048∶759∶144∶14.38。

(2)摻入10%氧化鎂復(fù)合膨脹劑時,C80微膨脹自密實(shí)混凝土14 d、90 d限制膨脹率分別為0.028%、0.013%,較未摻膨脹劑的普通混凝土分別提高了0.039%和0.049%,能持續(xù)有效補(bǔ)償混凝土收縮,提高混凝土抗裂性。

(3)齡期為28 d時,超聲波無損檢測8根主弦管波速在3 900～4 600 m/s,管內(nèi)C80微膨脹自密實(shí)混凝土灌注均勻性較好,密實(shí)度較高。