平南三橋C70自密實無收縮鋼管混凝土配合比設(shè)計及性能研究

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文章結(jié)合平南三橋工程實例，采用全計算法及體積法研究制備了一種C70自密實無收縮管內(nèi)混凝土，通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化協(xié)同比等方法，研究了其工作性能、泵送性能及體積穩(wěn)定性能設(shè)計要求，對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;無收縮;協(xié)同比設(shè)計;性能研究

U445.57A260915

0引言

平南三橋是廣西荔浦至玉林高速馬路平南北連接線上跨潯江的一座特大橋，主橋為575m（凈跨徑548m）中承式鋼管混凝土拱橋，引橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，南引橋為（40+60+2×35）m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，北引橋為（50+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1035m。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，計算矢跨比1/4.0，拱軸系數(shù)為1.50，拱肋中距為30.1m，拱頂截面徑向高為8.5m，拱腳截面徑向高為17.0m，肋寬為4.2m，每肋為上、下各兩根1400mm鋼管混凝土弦管，管內(nèi)混凝土采用高性能高流態(tài)自密實微膨脹C70。本文結(jié)合全計算法及體積法研究制備了一種C70自密實無收縮管內(nèi)混凝土，通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化協(xié)同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)計要求，并在平南三橋成功應(yīng)用。

1鋼管自密實無收縮混凝土的性能要求及操縱指標(biāo)

鋼管自密實無收縮混凝土采用特別的施工工藝，不僅要求混凝土具備普通高強自密實混凝土的高滾動性和填充性能等基本性能，還要求混凝土具有低泡、大滾動性、收縮補償、延后初凝、不離析、不泌水及粘聚性好等性能。

設(shè)計為C70自密實混凝土，其工作性能應(yīng)當(dāng)滿足自密實混凝土要求，含氣量≤2.5%，自拌和開始3h內(nèi)坍落擴展度為650±50mm，擴展時間T500為3～7s，坍落擴展度與J環(huán)擴展度差值為0～25mm，離析率≤15%，初凝時間≥20h，設(shè)計強度等級為C70。依據(jù)設(shè)計要求，28d強度≥70MPa，90d配制強度按下式確定：fcu，0≥1.15fcu，k=1.15×70=80.5MPa，無收縮混凝土3d自生體積變形≥150με，56d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。通過比較優(yōu)選當(dāng)?shù)厝A潤水泥和魚峰水泥，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

粗集料的機械強度、顆粒外形、表面特性、級配、雜質(zhì)含量、吸水率等對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)地堅硬、清白、粒形好、級配好的碎石，可以最大限度地減少用水量和漿體體積，提高混凝土的強度和耐久性。

根據(jù)原材料比較優(yōu)選可知，輝綠巖碎石粒型圓潤，與閃長巖比表面相對光滑，表觀密度為2959kg/m3，壓碎值小，原材料質(zhì)量穩(wěn)定;閃長巖的表觀密度為2815kg/m3，碎石粒型圓潤，表面較為粗糙，原材料不穩(wěn)定;石灰?guī)r粒型棱角明顯，壓碎值高，達到14.1%，表觀密度為2713kg/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。比較優(yōu)選后，最終確定輝綠巖作為粗骨料。

2.3細集料

所用細集料為鐘山石灰?guī)r機制砂：中砂，顆粒清白，質(zhì)地堅硬。

采用機制砂制備混凝土，由于機制砂中>0.3mm的顆粒含量>85%，細度模數(shù)偏大，加之機制砂棱角多，表面粗糙，應(yīng)用于混凝土配制時易出現(xiàn)坍落度損失大、拌和物泌水及混凝土泵送壓力大等問題，不利于現(xiàn)場施工。只有嚴(yán)格操縱0.3mm以下細顆粒和石粉含量，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，又滿足強度和耐久性要求。試驗說明，機制砂為Ⅱ區(qū)砂級配，細度模數(shù)2.6～2.9，0.3mm以下細顆粒為22%～26%，石粉含量為4.8%～7%時所配制的C70高性能混凝土工作性能最正確。

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，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，儉約水泥，降低成本。

混凝土使用Ⅰ級粉煤灰由廣西欽州藍島提供，其工程抽樣檢驗符合《水泥及混凝土用粉煤灰》（GB/T1596-2022）Ⅰ級粉煤灰技術(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觀的緊湊體系，改善界面結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)強度。

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，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，在一致用水量的狀況下，可增大滾動性，改善和易性和可泵性。它們在混凝土中，能起到滾珠作用，降低混凝土的黏度，提高混凝土的滾動性。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。在一致坍落度或擴展度條件下，添加微珠的混凝土塑性黏度和倒筒時間明顯降低，對泵送混凝土有極佳的潤滑改善作用，顯著降低混凝土泵的泵送壓力。同時，可以提高混凝土密實度，改善混凝土中水泥漿與粗骨料之間的界面，減少有害毛細孔，提高混凝土強度。微珠在混凝土中能夠起到密實填充作用，減少有害毛細孔及微裂紋，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，強度要求高，混凝土滾動性大，因此對混凝土的設(shè)計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，同時減少水泥用量，降低工程造價，外加劑的選擇尤為重要。通過比較試驗，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水具有良好親合性的長聚醚側(cè)鏈，長期提供猛烈的位阻作用，延緩水泥顆粒的物理凝結(jié)，從而提供其良好的分散性能。通過引入酯型長側(cè)鏈，橋接基團為-COO-，能夠提供一定的空間位阻，降低羧基比例，調(diào)理聚合物在水溶液中構(gòu)象，可有效降低吸附驅(qū)動力，實現(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，補償溫降收縮和后期枯燥收縮，從而實現(xiàn)分階段、全過程補償此類結(jié)構(gòu)混凝土的收縮變形，為無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自密實混凝土協(xié)同比計算原理

本工程C70自密實、無收縮混凝土理論協(xié)同比設(shè)計主要采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin兩位教授所提出的全計算法設(shè)計理論和體積法理論并輔以平行對比試驗驗證優(yōu)化。

3.1全計算法設(shè)計原理

要使高性能混凝土同時達到最正確的施工和易性能和強度性能，其膠材漿體與骨料應(yīng)有一個最正確體積比，結(jié)合本工程的施工特點，建議膠凝材料漿體積∶骨料體積=35∶65，即漿體體積取350L，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的計算公式。

3.2體積法設(shè)計原理

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，取值為3080kg/m3;

ρf——礦物摻合料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測，粉煤灰為2610kg/m3、微珠為2610kg/m3、硅灰為2705kg/m3、膨脹劑為2760kg/m3;

ρs——細骨料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測，取值為2789kg/m3;

ρg——粗骨料表觀密度（kg/m3），根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范檢測，取值為2959kg/m3;

ρw——水表觀密度（kg/m3），取值為1000kg/m3;

α——混凝土含氣量百分?jǐn)?shù)，取值為2.0。

4初始協(xié)同比計算

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)，不宜過小。因此，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范及實際工程經(jīng)驗，對于強度等級為C70時，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性能要求，選取混凝土用水量mwo=250kg，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）=160kg。

4.3膠材用量

mbo=mw/mb=160/0.27=593（kg/m3）

根據(jù)混凝土試驗，外加劑摻量取2.2%，593×2.2%=13.05kg/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)試驗確定機制砂砂率為42%。

4.5粗細骨料用量

依照上述式中體積法計算粗細骨料用量：

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)量和表觀密度計算得出每立方米混凝土的細骨料用量為738kg/m3;每立方米混凝土的粗骨料用量為1019kg/m3。計算初始協(xié)同譬如表1所示。

5C70自密實混凝土的初步試驗

根據(jù)以上初步計算得出的協(xié)同比分別進行試拌，驗證其工作性能和力學(xué)性能的試驗，結(jié)果如表2、表3所示。

6C70自密實混凝土協(xié)同比優(yōu)化

經(jīng)試拌檢測，C70混凝土含氣量、擴展度、強度均滿足設(shè)計和施工要求。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)計混凝土方量大，灌注時間長等特點，管內(nèi)混凝土泵送對混凝土的工作性能要求更高，因此必需對管內(nèi)混凝土的工作性能進行優(yōu)化。

通過大量試驗，對協(xié)同比進行了屢屢優(yōu)化驗證，確定混凝土施工協(xié)同比，并進行工作性能和力學(xué)、收縮性能驗證。其試驗結(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)計要求，C70管內(nèi)混凝土摻入了復(fù)合膨脹劑，補償混凝土硬化階段自收縮。經(jīng)試驗，普通混凝土28d后收縮曲線漸漸平緩，截止到60d時，混凝土自收縮為248με;無收縮混凝土3d時膨脹變形為190με，28d時補償收縮后混凝土有113με膨脹變形，56d時混凝土仍有90με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)計要求。

7施工關(guān)鍵措施及應(yīng)用效果

為了驗證混凝土各項性能指標(biāo)，模擬現(xiàn)場的施工工藝進行試泵試驗。按優(yōu)化后的協(xié)同比：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進行生產(chǎn)。根據(jù)試驗分析和以往的施工經(jīng)驗，管內(nèi)混凝土脫空的主要原因是灌注施工時混凝土中的氣泡沒有及時排出，混凝土在泵送運動過程中聚集于管壁而造成。為了排出混凝土攪拌時夾帶進去的空氣和材料反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡，混凝土攪拌終止后讓罐車以1.5r/min速度滾動40min，盡可能讓氣泡排出，減少混凝土中氣泡的帶來的危害（見表8）。根據(jù)《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21-2000）采用超聲法檢測管內(nèi)混凝土勻質(zhì)性，評價混凝土填充效果（粘結(jié)狀況），定性判別內(nèi)部裂縫、空洞等缺陷。其檢測結(jié)果如圖3所示。

8結(jié)語

（1）本文通過采用原材料優(yōu)選，并結(jié)合全計算法及體積法協(xié)同比優(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)合膨脹補償收縮技術(shù)，優(yōu)化后的協(xié)同比為：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、無