新型高性能鋼管混凝土設(shè)計及應(yīng)用

張付軍、崔明濤、傾濤、李鵬、趙冠翔

（1.甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司，河南 鄭州 450000；3.甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其承載力高、塑性和抗震性能好、經(jīng)濟效果顯著和施工簡便等優(yōu)點，在拱式體系橋梁施工中得到了廣泛應(yīng)用。在鋼管混凝土施工中，為便于管內(nèi)澆筑，要求混凝土坍落度大，和易性好，不泌水不離析，體積穩(wěn)定性好，填充飽滿。自密實高性能混凝土在自重或少振搗的情況下能實現(xiàn)自密實，將自密實混凝土技術(shù)與鋼管混凝土技術(shù)結(jié)合起來，對降低鋼管混凝土的施工難度、確保工程質(zhì)量、降低工程成本具有重要意義。

1 項目概況

尖山溝特大橋為武九高速控制性工程，其主橋采用計算跨徑為220m、矢高44m 的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋，主拱圈采用等寬等高空間桁架結(jié)構(gòu)，弦桿內(nèi)灌注C55 微膨脹自密實混凝土。

2 鋼管自密實混凝土的性能要求

2.1 混凝土基本性能要求

低泡、大流動性、補償收縮、初凝時間長、不泌水、不分層、黏聚性好、早強等。

2.2 混凝土性能指標(biāo)確定

依據(jù)設(shè)計文件、《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283—2012）、《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D65-06—2015）等對混凝土主要性能指標(biāo)進(jìn)行量化，具體指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1 所示。

3 自密實混凝土配合比設(shè)計

3.1 設(shè)計難點及思路

第一，混凝土初凝時間、拌和物性能保持時間長，要求工作性能保持4h，初凝時間大于12h。基于上述考慮，采用緩凝型聚羧酸高性能減水劑。

第二，自密實混凝土采用壓注施工，易產(chǎn)生浮漿，氣泡等，因此應(yīng)采用小水膠比、大砂率的配合比設(shè)計，以提高膠體黏度，保證混凝土的勻質(zhì)性，減少浮漿。

第三，自密實混凝土由地面壓注至最高端泵管，拱管長約200m，垂直高度約80m，為提高混凝土的和易性，必須采用優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料進(jìn)行性能調(diào)整，鑒于當(dāng)?shù)氐V物摻合料匱乏及拌和站的實際存儲能力有限，采用外地采購新型復(fù)合礦物摻合料。

第四，體積穩(wěn)定性要求高，混凝土應(yīng)摻入適量膨脹劑或膨脹成分，保證混凝土同鋼管緊密結(jié)合，無空洞[1]。

第五，混凝土早期強度要求高，7d 標(biāo)準(zhǔn)強度需達(dá)到設(shè)計強度的100%以上，自然養(yǎng)護(hù)試件強度需達(dá)到設(shè)計的90%，故考慮采用低水灰比，采用52.5 水泥。

3.2 原材料選擇

3.2.1 水泥

采用廣元海螺P.II5.25 水泥，主要指標(biāo)如表2 所示：

3.2.2 新型復(fù)合礦物摻合料

因項目周邊傳統(tǒng)礦物摻合料資源少，質(zhì)量穩(wěn)定性差，故采用由工廠預(yù)混的新型復(fù)合礦物摻合料，該摻合料不僅可以用于調(diào)整混凝土的性能，還具有一定的膨脹性。

該新型復(fù)合礦物摻合料由高品質(zhì)的粉煤灰、礦粉、硅灰、納米二氧化硅、超細(xì)活性粉末、復(fù)合型膨脹劑組成，各種摻合料的摻配比例由現(xiàn)場試驗確定，新型復(fù)合型礦物摻合料組分如表3 所示：

表3 新型復(fù)合型礦物摻合料組分

該新型復(fù)合型摻合料主要性能指標(biāo)如表4 所示：

表4 新型復(fù)合型礦物摻合料主要技術(shù)指標(biāo)

因活性指數(shù)及限制膨脹率指標(biāo)與復(fù)合摻合料的摻量有關(guān)，故在不同摻量下對復(fù)合摻合料的活性指數(shù)及限制膨脹率進(jìn)行了比對試驗，結(jié)果如表5 所示。

表5 活性指數(shù)及限制膨脹率試驗

結(jié)果表明，隨摻合料的增加，混凝土早期強度略有降低，后期強度明顯增加，該摻合料具備多種傳統(tǒng)摻合料的特性，因水泥比例降低，減緩了混凝土早期強度發(fā)展，而摻合料中的活性成分同水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，起到了對混凝土的補強作用。同時隨著摻合料摻量的增加，膠凝材料中的膨脹成分增多，限制膨脹率也有顯著增加，摻量達(dá)到10%以上時，該摻合料能提高混凝土強度，同時可以實現(xiàn)混凝土補償收縮，維持混凝土體積穩(wěn)定性[2-3]。從經(jīng)濟角度出發(fā)，后續(xù)配合比設(shè)計時以摻量為10%作為基準(zhǔn)。

3.2.3 粗骨料

粗骨料采用某廠生產(chǎn)的5～10mm、10～20mm 兩級配碎石，顆粒形狀良好，質(zhì)地堅硬，吸水率小，無堿活性。

3.2.4 細(xì)集料

該項目地處白龍江中下游，河砂主要由山谷中的風(fēng)化巖塊形成，天然砂普遍偏細(xì)，顆粒棱角多，且資源極少。根據(jù)實際狀況，最終采用由天然砂礫石機械經(jīng)破碎、水洗加工后形成的混合砂，嚴(yán)格控制好砂中石粉含量。

目前，國內(nèi)多家機構(gòu)已經(jīng)對機制砂進(jìn)行了研究，交通運輸部公路科學(xué)研究院編制的《機制砂混凝土配制與施工質(zhì)量控制》論述了機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響。石粉在混凝土中起著增黏、潤滑、晶核、水化增強等正效應(yīng)。

3.2.5 外加劑

采用專用的緩凝型聚羧酸系高性能減水劑，其相關(guān)性能指標(biāo)應(yīng)滿足《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）與《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50119—2013）的有關(guān)要求。

3.2.6 拌和水

采用地下水拌和，拌和用水應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63—2006）的有關(guān)規(guī)定。

3.3 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計宜采用絕對體積法設(shè)計，粗骨料體積取0.30～0.35，膠凝材料用量取520～550kg/m3，水膠比根據(jù)經(jīng)驗取0.29～0.33，砂率取0.48～0.53，摻合料摻量8%～15%，在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計方案（見表6、表7）。

表6 自密實混凝土配合比設(shè)計方案

表7 自密實混凝土配合比試驗結(jié)果

通過表6、表7 可以看出，在外加劑摻量1.2%時，混凝土擴展度較小，在500～560mm，新拌混凝土擴展度2h 基本無變化，2～4h 混凝土擴展度損失大，從T500來看，均不能滿足要求，混凝土統(tǒng)一偏黏，隨著礦物摻合料的增加，黏度有所降低，同時礦物摻合料的摻量增加，早期強度降低，后期強度增強，按施工對早期強度要求達(dá)到設(shè)計100%，B1 到B4 均能滿足設(shè)計要求，考慮到自密實混凝土存在補償收縮的要求，選定B4 為基準(zhǔn)配合比，對外加劑配方進(jìn)行針對性的調(diào)整，采用新的母液，以保證混凝土的性能及減小混凝土性能的經(jīng)時損失，外加劑的調(diào)整方案及調(diào)整結(jié)果如表8 所示。

由表8 可以看出更換新母液（801）之后混凝土擴展度有明顯增加，滿足設(shè)計要求，保坍母液用量在90kg/m3以上才能滿足拌和物性能4h 無大損失，用量達(dá)到100kg/m3，混凝土?xí)霈F(xiàn)滯后反應(yīng)，緩凝劑用量大于15kg/m3，初凝時間才能滿足大于12h 的要求，故選擇配方B4-5。在外加劑調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)混凝土有部分石子外露，根據(jù)該情況對混凝土配合比砂率進(jìn)行微調(diào)。

表9 所示為自密實基準(zhǔn)配合比驗證及優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)表9 可知，三種砂率配合比均能滿足施工要求，參照混凝土的拌和狀態(tài)，及當(dāng)?shù)丶?xì)集料質(zhì)量波動大特點，最終選擇砂率為0.53 的方案，作為該項目混凝土鋼管拱自密實混凝土配合比，若砂質(zhì)量有波動，其他兩個為備選方案。

表9 自密實基準(zhǔn)配合比的驗證及優(yōu)化結(jié)果

4 鋼管自密實混凝土施工應(yīng)用

4.1 原材料控制

需嚴(yán)格遵循“先檢測、后使用”的基本原則，對水泥、粗細(xì)集料、減水劑等常規(guī)地材按相關(guān)規(guī)范要求頻次進(jìn)行檢測，細(xì)集料應(yīng)進(jìn)行車檢，保證細(xì)集料的穩(wěn)定性。新型復(fù)合礦物摻合料除參照《混凝土用復(fù)合摻合料》（JG/T 486—2015）檢測外，每批次還應(yīng)進(jìn)行自密實混凝土配合比的試拌，以新拌混凝土性能及早期強度為進(jìn)場驗收標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 配合比復(fù)驗

各種原材料進(jìn)場檢驗合格后，需采用現(xiàn)場各種大樣進(jìn)行混凝土試拌，混凝土性能及保持需滿足設(shè)計及施工要求，需對混凝土前期強度進(jìn)行檢測，7d 自然養(yǎng)護(hù)強度不低于設(shè)計強度的90%以上，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強度達(dá)到設(shè)計強度的100%以上[4]。

4.3 混凝土的生產(chǎn)及運輸

混凝土生產(chǎn)采用自設(shè)的HZ120 拌和站生產(chǎn)，生產(chǎn)前需對拌和站設(shè)備、電路、管線進(jìn)行檢查保養(yǎng)，對各計量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，確保水泥、礦物摻合料、外加劑、水質(zhì)量偏差在±1%，骨料質(zhì)量偏差在±2%之間。對混凝土進(jìn)行試拌，確定最佳拌和時間180s。混凝土生產(chǎn)前對骨料含水量進(jìn)行檢測，混凝土生產(chǎn)過程中進(jìn)行不少于2 次抽檢，根據(jù)骨料含水量的變化及時調(diào)整施工配合比?；炷辽a(chǎn)運輸車輛需進(jìn)行包裹保溫，運輸車數(shù)量根據(jù)施工速度進(jìn)行及時調(diào)整，裝混凝土前運輸車需倒轉(zhuǎn)，確認(rèn)運輸車內(nèi)無水，運輸過程中不得中途隨意停放、沖洗，嚴(yán)禁混凝土私自加水[5]。

4.4 混凝土性能控制

混凝土生產(chǎn)后進(jìn)行首盤鑒定，滿足要求后可正常生產(chǎn)，不滿足要求需分析原因并及時調(diào)整，混凝土出廠按50m3進(jìn)行一次擴展度、T500檢測，混凝土到達(dá)現(xiàn)場后每2 車進(jìn)行一次現(xiàn)場測試，運輸車停放60min 以上也需混凝土性能進(jìn)行測試，合格后方可使用，現(xiàn)場按每50m3一組頻次留置試件。

4.5 自密實混凝土應(yīng)用情況

2020 年10 月—2021 年1 月，該配合比已在尖山溝特大橋16 根主拱中的施工中得到應(yīng)用。混凝土施工采用大小里程對稱、二次接力泵送一次成型工藝，主拱采用由內(nèi)到外，由下到上的壓注順序，單次澆筑兩根，第一根澆筑完成后在混凝土初凝前完成另一根管的壓注。整個澆筑過程中混凝土擴展度均控制在600±50mm 范圍內(nèi)，混凝土含氣量2.5%，均勻無離析、無泌漿，單根混凝土澆筑最長時間2h40min，單次灌注時最長時長7h，混凝灌注間隔不得超過45min，混凝土泵送順利，泵機最大泵壓18MPa，排出混凝土均勻密實，浮漿較少，泵送順利?；炷?d 自然養(yǎng)護(hù)試件55.2～58.3MPa，均達(dá)到設(shè)計強度90%以上，符合施工進(jìn)度要求，28d 抗壓強度達(dá)到65.6～71.5MPa。2021年3 月對尖山溝特大橋16 根主拱的混凝土的密實度通過敲擊、超聲徑向?qū)y法進(jìn)行了檢測。共檢測224剖面896 點，敲擊均無異常，平均聲速4876m/s，經(jīng)綜合分析，各測點管內(nèi)混凝土密實，無明顯缺陷。

5 結(jié)論

第一，鋼管自密實混凝土具有低泡、大流動性、補償收縮、初凝時間長、不泌水、不分層、黏聚性好、早強等工作性能，該項目充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，采用新型復(fù)合礦物摻合料及專用減水劑，成功配置出滿足現(xiàn)場要求的混凝土，快速、優(yōu)質(zhì)地完成了施工任務(wù)。

第二，新型復(fù)合摻合料發(fā)揮多種傳統(tǒng)摻合料的優(yōu)勢，大幅改善新拌混凝土性能，同時因其含有膨脹成分，保證硬化混凝土的體積穩(wěn)定性。

第三，采用單一新型復(fù)合摻合料，能夠降低材料質(zhì)量控制難度，保證混凝土的穩(wěn)定性，解決山區(qū)拌和站規(guī)模小、存儲能力不足的實際問題，為資源匱乏地區(qū)的高性能混凝土設(shè)計、生產(chǎn)提供了新思路。

第四，以現(xiàn)場自密實混凝土性能作為新型復(fù)合摻合料驗收標(biāo)準(zhǔn)，更符合現(xiàn)場實際需求。