高性能鋼管微膨脹混凝土在水利工程中的應用

【摘 要】針對蘇州地區多項水利工程進行了詳細分析，分析各種因素對鋼管微膨脹混凝土性質的影響，優化設計配合比，控制了鋼管鋼管微膨脹混凝土在設計過程中應注意的幾個控制指標，加快鋼管混凝土在水利工程中的進一步推廣應用。

【關鍵詞】膨脹混凝土；套箍作用；三向應力；鋼管

High-performance steel pipe micro-expansion of concrete in hydraulic

Lu Wei-lin1 ，Xie Jian-xue2，Xu Li-jun3

(1.Suzhou City of the City Water Conservancy Bureau Suzhou Jiangsu 215131；

2.Suzhou Park Construction Engineering Consultants Co.， Ltd Suzhou Jiangsu 215000；

3.Suzhou University of Science and Technology Institute of Architectural Design Co.， Ltd Suzhou Jiangsu 215000)

【Abstract】Analyzed in detail for a number of water conservancy project of the Suzhou area， analysis of all factors to speed up the steel micro-expansion properties of concrete， to optimize the design mixture ratio control of the steel pipe steel pipe micro-expansion concrete in the design process should be noted that several control indicatorsfurther promote the use of concrete filled steel tube in water conservancy.

【Key words】Expansion of concrete;Confinement effect;Three-dimensional stress;Steel pipe

膨脹混凝土是近年來發展較快的一種特種混凝土。混凝土中的膨脹組份能使混凝土產生體積膨脹，全部或部分抵消混凝土的干縮變形，從而減輕混凝土的開裂病害。若混凝土中存在限制體(如鋼筋、鋼管等)，限制體與混凝土之間的握裹力將使其隨混凝土的膨脹而產生伸長變形，并同時對混凝土施加壓應力。隨后，混凝土因受壓應力作用而產生彈性壓縮變形。這樣，當混凝土承受外界荷載時，荷載所產生的拉應力可以被預先所具有的壓應力抵消，混凝土實際承受的拉應力減小，因而混凝土結構的抗拉性能可得到有效的改善。最近幾年，我國在鋼管砼應用技術方面發展很快，鋼管內灌注高性能微膨脹混凝土，以提高鋼管的承載能力，提高構件的穩定性。在鋼管中灌注的一般是C40～C50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，緩凝，自密實及可泵性非常好，鋼管混凝土為微應力混凝土。因三向應力混凝土的主要特性是強度高，變形性好，在外荷載作用下，由于鋼管約束其內部核心混凝土的橫向變形，使在三向應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2～3倍。三向應力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當壓縮應變達0.002時，不但仍有承載能力，而且表面不發生裂縫，它是一種很好的抗震材料。所以設置微應力，可提高構件的承載力及改變普通灌注法造成混凝土和鋼管間有間隙的現象。在設計中確定微膨脹率和如何設計該種配合比是關鍵因素。鋼管內部混凝土質量對工程結構安全影響很大，稍有不慎，就會出現質量事故，造成泵送困難，內有空氣，不飽滿，混凝土和鋼管間有收縮空隙及承重能力下降等現象。幾年來，我們針對蘇州地區多項水利工程進行了詳細分析，經工程實踐應用證明效果良好。

1. 材料

1.1 水泥

膨脹混凝土加水拌和后，膨脹水泥迅速水化并產生大量水化產物鈣礬石和氫氧化鈣。此時強度組份CSH凝膠的數量并不很多，水化產物不能形成網狀結構，混凝土只處于塑性狀態，具有很強的變形能力，因此水化產物中的膨脹組份向充水空間膨脹時，混凝土并不表現出宏觀膨脹變形。混凝土進一步水化以后，水化產物逐漸搭接、連生起來，并形成一定的初始強度，此時混凝土才開始逐漸膨脹。隨著水泥的進一步水化，混凝土的強度則進一步提高，

設計高性能微膨脹混凝土的水泥用量不宜過大，選擇水泥時應選擇525R早強型水泥為主體。水泥礦物組成中C3A和C3S對水化速度和強度發揮起決定作用。C3S與水反應快，凝結硬化也快，早、后期強度都高。因此，控制C3S在40％～50％為宜；C2S與水反應慢，硬化也慢，早強低，但后期強度高，產生水化熱低，C2S和C3S占水泥成 分的70％～74％；C3A與水反非常快，水化熱也高，但強度不高，所控制C3A在5%～9％；當減水劑加到水泥——水系統中，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，使水泥凝結時間縮短，早強及流動性降低。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。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也有較高要求，細度模數選用2.6～3.1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。

1.3 粗骨料。

骨料的品質對高性能微膨脹混凝土有很大的影響，主要體現在骨料——砂漿界面粘結強度、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的巖石，在此類巖石中由于SiO2對混凝土影響很大，所在設計中全面考慮影 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。

粉煤灰來源廣泛，價格便宜，可減少環境污染，是值得推廣的外摻料。粉煤灰主要的四種化學成分，摻入混凝土內在水泥水化過程中，能與分解出來的Ca(OH)2起化學反應，生成具有膠凝性的水化產物。這些水化產物，能在空氣中硬化，逐漸具有水硬性，增強了混凝土的密實性。因此，粉煤灰能取代部份水泥，從而節約水泥，降低水化熱，使混凝土升溫降低15%～35%。二次水化反應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，同時也取決于粉煤灰的細度。細度越大，水化觸及面越大，二次水化反應越充分，且“二次反應”產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”只有Ⅰ級粉煤灰和磨細粉煤灰可以徹底完成。所以摻加Ⅰ級或磨細粉煤 灰是很有必要的。

但使用粉煤灰時，還應嚴格控制SO3的含量。因硫酸鹽與硅酸鹽發生反應后，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定性，降低混凝土耐久性。這種現象在學術上稱為“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，并應摻加Ⅰ級或磨細粉煤灰。如摻Ⅱ級及以下的粉煤灰，會造成強度降低，混凝土干縮增大。

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而留下的毛細孔體積，且孔徑變細，結構致密，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多次試驗，認為混凝土膨脹率合適才可使用。配制高性能微膨脹混凝土選用的高效減水劑應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量應符合現行國家標準《混凝土外加劑》規定。

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晶體——水化硫鋁酸鈣C3A·3CaSO4·32H2O(又名鈣礬石)。它能產生一定的膨脹能，在有鋼管約束條件下，在結構中建立0.2～0.3MPa預應力，可抵消混凝土在硬化過程中產生的收縮應力，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，這時膨脹能轉變為自應力，使混凝土處于受壓狀態，從而提高抗裂能力。所以微膨脹混凝土在有應力情況下，自身的強度遠遠大于設計值，其強度保證率大于97％。選擇膨脹劑一定要多試驗幾個品種，膨脹劑應對混凝土后期強度及質量無損害，與所用水泥適應性好。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. 控制指標

2.1 試配強度。

混凝土的施工配制強度應高于設計要求的標準值，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計強度一般為C40～C50，根據以往的經驗和高性能混凝土的設計原則，應控制水灰比，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，則膨脹發揮較早，強度下降，對提高結構受力不利。所以在設計過程中一定要根據多次試驗，控制好W/C。然后，進行各種材料用量的調整。

2.2 砂率的確定。

高性能混凝土的設計中，砂率是根據測得砂、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。在設計混凝土配合比過程中混凝土中碎石應稍微呈懸浮狀態，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力或微應力即可。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 凝結時間的確定。

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，所以在設計中就應考慮摻加高效減水劑或緩凝劑，以延緩混凝土的凝結時間。但摻加緩凝劑會減少混凝土的膨脹率，這樣就產生了相互矛盾。為解決此問題，在膨脹值不符合設計要求的情況下，可摻加礬土水泥或石膏，或在現場進行模擬試驗，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，增大高效減水劑的摻量，使緩凝延長。但摻用范圍應嚴格控制試驗，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，直接關系到混凝土膨脹率的問題。在保持坍落度、水灰比、減水劑摻量不變的情況下，隨著內摻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，所以根據工程設計要求，經過試驗，選擇合適的膨脹劑摻量是極其重要的。

2.5 膨脹值的確定。

鋼管混凝土一般都是在限制條件下膨脹，膨脹值小，則鋼管中混凝土會與鋼筋間產生空隙，造成鋼管與混凝土無法連成整體，受力降低；而膨脹過大，則在鋼管內部形成很大的自應力，就會破壞混凝土內部結構，鋼管本身一直在橫向自應力的受力情況下，對本身結構受力有很大影響。因此，膨脹混凝土應有一個宜于控制的較大的膨脹值范圍。根據我們施工實踐認為鋼管混凝土設計為無應力或微應力時，膨脹混凝土限制膨脹率28天控制在(2～6)×10-4的膨脹值是合理的。經現場超聲波檢測達到飽滿、密實、無空隙，經測試其動靜載試驗都達到設計要求。所以根據成功的事例證明，控制無應力或微應力鋼管橋中膨脹混凝土的膨脹值時。可考慮較大范圍，這樣易于控制，不至于因膨脹值微小的變化，造成構件結構受力的破壞。

3. 結論

鋼管和混凝土二種材料相互影響，使其強度、塑性和韌性明顯改善，通過將高強、高性能混凝土灌入鋼管、形成鋼管高性能混凝土。在各種復雜應力的作用下，鋼管具有很大的抗剪和抗扭能力，從而有效防止了砼的脆性破壞，使其綜合性能和經濟效果得以充分發揮。

由于膨脹混凝土的特殊性，在拌制混凝土的過程中，材料計量很小的誤差，就會造成混凝土強度波動，及膨脹率增大或減小，引起結構受力降低、及鋼管混凝土飽和度下降等質量事故。微膨脹混凝土的設計失敗造成的鋼管混凝土飽和度很差，引起結構受力下降，當然還有鋼管本身結構缺陷造成的受力下降。設計工作是非常重要的環節，但也不可忽視施工方面的因素。對原材料配合比，施工方案等各環節嚴格掌握，認真操作，優化設計，嚴格施工控制，是鋼管微膨脹混凝土應用中必不可少的重要環節。

參考文獻

［1］ 《膨脹混凝土》，吳中偉、張鴻直著.中國鐵道出版社，1991年.

［2］ 《近代混凝土技術》許溶烈主編、陜西科學技術出版社，1998.10.

［3］ “高強混凝土的研究及應用” 謝劍學 甘肅工業大學碩士研究生畢業論文，2000.