漢陽河特大橋自密實微膨脹混凝土的制備及其施工工藝

漢陽河特大橋自密實微膨脹混凝土的制備及其施工工藝

朱劍，伍遠華，楊光志，楊小峰，向常華

(五峰土家族自治縣交通運輸局，宜昌 443400)

摘要：以Ⅱ級粉煤灰和硅灰作為礦物摻和料，利用當地砂石原材料、P·O 42.5水泥和HCSA高性能膨脹劑，制備出了C50自密實補償收縮混凝土，并應用于宜昌五峰漢陽河特大橋鋼管拱橋中。工程應用表明：制備出的混凝土滿足標準和施工要求，適當摻量的膨脹劑可以補償混凝土收縮，外加劑中增粘組分及引氣組分可明顯提升混凝土的黏聚性和流動性，通過采用泵送頂升現場施工工藝成功對宜昌五峰漢陽河特大橋進行了施工。

關鍵詞：自密實；C50高強；微膨脹；鋼管混凝土；施工工藝

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.004

Abstract:This paper prepared the C50 self compacting and micro expansional concrete by using P·O 42.5 cement,high-performance expansive agent,local raw aggregate and adding fly ash II,silica fume mineral admixtures.It was successfully applied into the construction of Hanyang River steel tube arch bridge in Wufeng County,Yichang City.The engineering application showed that:the concrete with proposed construction mixture proportion met the standard and construct requirements;the appropriate amount of expansive agent compensated the shrinkage degree of concrete;the viscosity and fluidity of the concrete was significantly improved by adding tackifier constituents and air entraining components in admixture.The construction was carried out successfully with lift pumping construction technology.

收稿日期：2015-06-10.

基金項目：高性能土木工程材料國家重點實驗室開放基金(2012CEM004).

作者簡介：朱劍(1982-),工程師.E-mail:17156471@qq.com

Preparation and Construction Technology of Self-compacting

Expansive Concrete for Hanyang River Bridge

ZHUJian,WUYuan-hua,YANGGuang-zhi,YANGXiao-feng,XIANGChang-hua

(Transportation Bureau of Wufeng Tujia Autonomous County, Yichang 443400，China)

Key words:self compacting;C50 high strength;micro expansion;steel tube-confined concrete;construction technology

鋼管混凝土是指將混凝土填充到鋼管中,由鋼管和核心混凝土共同承擔荷載的組合結構構件[1]。這種復合構件能有效地提高鋼管混凝土的穩定性和承載能力，簡化了施工工序，縮短了施工工期，節約了各項成本，同時降低了對環境的破壞，符合資源節約型和環境友好型的要求。

1工程概況

漢陽河特大橋是一級公路陸城-漁洋關延伸段重點工程，是五峰縣境內連接宜昌-張家界高速的重要干線橋梁。該橋設計全長399 m，主跨171 m，主橋為上承式鋼管混凝土拱橋，橋與谷底高差達100 m，是五峰境內第一座鋼管拱橋，也是五峰最高、最長的一座橋。該項目能優化區域路網結構，對五峰新縣城的建設，改善五峰對外交通條件，緩解城市交通壓力，開發利用沿線豐富的自然資源和旅游資源，帶動沿線民族地區經濟社會發展，幫助五峰縣的脫貧致富，進一步拓寬城市發展空間，提速新型城市化發展進程都具有十分重要的意義。建成通車后，將為五峰西部鄉鎮及周邊地區群眾的出行、沿線經濟和旅游的發展提供有力保障。

漢陽河特大鋼管混凝土拱橋(主拱、綴板、立柱)采用C50鋼管自密實混凝土進行灌注，采用泵送頂升法灌注混凝土，共8根鋼管、4個綴板和12根立柱，每根鋼管需自密實高強混凝土104方，拱座兩邊各52方；每根綴板需25方，；立柱共需400方。該項目克服了山區晝夜溫差大，夏季施工溫度高等難點，通過減少膠凝材料用量，降低水灰比等措施保證了鋼管自密實補償收縮混凝土的各項工作性能和強度要求，同時用礦物摻合料替代部分水泥，既提高了混凝土的性能，又節約了成本，實現了施工質量和經濟效益雙贏。

2技術性能要求

設計的C50鋼管自密實混凝土首先要保證優良的自密實性能，滿足自密實混凝土應用技術規程SF1、VS1的要求，同時混凝土易于泵送施工，早期強度上升明顯，后期強度持續增長，含氣量符合施工要求規定。為確保施工質量，對其鋼管混凝土具體性能指標要求如下：

1)物理力學性能：混凝土早期強度高，3 d抗壓強度大于等于40 MPa，4 d強度達到45 MPa以上，28 d抗壓強度達到100%，不振搗混凝土抗壓強度達到振搗混凝土抗壓強度的98%以上。

2)工作性能：良好泵送性能，坍落度大、和易性好、不泌水離析且自密實，初凝時間>14 h，初始坍落度220～260 mm，初始坍落擴展度550～650 mm，T500擴展時間2～20 s，2 h后坍落度≥200 mm，2 h后擴展度≥500 mm，3 h后坍落度≥160 mm， 3 h后擴展度≥350 mm。

3)體積變形性能：密閉環境下混凝土28 d自由膨脹率(2.0～4.0)×10-4，360 d徐變系數<1.8。

4)氣體含量：粘聚性和保水性好，拌合物含氣量小于2.0%。

3試驗原材料

1)水泥：宜都華新P·O 42.5水泥；

2)砂：洞庭湖中砂，表觀密度ρa=2 682 kg/m3，細度模數2.89，含泥量0.7%；

3)碎石：五峰崇陽石廠5～25 mm和5～20 mm連續級配普通碎石，表觀密度ρa=2 718 kg/m3，針片狀含量3.6%，壓碎值11.7%；

4)粉煤灰：湖南石門電廠Ⅱ級粉煤灰，符合現行標準GB 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規定的Ⅱ級灰技術要求；

5)硅灰：SiO2含量92%，比表面積18 600 m2/kg，需水量比122%；

6)膨脹劑：天津豹鳴HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨脹劑；

7)減水劑：武漢蘇博特YJ-1型聚羧酸減水劑，減水率26%，固含量27%；

8)水：采用生活用水。

4C50自密實微膨脹鋼管混凝土施工配合比設計

4.1　施工配合比的確定

通過實驗室對膠凝材料種類及用量、水膠比、礦物摻合料替代率、砂率、膨脹劑等影響因素的研究，并考察施工現場具體情況后，了解到將于鋼管主拱、綴板、立柱此三個部位進行C50自密實微膨脹混凝土的灌注。其中，主拱的施工為一次頂升泵送，綴板為求保險應進行二次接力泵送，立柱則需使用高拋工藝，因此這三個施工部位的混凝土性能便存在一定的差異。如綴板中的混凝土大顆粒的石子應盡量減少，且粘聚性更好；用于高拋的混凝土宜降低配合比中石子的比例，粘聚性也應很好。同時為使混凝土在更長的時間跨度內仍有良好的保塑性能，應適當增加減水劑的摻量，并需摻入增粘組分以防止混凝土離析、扒底。

表1　C50鋼管自密實混凝土施工配合比　/(kg·m -3)

注：綴板配合比中所用石子粒徑為5～20 mm；立柱配合比中減水劑里增粘組分的摻量變為1.0%。

4.2　施工配合比力學性能及工作性能

經系列實驗研究后， C50鋼管混凝土的施工配合比進行進一步的優化，其力學性能和工作性能見表2。

表2　C50鋼管混凝土施工配合比的各項性能

注：由于鋼管混凝土的自密實特性，成型混凝土試塊時不進行振搗處理。

如表2所示，各組混凝土工作性能良好，含氣量低，28 d強度富余較大，膨脹率符合要求。為適應緊湊的施工進度安排，C50混凝土應在3～5 d的強度即達到90%及以上，故將水泥用量從410 kg/m3增加至430 kg/m3，則使混凝土4 d強度均超過了90%。而且，由于膠凝材料用量增多，混凝土的流動性能也略有提升。從施工配合比的混凝土工作性能數據可看出，盡管摻加硅灰和提高增粘組分的方式都能使混凝土的粘度增大，不過2#混凝土較3#混凝土的流動性更好，且硅灰的摻入使其各齡期的強度得到了一定幅度的增長，因此2#配合比的混凝土適宜進行綴板的施工，而3#配合比的混凝土可進行立柱的高拋施工。1#適合主拱泵送施工。

4.3　膨脹性能研究

為使混凝土的密閉環境自由膨脹率符合要求，該試驗控制膠凝材料用量為560 kg/m3，減水劑量為1.2%,水膠比為0.295，研究膨脹劑摻量為0 kg/m3、40 kg/m3、45 kg/m3、50 kg/m3、55kg/m3對混凝土膨脹性能的影響。試驗結果如圖1所示。

實驗結果表明摻EAACⅡ型膨脹劑可以一定程度地補償混凝土的收縮，并隨膨脹劑摻量的增加而逐漸增大。摻量為8%(45 kg/m3)EAACⅡ型膨脹劑時，56 d自膨脹率在3.4×10-4左右,滿足鋼管混凝土補償收縮的要求，混凝土的56 d密閉自由膨脹率數值在3.0×10-4以上，滿足標準要求。

5鋼管混凝土施工工藝

5.1　鋼管混凝土的拌合

要求拱肋鋼管混凝土泵送施工在4 h之內完成。因此，混凝土總拌合量不宜低于40 m3/h，如果現場拌合，則每岸至少兩臺拌合機，且要求計量準確，如果有一臺拌和機出現故障，仍然能保證鋼管混凝土泵送連續施工；水泥、粉煤灰溫度宜低于50 ℃；砂、石集料宜采取遮陽措施，避免太陽暴曬影響拌合物工作性能；拌合前測試砂含水率，拌合過程中每2 h測試砂含水率；混凝土拌合時間宜90～120 s，以保證拌合充分。

如果采用商品混凝土站集中拌合，則建議采用兩個拌和樓同時進行攪拌，每個拌和樓分別供應一端，并選擇合適的位置搭設平臺，方便膨脹劑、硅灰等原料的投放。同時每個拌和樓配置4臺混凝土罐車，以保證混凝土供應量，確保灌注施工能夠連續進行，避免因混凝土供應不足導致長時間停泵，最終導致堵管等現象；混凝土罐車在運輸中不得隨意加水。

5.2　鋼管混凝土的運輸

混凝土的灌注施工須在現場已備有三車混凝土，第四車已從攪拌站發出后方可開始，防止由于交通堵塞等原因導致的混凝土供應不足，確保施工連續進行。

由于現場地形較復雜，混凝土罐車難以將混凝土運送至泵車附近，因此，兩岸均需設置混凝土溜槽，以便將混凝土順利運送至泵車料斗。同時為了確保料斗中有足夠的混凝土，并且能夠混合均勻，應該將料斗進行加高。

在實際施工過程中，應注意施工時的氣溫，若氣溫較高，則應對鋼管外壁進行適時的灑水降溫，或者覆蓋土工布后進行灑水降溫，防止由于氣溫過高導致管內混凝土坍落度經時損失快，影響施工。

5.3　拱肋鋼管混凝土的施工

在拱頂要牢固焊接隔倉板，使整根鋼管分為兩倉，兩岸同時對稱泵送，根據拱橋的跨距、拱高、混凝土拌合能力等因素采用一次泵送到頂。泵管的布置應合理，盡量避免彎折布設，且必須綁好接牢，以免混凝土灌注過程中泵管晃動劇烈而脫落。泵送混凝土前，先泵送0.3～0.4 m3水潤濕鋼管內壁，并觀察是否漏水，以保證泵管連接牢固，再泵送兩斗(0.6 m3)砂漿對鋼管進行潤濕。

泵送時在拱腳處開灌注孔，在拱頂兩側50 cm左右開排氣孔，排氣孔為焊接在拱肋上的一截鋼管，鋼管直徑15 cm，高度1.5 m，要有一定傾斜角度，防止混凝土灑到鋼管上，影響鋼管的外觀。混凝土對稱頂升至拱頂后應先冒出水和砂漿，然后是混凝土，從排漿管排出1 m3混凝土后不得停機，每3～4 min打兩下，保證管內混凝土填充密實。

泵管設置如圖2所示。

5.4　綴板鋼管混凝土的施工

綴桿必須與綴板焊接牢固，避免施工過程中脫焊，起不到限制綴板變形的作用。在拱角處開排氣孔，排氣孔鋼管傾斜角度為30°～45°，在拱頂處焊接隔倉板，在L/4處開孔，接好泵管，提前做好接力泵送準備，避免因為焊接不牢固而導致綴板變形。施工方法與拱肋施工一致。

5.5　立柱鋼管混凝土的施工

立柱采用高拋工藝，在立柱中段應采用阻力網以避免混凝土產生離析分層，最好一根立柱一次高拋完成，同時應注意泵管的灑水和覆布處理，減少泵送壓力，避免堵管。

具體施工方法與拱肋施工類似。

6工程應用效果

漢陽河特大鋼管拱橋采用泵送頂升法灌注混凝土，共8根鋼管和4個綴板，每根鋼管需自密實微膨脹高強混凝土104方，拱座兩邊各52方。C50自密實微膨脹鋼管混凝土由五峰宗和商混攪拌站拌合，1 h混凝土拌合量在30～40方，運輸距離5 km左右，混凝土出站抽樣的坍落度230～250 mm，擴展度580～610 mm。正常情況下新拌混凝土半個小時可以到達工地。在工地現場抽樣，坍落度230～250 mm，擴展度550～600 mm，坍落度幾無損失。

C50自密實微膨脹鋼管混凝土澆筑后3 d強度可以達到85%，4 d強度可以達到95%，7 d后強度完全達到100%，滿足標準要求。同時早期強度較高，縮短了施工時間，節約了人工成本。

7結論

a.基于施工當地原材料，利用施工配合比能夠制備出具有良好力學性能、工作性能和符合施工要求的自密實補償收縮鋼管混凝土。

b.摻加HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨脹劑能有效解決混凝土收縮的問題，產生微膨脹的效果，增加了鋼管拱橋的結構穩定性。

c.通過對不同施工部位的施工配合比微調，合理調配施工工藝，順利進行了宜昌漢陽河特大橋主拱、綴板、立柱混凝土泵送灌注，滿足設計要求。

參考文獻

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