配制高性能鋼管微膨脹混凝土應(yīng)注意的幾個問題

1、    配制高性能鋼管微膨脹混凝土應(yīng)注意的幾個問題摘要：本文介紹了鋼管拱橋鋼管微膨脹混凝土在設(shè)計過程中應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵因素，提供了一些控制指標，對同類橋梁施工具有一定的借鑒與參考價值。 關(guān)鍵詞：配制鋼管微膨脹混凝土關(guān)鍵因素 最近幾年，我國在鋼管拱橋應(yīng)用技術(shù)方面發(fā)展很快，在許多大跨度的橋梁設(shè)計中都采用鋼管拱橋施工技術(shù)。該橋型是目前國內(nèi)風行的一種新型結(jié)構(gòu)，其橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)美，工藝復雜，跨度大，既省材料又省時間，且在施工期間不影響下部正常的通行，發(fā)展前景十分廣闊。該橋梁在設(shè)計中為了充分發(fā)揮鋼管套箍作用，內(nèi)灌注高性能微膨脹混凝土，以提高鋼管的承載能力，提高構(gòu)件的

2、穩(wěn)定性。在鋼管中灌注的一般是C40C50的高性能微膨脹混凝土。該混凝土施工要求早期強度高，高流態(tài)，緩凝，自密實及可泵性非常好，最為關(guān)鍵性問題是，該鋼管混凝土為微應(yīng)力混凝土。因三向應(yīng)力混凝土的主要特性是強度高，變形性好，在外荷載作用下，由于鋼管約束其內(nèi)部核心混凝土的橫向變形，使在三向應(yīng)力作用下的核心混凝土的強度比普通澆注的混凝土提高了23倍。普通混凝土受壓的壓縮應(yīng)變0.002時，出現(xiàn)縱向裂縫而破壞。三向應(yīng)力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當壓縮應(yīng)變達0.002時，不但仍有承載能力，而且表面不發(fā)生裂縫，它是一種很好的抗震材料。所以設(shè)置微應(yīng)力，可提高構(gòu)件的承載力及改變普通灌注法造成混凝土和鋼管間有間

3、隙的現(xiàn)象。在設(shè)計中確定微膨脹率和如何設(shè)計該種配合比是關(guān)鍵因素。鋼管內(nèi)部混凝土質(zhì)量對工程結(jié)構(gòu)安全影響很大，稍有不慎，就會出現(xiàn)質(zhì)量事故，造成泵送困難，內(nèi)有空氣，不飽滿，混凝土和鋼管間有收縮空隙及承重能力下降等現(xiàn)象。作者成功地主持了本單位兩座鋼管拱橋鋼管微膨脹高性能混凝土的設(shè)計工作，根據(jù)已成功的經(jīng)驗對配制過程中需注意的事項進行分析說明。1材料1.1水泥水泥是混凝土中的膠凝材料，可為混凝土提供活性?；炷林械乃嘤昧窟^多會產(chǎn)生不良后果：如水化熱過大，混凝土收縮過大產(chǎn)生裂縫及空隙。因此，設(shè)計高性能微膨脹混凝土的水泥用量不宜過大，選擇水泥時應(yīng)選擇525R早強型水泥為主體。該種混凝土在施工時，一般都要求高早

4、強、緩凝及摻加外加劑、外摻料。所以，設(shè)計中對水泥的品種、細度、化學組成含量以及礦物組成，都有比較高的要求。水泥礦物組成中C3A和C3S對水化速度和強度發(fā)揮起決定作用。C3S與水反應(yīng)快，凝結(jié)硬化也快，早、后期強度都高。因此，控制C3S在4050為宜；C2S與水反應(yīng)慢，硬化也慢，早強低，但后期強度高，產(chǎn)生水化熱低，C2S和C3S占水泥成分的7074；C3A與水反非?？欤療嵋哺?，但強度不高，所控制C3A在5%9；當減水劑加到水泥水系統(tǒng)中，首先被吸附C3A，C3A含量高，吸附的就多，使C3S和C2S吸附的就少。因此，C3A含量高的，減水效果就差。而水泥中堿含量過高，使水泥凝結(jié)時間縮短，早強及流動性

5、降低。水泥細度大，有利于減水劑增強效果。所以配制高性能微膨脹混凝土選擇水泥時，應(yīng)全面考慮，稍有不慎，會造成性能降低，膨脹值過大或過小，造成混凝土收縮，鋼管內(nèi)不飽滿。1.2細骨料配制高性能微膨脹混凝土要求使用干凈的河砂。使用時，必須考慮到砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標值，該四種指標對混凝土強度和對鋼筋的腐蝕性影響都非常大。因而，對該種河砂專門供應(yīng)。對砂進行上述三種指標值的測定，嚴格按高標準控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量及壓碎指標值，并且，此種混凝土對細度模數(shù)也有較高要求，細度模數(shù)選用2.63.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、機制砂、海砂，此類砂對膨脹混凝土的膨脹率影響非常大

6、。1.3粗骨料骨料的品質(zhì)對高性能微膨脹混凝土有很大的影響，主要體現(xiàn)在骨料砂漿界面粘結(jié)強度、骨料彈性模量和骨料的強度。在考慮該種混凝土的可泵性的同時，要考慮混凝土的早強性和后期強度。卵石混凝土的可泵性很好，但混凝土中砂漿和卵石的界面粘結(jié)力較差，強度較低，造成水泥用量過高。碎石混凝土的可泵性較差，但早期和后期強度較高。有的碎石采用含硅質(zhì)的巖石，在此類巖石中由于SiO2對混凝土影響很大，所在設(shè)計中全面考慮影 響因素，一般不用此類碎石。為提高混凝土和易性可以用碎石和卵石雙摻的方法，也可以增大砂率用碎石單獨作粗骨料。使用碎石需經(jīng)過二次破碎，使碎石基本無棱角，并減少針片狀顆粒的含量。碎石和卵石的粒徑都控制

7、在小于30mm。粗骨料中的含泥量以及本身的強度和骨料的彈性模量，在配制時，需引起重視。1.4摻合料在我國高性能混凝土使用粉煤灰已相當普遍。該材料來源廣泛，價格便宜，可減少環(huán)境污染，是值得推廣的外摻料。粉煤灰主要的四種化學成分，摻入混凝土內(nèi)在水泥水化過程中，能與分解出來的Ca(OH)2起化學反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物。這些水化產(chǎn)物，能在空氣中硬化，逐漸具有水硬性，所以也稱“二次水化反應(yīng)”。該新生凝膠封住了毛細管路，增強了混凝土的密實性。因此，粉煤灰能取代部份水泥，從而節(jié)約水泥，降低水化熱，使混凝土升溫降低15%35%。二次水化反應(yīng)主要取決于粉煤灰中的硅酸鹽和鋁硅酸鹽微細顆粒的含量，同時也取決

8、于粉煤灰的細度。細度越大，水化觸及面越大，二次水化反應(yīng)越充分，且“二次反應(yīng)”產(chǎn)生的凝膠封堵了毛細管路，增強了密實性，提高了混凝土的耐久性。這種“二次水化反應(yīng)”只有級粉煤灰和磨細粉煤灰可以徹底完成。所以摻加級或磨細粉煤灰是很有必要的。但使用粉煤灰時，還應(yīng)嚴格控制SO3的含量。因硫酸鹽與硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)后，生成鈣礬石。如SO3含量過大，生成的鈣礬石過多，則會引起混凝土的體積的不穩(wěn)定性，降低混凝土耐久性。這種現(xiàn)象在學術(shù)上稱為“水泥桿菌”。所以，配制高性能微膨脹混凝土時，粉煤灰中SO3含量應(yīng)控制在0.5%1.5%左右。并且在配制高等級高性能的微膨脹混凝土時，摻用粉煤灰，它可以起到減少水泥用量的作用，也可

9、以起到增加混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土的強度的作用，并可降低混凝土中的水化熱，提高新拌及硬化混凝土性能。配制C50及以上的高性能微膨脹混凝土必須摻用外摻料，并應(yīng)摻加級或磨細粉煤灰。如摻級及以下的粉煤灰，會造成強度降低，混凝土干縮增大。粉煤灰的技術(shù)指標，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準用于水泥和混凝土中的粉煤灰的規(guī)定。1.5外加劑高效減水劑能使水泥起到分散作用，以改善混凝土的和易性并相對地釋放出一部分水，在維持W/C不變時，可以減少立方用水量，減少由于多余的水分蒸發(fā)而留下的毛細孔體積，且孔徑變細，結(jié)構(gòu)致密，同時水化使生成物分布均勻，這對于減少混凝土的收縮，提高混凝土的密實性是很有好處的。W/C不變，立方

10、水泥用量可以減少，從而對于減少水化熱、降低混凝土溫度也起到很好的效果。有的減水劑摻有緩凝成份，能抑制水泥初期水化作用，這就有可能使溫升速度緩慢，可改善混凝土的密實性、粘度等。所以，高效減水劑是配制高性能混凝土的主要成份。國內(nèi)這種減水劑主要是萘系高效減水劑及密胺樹脂類高效水劑。由于鋼管混凝土在整個灌注期間，混凝土是蠕動性的，需一定的運輸和泵送時間，且鋼管混凝土在灌注后無法排出氣泡及養(yǎng)護。所以對外加劑的選擇尤為重要，因外加劑摻在不同膨脹劑的混凝土中產(chǎn)生的效果不同，選擇外加劑一定要多次試驗后方可使用。根據(jù)試驗，緩凝型減水劑會降低混凝土膨脹率，所以，摻加緩凝型減水劑時應(yīng)多次試驗，認為混凝土膨脹率合適才

11、可使用。配制高性能微膨脹混凝土選用的高效減水劑應(yīng)具有緩凝作用或是高效減水劑和緩凝劑搭配使用，且是非引氣型、低氣泡的減水劑。此類高效減水劑的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準混凝土外加劑規(guī)定。1.6膨脹劑混凝土中摻加膨脹劑，在水泥硬化過程中，形成大量的體積增大的結(jié)晶體水化硫鋁酸鈣C3A·3CaSO4·32H2O(又名鈣礬石)。它能產(chǎn)生一定的膨脹能，在有鋼管約束條件下，在結(jié)構(gòu)中建立0.20.3MPa預應(yīng)力，可抵消混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，從而能使混凝土中的孔隙減小，毛細孔徑減小，提高混凝土的密實性，混凝土的抗壓強度和軸心抗壓強度也成倍地增長，這時膨脹能轉(zhuǎn)變?yōu)樽詰?yīng)力，使混凝土處于受壓

12、狀態(tài)，從而提高抗裂能力。所以微膨脹混凝土在有應(yīng)力情況下，自身的強度遠遠大于設(shè)計值，其強度保證率大于97。選擇膨脹劑一定要多試驗幾個品種，膨脹劑應(yīng)對混凝土后期強度及質(zhì)量無損害，與所用水泥適應(yīng)性好。在我國主要是使用U型膨脹劑、復合膨脹劑及明礬石膨脹劑。2設(shè)計高性能膨脹混凝土的幾個問題2.1試配強度混凝土的施工配制強度應(yīng)高于設(shè)計要求的標準值，以滿足強度保證率的需要。標準差的確定，可按一般高性能混凝土的設(shè)計方法進行配制強度的計算，不需要計算后按高一級強度等級的強度值作為施工配制強度，主要一點在于進行施工配合比的驗證工作。該種微膨脹混凝土設(shè)計強度一般為C40C50，根據(jù)以往的經(jīng)驗 和高性能混凝土的設(shè)計原

13、則，應(yīng)控制水灰比，把水灰比確定為定值。由于W/C對鋼管混凝土的膨脹系數(shù)影響很大，W/C小，膨脹時間延長，不利于鋼管受力；W/C大，則膨脹發(fā)揮較早，強度下降，對提高結(jié)構(gòu)受力不利。所以在設(shè)計過程中一定要根據(jù)多次試驗，控制好W/C。然后，進行各種材料用量的調(diào)整。2.2砂率的確定由于在高性能混凝土的設(shè)計中，砂率是根據(jù)測得砂、石混合最小空隙率(a(表觀密度-容重)/表觀密度)計算而來，該計算值為最佳砂率。在配制高等級高性能混凝土過程中尤其重要。但鋼管混凝土的灌注過程和一般高等級混凝土的灌注過程是不一樣的，該種混凝土是采用在鋼管中頂升灌注，在頂升的過程中，混凝土要有極好的和易性。粗骨料在頂升過程中不會由于

14、自身的重力作用而下落，否則會造成頂升壓力過大而失敗。在設(shè)計混凝土配合比過程中混凝土中碎石應(yīng)稍微呈懸浮狀態(tài)，不能下沉。所以該種混凝土的砂率可提高一些。由于提高了砂率，會造成混凝土的水泥用量比原來要大些，膨脹率會小些。但只要能保證灌注的鋼管混凝土后期為無應(yīng)力或微應(yīng)力即可。我們所進行的兩種配合比的設(shè)計，試驗結(jié)果見表1表3。表1水灰比W/C水泥kg水kg河砂kg卵石kg砂率%坍落度cm膨脹劑kgZMA-P減水劑(水泥用量的)FDN-440緩凝減水劑(水泥用量的)0.443861706711247352042.91530.443861707671151402142.9153表23d強度(MPa)7d強度

15、(MPa)28d強度(MPa)36.140.349.930.436.246.9表3養(yǎng)護方法限制膨脹率(×10-4)3d7d14d21d28d60d空氣中養(yǎng)護  9.8210.369.769.439.38  8.138.877.967.035.12水中養(yǎng)護18.3323.2112.64      15.7219.839.96      材料：江油水泥廠產(chǎn)普通硅酸鹽水泥525R綿遠河河砂Mk=2.9p=2.73kg/m3綿遠河卵石

16、Dmax=30mmp=2.68kg/m3U型膨脹劑ZMA-P高效減水劑FDN-440緩凝減水劑以上說明增大砂率會造成強度下降，膨脹值降低。但Sp為40%的混凝土和易性比Sp為35%的混凝土要好，且混凝土中碎石為懸浮狀。2.3凝結(jié)時間的確定由于鋼管混凝土一般都采用頂升灌注法，在頂升的過程中，不允許混凝土初凝，所以在設(shè)計中就應(yīng)考慮摻加高效減水劑或緩凝劑，以延緩混凝土的凝結(jié)時間。但摻加緩凝劑會減少混凝土的膨脹率，這樣就產(chǎn)生了相互矛盾。為解決此問題，在膨脹值不符合設(shè)計要求的情況下，可摻加礬土水泥或石膏，或在現(xiàn)場進行模擬試驗，在什么膨脹條件下，可保證鋼管混凝土的飽和度，也可在允許的范圍內(nèi)，增大高效減水劑

17、的摻量，使緩凝延長。但摻用范圍應(yīng)嚴格控制試驗，摻量過大，會引起泌水及和易性降低。這樣幾個方面同時進行多次試驗，就可解決緩凝條件下，混凝土的膨脹率問題。2.4膨脹劑摻量對膨脹混凝土來說，膨脹劑的摻量，直接關(guān)系到混凝土膨脹率的問題。以下是我部進行的試驗研究(表4、表5)。表4UEA摻量(%)水中養(yǎng)護膨脹率空氣中養(yǎng)護膨脹率3d7d10d14d7d14d21d28d60d812.4017.8511.612.080.440.820.46-0.58-2.281016.2321.1014.4310.558.969.398.938.967.091219.0027.8516.2819.5017.7217.421

18、7.0215.7514.340-0.19-0.39-0.70-0.74-0.95-1.51-1.84-2.66-3.03可以得知，在保持坍落度、水灰比、減水劑摻量不變的情況下，隨著內(nèi)摻U型膨脹劑的增加，混凝土的限制膨脹率增加，混凝土強度下降，而坍落度損失增大，所以根據(jù)工程設(shè)計要求，經(jīng)過試驗，選擇合適的膨脹劑摻量是極其重要的。表5砂率(%)試件抗壓強度(MPa)坍落度(cm)坍落度損失(cm)3d7d28d30min60min4234.542.153.919.22.03.04233.240.649.820.02.53.74232.339.147.520.735.5  30.837.444.121.05.0103.02.5膨脹值的確定鋼