重混凝土配合比設計及其在城市橋梁中的應用

鄧長軍，唐英，何躍軍，胡安慶

(1．中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2．中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路橋建設有限公司，四川成都610091)

重混凝土配合比設計及其在城市橋梁中的應用

鄧長軍1，2，唐英2，何躍軍3，胡安慶2

(1．中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2．中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路橋建設有限公司，四川成都610091)

根據成都市二環路高架橋立交大跨度曲線鋼箱梁匝道橋的抗傾覆配重要求，采用重晶石為主要骨料，經試配與調整獲得滿足條件的重混凝土配合比。在此基礎上進行混凝土配制并在混凝土拌合、運輸、泵送、澆筑以及鋼箱梁預拱度監測等關鍵環節采取控制措施，有效地保證了配重施工質量。

鋼箱梁 重混凝土 配合比 控制措施

鋼箱梁具有自重輕、跨越能力大、施工周期短等優點，在城市高架橋建設中得到廣泛應用。由于城市的地域限制，高架橋立交節點處常使用小曲線半徑鋼箱梁結構。但因其受彎扭耦合作用造成扭矩較大，同時其自重較輕易出現支座脫空甚至傾覆等現象，一般通過在鋼箱梁中橋墩附近設置配重，以增大支座正反力儲備的方法加以控制［1-2］，重混凝土即是配重的關鍵材料。重混凝土是近年來新興的特種材料，目前尚無國家標準和行業規范，配合比也需根據實際需要特別研究［3-4］。重混凝土具有重度大的特殊性，其施工質量與配合比設計、施工過程控制密切相關。

本文根據成都市二環路高架橋立交大跨度曲線鋼箱梁匝道橋的抗傾覆配重要求，首先著手于滿足需要的重混凝土配合比設計，同時從現場施工的實際情況出發，采取了一系列的控制措施，有效地保證了配重施工質量，取得了良好的經濟技術效果。

1 重混凝土配合比設計

1.1 原材料選取

根據配重設計要求，重混凝土強度等級為C30，重度不低于35 kN/m3，同時需滿足耐久性、和易性、經濟性等指標，因此選取合適的原材料是關鍵。

1)水泥。應以滿足混凝土強度及和易性等泵送指標為原則，選用密度較大、需水量和水化熱都較小的P．O42.5R型普通硅酸鹽水泥。

2)細骨料。重混凝土的強度、重度等物理性能在很大的程度上取決于骨料的表觀密度、級配、尺寸與形狀等指標。本配合比設計中采用級配良好、質地堅硬、顆粒潔凈、密度較大的重晶砂作為細骨料來填充空隙，以達到混凝土和易性良好、保水性強、重度較高的目的。其技術指標詳見表1、表2。

表1 細骨料物理力學性能

表2 細骨料篩分結果%

3)粗骨料。重混凝土常采用特別密實和特別重的集料制成，如重晶石混凝土、鐵砂混凝土等，鐵砂混凝土很容易達到設計要求，但其成本太高，故本配合比設計中粗骨料選用連續級配重晶石，并通過試驗對其針片狀含量等指標進行測定，防止混凝土出現離析現象從而影響強度及和易性。其技術指標詳見表3、表4。

表3 粗骨料物理力學性能

表4 粗骨料篩分結果%

4)拌合用水。水的密度較小，可適當摻入減水劑來控制用水量和水膠比，降低水對混凝土重度的影響，同時改善混凝土的和易性。

5)外加劑。重晶石骨料石粉含量高、吸水性強，對混凝土強度、坍落度損失、凝結時間等指標均有較大影響。為確保混凝土強度及良好的可泵性需選用一種性能優良的外加劑;另考慮到鋼箱梁頂板開孔小而難以振搗等現場條件，混凝土應具有較大流動性。綜合以上因素，本配合比設計中選用低摻量、高減水率、適應性較好、對環境無任何影響的聚羧酸泵送劑作為外加劑，其摻量為2.1%。

6)摻合料。為改善混凝土的泵送效果，增加和易性且防止骨料下沉，減少泌水率和混凝土水化熱，本配合比設計中采用Ⅰ級粉煤灰作為摻合料，其摻量為22%。

1.2 配合比設計［5-6］

對于重混凝土，由于目前尚無專門的配合比設計公式，故本設計主要依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)，以質量法為設計計算依據，并根據施工經驗和實際情況對各種成分用量進行了修改與調整，最終通過試驗確定了現場拌制時采用的理論配合比。

1)確定混凝土配制強度

根據配重設計要求，混凝土立方體抗壓強度標準值fcu，k=30 MPa，取標準差σ=5.0 MPa，則混凝土配制強度fcu，0=fcu，k+1.645σ=38.2 MPa。

2)確定水膠比

已知混凝土配制強度fcu，0=38.2 MPa，現計算水泥28 d膠砂抗壓強度fce=γcfce，g=1.16×42.5 MPa= 49.3 MPa(式中:γc為水泥強度等級值的富余系數，fce，g為水泥強度等級值);查回歸系數取值表得:aa= 0.53，ab=0.20;考慮到為改善混凝土工作性能而摻入的一定量的粉煤灰對水膠比的影響，則膠凝材料28 d膠砂抗壓強度值fb=γfγsfce=0.69×1.00×49.3 MPa= 34.0 MPa(式中:γf為粉煤灰影響系數，γs為粒化高爐礦渣影響系數，查表取γf=0.69，γs=1.0)，由此計算得到混凝土水膠比W/B=(aafb)/(fcu，0+aaabfb)=0.43。

3)確定用水量

根據泵送施工需要，配制的混凝土應具有較大流動性，坍落度為18±3 cm，其用水量在《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)無法查找到相應參考值，因此本設計根據施工經驗初步確定每立方米混凝土用水量mw0=150 kg/m3。

4)確定砂率

對于普通泵送混凝土，其砂率通常控制在35%～ 45%，本設計根據施工經驗和實際情況選用砂率βs= 43%。

5)計算膠凝材料、摻合料和水泥用量

首先計算每立方米混凝土中膠凝材料用量為mb0粉煤灰摻量按22%計算，則每立方米混凝土中粉煤灰用量為mf0=76.7 kg/m3，每立方米混凝土中水泥用量為mc0=272.1 kg/m3。

6)計算粗、細骨料用量

本設計采用質量法計算混凝土配合比，并取每立方米混凝土拌合物的假定質量mcp=3 600 kg/m3進行計算。

由式(1)和式(2)得到:每立方米混凝土的細骨料用量ms0=1 333.5 kg/m3，每立方米混凝土的粗骨料用量mg0=1 767.7 kg/m3。

7)計算外加劑用量

根據施工經驗，本設計中每立方米混凝土的外加劑摻量βa=2.1%，則外加劑用量ma0=mb0βa=7.3 kg/m3。

8)初步配合比確定

根據以上計算結果得到初步配合比，詳見表5。

表5 初步配合比kg/m3

9)配合比的試配、調整與確定

根據初步配合比稱料試拌，測得拌合物坍落度為195 mm，密度為3 540 kg/m3，且和易性良好，無離析，符合設計和施工要求，故以此配合比為試拌配合比。

在試拌配合比基礎上設計三組不同配合比，其中1#配合比為試拌配合比，2#配合比在試拌配合比的基礎上將水膠比上調0.05，砂率增加1%，用水量與試拌配合比相同，3#配合比在試拌配合比的基礎上將水膠比下調0.05，砂率減小1%，用水量與試拌配合比相同。三組配合比混凝土試件試驗數據見表6。

由試驗結果可知:三組配合比混凝土試件的密度和強度均滿足要求。經比較，擬選用1#配合比作為理論配合比進行重混凝土生產拌制。

2 工程應用

在成都市二環路永豐和武侯立交匝道橋鋼箱梁配重施工中，采用1#配合比進行重混凝土生產拌制，累計泵送澆筑了約2 000 m3混凝土，并根據工程現場實際情況，采取了以下控制措施。

1)拌合與運輸控制。拌合與運輸時注意保持重混凝土的黏聚性，防止混凝土離析和坍落度損失而影響混凝土質量;另外重混凝土自身密度大，故在拌合與運輸時應以重量作為設備荷載能力量化指標，以防發生機械設備損害。

2)泵送設備選擇。混凝土泵送高度約20 m，應對泵車的整車質量、最大布料高度、最大半徑進行綜合考慮，選擇泵送能力較大的設備。

3)分次澆筑。澆筑時應嚴格控制每次澆筑高度，一方面為防止混凝土離析和骨料沉降，另一方面由于重混凝土重度大，對鋼箱梁縱橫向加勁肋板側壓力大。施工前應對肋板承受的側壓力、抗彎及撓度進行驗算，以確定澆筑速度與分層高度。

4)鋼箱梁預拱度監測。由于鋼箱梁線性膨脹系數較大，受溫度影響也較大，故選在氣溫穩定時進行混凝土澆筑施工，且全程進行鋼箱梁預拱度監測。其中，初始預拱度監測數據應在早晚進行測量并且記錄溫度，后續每次澆筑前后均需進行觀測，并將實測數據與設計標準值進行比對，以此分析配重效果。

表6 三組配合比混凝土試件試驗數據

3 結語

在結合工程經驗的基礎上，采用質量法作為配合比設計計算依據，配制出滿足設計施工條件的以重晶石為主要骨料的重混凝土，并在混凝土拌合運輸、泵送、澆筑、鋼箱梁預拱度監測等關鍵環節采取控制措施。工程實踐表明，施工過程安全順利，做到了經濟、高效、適用。本文對鋼箱梁配重施工質量控制提供了一種思路，可供類似項目參考。

［1］孫全勝，張清晨，張雙．曲線鋼箱梁支座反力分析和脫空控制［J］．世界橋梁，2012，40(2):29-32．

［2］劉彬斌，陳福軍．大跨度曲線鋼結構匝道橋的抗傾覆設計［J］．市政技術，2014，32(2):63-66．

［3］王小岐．剛構連續梁梁端配重鐵砂混凝土應用［J］．四川建筑，2013，33(2):197-199．

［4］崔嵩嶺．淺談配重混凝土的設計與應用［J］．中國新技術新產品，2013(8):16．

［5］張大強．重晶石混凝土在橋梁中的應用［J］．科技視界，2014 (4):108，210．

［6］中華人民共和國住房與城鄉建設部．JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，2011．

Mix proportion design of heavy concrete and its application to urban bridges

DENG Changjun1，2，TANG Ying2，HE Yuejun3，HU Anqing2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 610031，China;3．Chengdu Construction Engineering Corporation Group Road and Bridge Company Limited，Chengdu Sichuan 610091，China)

T o meet the requirements of the anti-overturning balance weight of the long-span curved steel box girder at the ramp bridge at the viaduct bridge of the second ring road of Chengdu province by using barite as the main aggregate，after trails and adjustment，the mix proportion of heavy concrete was obtained．On this basis，heavy concrete was manufactured，in the mean time，control measures is taken at key stages as concrete mixing，transport，pumping，pouring and girder camber for the sake of quality control．

Steel box girder;Heavy concrete;M ix proportion;Control measures

TU528.19

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．07

1003-1995(2015)03-0024-03

(責任審編孟慶伶)

2014-10-29;

2014-12-10

鄧長軍(1986—)，男，四川安岳人，碩士研究生。