滬通長江大橋水下自密實混凝土工作性能試驗研究

翁智財，謝永江，安明喆，劉亞州，劉子科，王月華，何 龍

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081； 3.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

滬通長江大橋主航道橋29號墩采用沉井基礎，沉井為鋼筋混凝土結構。沉井頂面尺寸為86.9 m×58.7 m，布置24根巨型鋼管柱作為群樁基礎，鋼管柱為圓環形雙壁結構，如圖1所示。鋼管柱外徑 10.2 m，內徑7.6 m，壁厚1.3 m，長84.7 m，鋼管柱軸向對稱等分為4個隔倉，沿鋼管柱長度方向每隔1.5 m在內外筒壁之間設置1層Z字形分布的斜撐角鋼桁架，同時還在斜撐角鋼兩端的筒壁上分別設置1個寬24 cm的環形加勁鋼構環。設計采用導管法在標高-85.0～-5.3 m 區段的鋼管柱雙壁內灌注水下C40混凝土，每根鋼管柱雙壁內灌注的水下混凝土方量約 2 830.2 m3。

圖1 鋼管柱圓環形雙壁結構(單位：m)

與傳統水下混凝土灌注樁相比，本工程水下混凝土的灌注深度和成樁直徑大，且鋼管柱雙壁內部構造復雜，混凝土灌注阻力大，這就對水下混凝土的工作性能提出了更高的要求。目前，水下灌注樁通常采用強度等級C25～C35的大流態混凝土，其設計強度等級較低、工作性能一般，坍落度基本在180～220 mm，難以滿足工程的施工要求。而自密實混凝土具有優異的流動性能以及間隙通過性[1]，在灌注過程中僅依靠自重無需任何外力即可填充模腔密實成型[2]，正好可以解決混凝土水下灌注施工時流動填充性能差的難題。自密實混凝土拌和物通過外加劑、膠凝材料和粗細骨料的合理搭配，使自身屈服剪切應力減小到適宜范圍，同時又具有足夠的塑性黏度，從而形成密實且均勻的結構[3]。研究表明[4-7]：砂率、粉體含量、膠凝材料用量、粉煤灰摻量等配合比參數對自密實混凝土工作性能有顯著影響，但是影響規律并不統一。為使拌和物具有優異的工作性能，自密實混凝土通常采用高膠凝材料用量和低骨料用量的制備思路，這將顯著降低混凝土的體積穩定性，增加大體積混凝土結構的收縮開裂風險。

為此，本文結合滬通長江大橋鋼管柱雙壁水下混凝土工程，開展低膠凝材料用量、高體積穩定性的自密實混凝土制備技術研究。通過流動性試驗、間隙通過性試驗、流變性能試驗和灰色關聯度分析，研究水膠比、膠凝材料用量、砂率、粉煤灰摻量等因素變化對自密實混凝土工作性能的影響，對比分析獲得各參數最佳范圍，最終確定最優混凝土配合比，為滬通長江大橋鋼管柱雙壁水下混凝土的制備提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為張家港生產的P.Ⅱ 52.5水泥，粉煤灰采用鎮江生產的I級粉煤灰；細骨料采用江西贛江Ⅱ區中砂，細度模數為2.9，含泥量為1.2%(質量分數)；粗骨料采用江西彭澤生產的5～10,10～20 mm兩級配碎石(按3∶7質量比例組成)，壓碎值為8%(質量分數)，含泥量為0.2%(質量分數)，表觀密度為2.74 g/cm3，緊密空隙率為38%；減水劑采用南京生產的ART-JR緩凝型聚羧酸系高性能減水劑，減水率為29%，坍落度1 h 經時變化為30 mm；原材料性能指標滿足TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》相關規定。

1.2 配合比

配合比按照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》，采用絕對體積法進行自密實混凝土配合比設計，試驗研究了水膠比、膠凝材料用量、砂率和粉煤灰摻量等因素對混凝土工作性能的影響，具體配合比見表1。設計混凝土配合比時，為保證混凝土具有較好的工作性能，通過調整減水劑用量，將混凝土坍落擴展度控制在(650±20)mm，含氣量控制在2.5%～4.0%。

表1 混凝土配合比

注：W0.32表示水膠比0.32；B380表示膠凝材料用量為380 kg/m3； SR44表示砂率為44%；FA05表示粉煤灰摻量為5%，其余類推。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動性試驗

采用坍落擴展度、坍落擴展時間(T500)、倒置坍落度筒排空時間和V形漏斗流出時間評價自密實混凝土的流動性，試驗方法按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》執行。

1.3.2 間隙通過性試驗

采用J環障礙高差評價自密實混凝土的間隙通過性，試驗方法按照 Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土》執行。

1.3.3 流變性能試驗

采用塑性黏度和屈服應力表征自密實混凝土的流變行為。采用丹麥Germann儀器廠生產的RHM-3000 ICAR同軸圓筒流變儀測定自密實混凝土的流變參數。具體參數見表2,測試裝置如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 水膠比的影響

水膠比對工作性能的影響見圖3。

圖3 水膠比對工作性能的影響

由圖3(a)可知：在膠凝材料用量和砂率一定的情況下，倒置坍落度筒排空時間、T500和V形漏斗流出時間均隨著水膠比的增大逐漸減低，三者在水膠比為0.32～0.36時下降速度較快，水膠比為0.36～0.40時下降速度變緩。水膠比為0.32時，T500為8.6 s;水膠比分別為0.36，0.40時，T500分別降至5.4，3.5 s，降低幅度分別為37.2%，59.3%。水膠比為0.32時，倒置坍落度筒排空時間為10.8 s;水膠比分別為0.36，0.40時，排空時間分別降至3.4，2.8 s，降低幅度分別為68.5%，74.1%。水膠比為0.32時，V形漏斗流出時間為118 s;水膠比分別為0.36，0.40時,流出時間分別降至27，16 s，降低幅度分別為77.1%，86.4%。可以看出，當水膠比超過0.36后，混凝土開始具有較好的流動性。

由圖3(b)可知：隨著水膠比的增加，J環障礙高差整體上變化不大，在20～27 mm波動。J環障礙高差較小，混凝土具有良好的間隙通過性。

由圖3(c)可知：混凝土的塑性黏度隨著水膠比的增大先減小而后稍有增大，水膠比在0.32～0.36時塑性黏度下降速度較快，水膠比在0.36～0.40時塑性黏度稍增大；水膠比為0.32時塑性黏度為215.7 Pa·s，水膠比為0.36，0.40時塑性黏度分別為102.5，112.2 Pa·s，降低幅度分別為52.5%，48.0%。當水膠比增大時混凝土的流動性逐漸改善。這是因為在一定的范圍內，水膠比越大混凝土單位體積的用水量越大，漿體稠度越小，膠凝材料顆粒間的摩擦力減小，漿體的流動性增大。同時可以看出，混凝土的屈服應力隨著水膠比的增大逐漸增大，水膠比在0.32～0.38時增幅較小，超過0.38后屈服應力陡然增大；水膠比為0.32時屈服應力為18.5 Pa，水膠比為0.38和0.40時屈服應力分別為72.8，270.4 Pa，提高幅度分別為293.5%，1 361.6%。水膠比越大，屈服應力越高。這可能是由于體系中的減水劑摻量減小所致。隨著水膠比的增加，雖然混凝土單位體積的用水量稍有增加，但減水劑摻量減小對體系屈服應力的影響更大。減水劑對水泥和粉煤灰具有強烈的吸附作用，在粉體顆粒表面形成表面活性劑聚集層并產生分散及潤滑作用，有助于釋放出被粉體顆粒束縛的水，增加體系中的自由水含量，從而降低體系屈服應力[8]。減水劑摻量減少必然增加混凝土的屈服應力。

綜上所述，在膠凝材料用量和砂率一定的情況下，水膠比在0.36～0.38時混凝土的屈服應力和塑性黏度較小，具有優異的流動性和間隙通過性。

2.2 膠凝材料用量的影響

膠凝材料用量對工作性能的影響見圖4。

圖4 膠凝材料用量對工作性能的影響

由圖4(a)可知：①在水膠比和砂率一定的情況下，T500和倒置坍落度筒排空時間均隨著膠凝材料用量的增加逐漸減小，兩者均在膠凝材料用量為380～400 kg/m3時下降較快，超過400 kg/m3后，兩者下降均逐漸減緩。膠凝材料用量為380 kg/m3時T500為9.7 s，膠凝材料用量為400，440，480 kg/m3時T500分別降至6.5，5.8，3.8 s，降低幅度分別為33.0%，40.2%，60.8%；膠凝材料用量為380 kg/m3時，倒置坍落度筒排空時間為9.9 s，膠凝材料用量為400，440，480 kg/m3時，倒置坍落度筒排空時間分別降至5.3，3.9，2.3 s，降低幅度分別為46.5%，60.6%，76.8%。②V形漏斗流出時間隨著膠凝材料用量的增加逐漸減小。在膠凝材料用量為400～440 kg/m3時流出時間減小顯著，超過440 kg/m3后流出時間變化不大。膠凝材料用量為380 kg/m3時流出時間為105 s，膠凝材料用量為440，480 kg/m3時流出時間分別減小至32，16 s，減小幅度分別為69.5%，84.8%。可以看出，當膠凝材料用量超過440 kg/m3后，混凝土開始具有較好的流動性。

由圖4(b)可知：J環障礙高差隨著膠凝材料用量的增加先略微增大而后減小。當膠凝材料用量為380 kg/m3時J環障礙高差為32 mm，當膠凝材料用量為400 kg/m3時障礙高差達到最大值33 mm，提高幅度為3.1%。膠凝材料用量繼續增大，障礙高差逐漸減小。膠凝材料用量為440，480 kg/m3時，障礙高差分別降至31，20 mm，相較于膠凝材料用量380 kg/m3時障礙高差降低幅度分別為3.1%，37.5%。可以看出，膠凝材料用量超過440 kg/m3后混凝土開始具有較好的間隙通過性。膠凝材料用量增加時混凝土的間隙通過性逐漸改善，這是因為膠凝材料用量越高，砂漿的變形能力越大，使得混凝土通過J環等狹窄空間時砂漿具有足夠的變形能力以承受粗骨料重新分布過程中障礙物的阻擋和剪切作用。

由圖4(c)可知：①混凝土塑性黏度隨膠凝材料用量的增加呈逐漸降低的趨勢。膠凝材料用量為458～480 kg/m3時塑性黏度變化趨于平穩。②混凝土屈服應力隨著膠凝材料用量的增加整體上呈線性減小的趨勢。

混凝土的工作性能隨膠凝材料用量的增加逐漸改善。這是因為在砂漿和粗骨料組成的兩相復合材料體系中，膠凝材料用量越高，單位體積混凝土中砂漿含量越高，則粗骨料含量越低，粗骨料周圍被較多砂漿包裹，相鄰粗骨料之間的砂漿層變厚，相鄰粗骨料之間的間距也變大，拌和物體系內部粗骨料之間不易存在顆粒之間的摩擦和互鎖作用，屈服應力減小。在自重的作用下，拌和物較易產生流動和發生變形[9]，工作性能改善，這也與隨膠凝材料用量的增加混凝土的J環障礙高差、塑性黏度和屈服應力不斷減小的試驗結果相一致。

在水膠比和砂率一定的情況下，膠凝材料用量在440～480 kg/m3變化時，混凝土的屈服應力和塑性黏度較小，具有良好的流動性和間隙通過性。

2.3 砂率的影響

砂率對混凝土工作性能的影響見圖5。

圖5 砂率對工作性能的影響

由圖5(a)可知：①在膠凝材料用量和水膠比一定的情況下，T500隨著砂率的增大先增大后減小再增大。砂率為44%時T500為5.2 s，砂率為48%時T500達到最大值6.5 s，提高幅度達25.0%。砂率為52%時T500降至最小值5.0 s，相較于砂率44%時T500降低幅度為3.8%。隨著砂率的增大T500開始增大，砂率為54%時T500可達6.5 s，相較于砂率44%時T500提高幅度達到25%。②倒置坍落度筒排空時間隨著砂率的增大先減小后增大。砂率為44%時排空時間為4.5 s，砂率為50%時排空時間達到最小值3.4 s，降低幅度為24.4%。砂率繼續增大時排空時間開始增大，砂率為54%時排空時間為4.7 s，相較于砂率44%時排空時間增大幅度為4.4%。③V形漏斗流出時間隨著砂率的增大先減小而后略有增大。砂率為44%時流出時間為48 s，砂率為52%時流出時間縮短至最小值25 s，降低幅度達47.9%。砂率繼續增大時流出時間略有增大，砂率為54%時流出時間為27 s，相較于砂率52%時的流出時間增加了2 s。

由圖5(b)可知：J環障礙高差隨著砂率的增加先增大后減小。砂率為44%時J環障礙高差為26 mm，砂率為46%時障礙高差達到最大值28 mm，提高幅度為7.7%。砂率繼續增大時障礙高差開始減小。砂率為50%，54%時，障礙高差分別降至25，22 mm，相較于砂率46%時障礙高差降低幅度分別為10.7%，21.4%。砂率在46%～54%時砂率越大粗骨料含量越小，新拌混凝土的間隙通過性越好，表現為J環障礙高差越小。

由圖5(c)可知：①混凝土的塑性黏度隨著砂率的增加先減小后增大。砂率為44%時塑性黏度為120.8 Pa·s，砂率為48%時塑性黏度達到最小值98.7 Pa·s，降低幅度達18.3%。砂率繼續增大時塑性黏度開始增大。砂率為50%，54%時塑性黏度分別為102.5，118.2 Pa·s，相較于砂率44%時塑性黏度降低幅度分別為15.1%，2.2%。②混凝土的屈服應力隨著砂率的增大呈線性增大趨勢。砂率越大粗細骨料的總表面積越大，漿體含量一定時骨料表面的漿體層厚度減小，骨料之間的相互摩擦力導致屈服應力逐漸增大[10]。

隨著砂率的增大，混凝土的流動性先逐漸改善而后稍有劣化。這是因為在一定范圍內砂率越大粗骨料含量越小，固體顆粒之間的摩擦和碰撞減少，流動性改善，表現為T500、倒置坍落度筒排空時間、V形漏斗流出時間和塑性黏度均有所減小。隨著砂率的繼續增大，T500、倒置坍落度筒排空時間、V形漏斗流出時間和塑性黏度均有所增加。這是因為砂子的比表面積比粗骨料大，骨料體積含量一定時砂率越大粗細骨料的總表面積越大，漿體含量一定時包裹骨料的漿體層厚度變薄，潤滑度下降，新拌混凝土的流動性反而會略有下降。砂率過大或過小都將引起塑性黏度增大，流動性降低，因此，合理選擇砂率是自密實混凝土配制成功的關鍵，建議最佳砂率取50%。

2.4 粉煤灰摻量的影響

粉煤灰摻量對工作性能的影響見圖6。

圖6 粉煤灰摻量對工作性能的影響

由圖6(a)可知：①在膠凝材料用量、水膠比和砂率一定的情況下，T500隨著粉煤灰摻量的增加先減小后增大再減小。粉煤灰摻量為0時T500為6.0 s，摻量為25%時T500降至最小值4.9 s，降低幅度為18.3%。摻量為35%時T500達到最大值5.4 s，相較于摻量為0時T500值降低幅度為10.0%。粉煤灰摻量繼續增大時T500開始減小。摻量為45%時T500降至4.3 s，相較于摻量為0時T500值降低幅度可達28.3%。②倒置坍落度筒排空時間和V形漏斗流出時間均隨著粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰摻量在5%～35%時V形漏斗流出時間減小趨勢變緩，但摻量超過35%后流出時間又迅速減小。粉煤灰摻量為0時V形漏斗流出時間為33.5 s，摻量為35%，45%時流出時間分別降至27，22 s，降低幅度分別為19.4%，34.3%。粉煤灰摻量為0時倒置坍落度筒排空時間為4.3 s，摻量為35%,45%時流出時間分別降至3.4，2.6 s，降低幅度分別為20.9%，39.5%。可以看出，當粉煤灰摻量超過35%后混凝土具有較好的流動性。

由圖6(b)可知：J環障礙高差隨著粉煤灰摻量的增加逐漸減小。粉煤灰摻量為0時J環障礙高差為32 mm，摻量為35%，45%時障礙高差分別降至25，24 mm，降低幅度分別為21.9%，25%，表明粉煤灰摻量越高，新拌混凝土的間隙通過性越好。

由圖6(c)可知：①混凝土的塑性黏度隨著粉煤灰摻量的增加先減小而后略有增大。當粉煤灰摻量為0時塑性黏度為169 Pa·s，摻量為35%時塑性黏度降至102.5 Pa·s，降低幅度可達39.3%。粉煤灰摻量繼續增加時塑性黏度略有增大。粉煤灰摻量為45%時塑性黏度為105.7 Pa·s，相較于摻量為35%時塑性黏度增加了3.2 Pa·s。②混凝土的屈服應力隨著粉煤灰摻量的增加呈線性減小的趨勢。

隨著粉煤灰摻量逐漸增大，混凝土工作性能逐漸改善。這是因為：①粉煤灰的密度較小，粉煤灰等量取代水泥時，隨著摻量的增加漿體體積會增加，提高了骨料顆粒間的漿體厚度，有效降低了粗骨料間的摩擦，有利于改善新拌混凝土的流動性；②粉煤灰具有微骨料效應，粉煤灰中微細顆粒可以填充混凝土中的空隙并且將空隙中的填充水置換出來；③粉煤灰具有良好的形態效應，球狀顆粒能起到一定的滾珠潤滑作用，使混凝土的流動性得到改善[11]。這也與隨粉煤灰摻量的增加混凝土的J環障礙高差、塑性黏度和屈服應力逐漸減小的試驗結果相一致。

在膠凝材料用量、水膠比和砂率一定的情況下，當粉煤灰摻量在35%～45%時，混凝土屈服應力和塑性黏度較小，具有較好的流動性及間隙通過性。

2.5 最優配合比

綜合考慮水膠比、膠凝材料用量、砂率、粉煤灰摻量等因素對混凝土工作性能的影響，本文提出最優的混凝土配合比，見表3。

表3 最優的混凝土配合比

2.6 工作性能試驗的灰色關聯度分析

1)配合比參數對工作性能的影響程度

采用灰色關聯分析方法[12]分析了不同工作性能評價指標與配合比參數的灰色關聯度，見表4。

表4 不同工作性能評價指標與配合比參數的灰色關聯度

根據表4可以得到不同配合比參數對工作性能評價指標影響程度排序，見表5。

表5 配合比參數對工作性能評價指標影響程度排序

由表5可知：膠凝材料用量和水膠比是影響混凝土工作性能的主要因素，而砂率和粉煤灰摻量對混凝土工作性能的影響相對較小。

2)流動性評價指標的敏感程度

同樣通過灰色關聯分析方法分析了不同流動性評價指標與配合比參數的灰色關聯度，見表6。

表6 不同流動性評價指標與配合比參數的灰色關聯度

由表6可知：混凝土不同流動性評價指標與配合比參數的灰色關聯度排序為V形漏斗流出時間>T500>倒置坍落度筒排空時間，即混凝土流動性對V形漏斗流出時間最為敏感，對T500和倒置坍落度筒排空時間的敏感性差別不大。

3 結論

本文通過流動性試驗、間隙通過性試驗和流變性能試驗和灰色關聯度分析，研究了水膠比、膠凝材料用量、砂率和粉煤灰摻量對自密實混凝土工作性能的影響，得出的主要結論如下：

1)當水膠比在0.36～0.38，膠凝材料用量在440～480 kg/m3，砂率為50%，粉煤灰摻量在35%～45%時，混凝土的屈服應力和塑性黏度較小，流動性及間隙通過性較為優異，綜合分析確定了最優的混凝土配合比。

2)膠凝材料用量和水膠比是影響混凝土工作性能的主要因素，而砂率和粉煤灰摻量對混凝土工作性能的影響相對較小；混凝土流動性對V形漏斗流出時間最為敏感，對T500和倒置坍落度筒排空時間的敏感性差別不大。

3)提出了低膠凝材料用量、高體積穩定性的水下自密實混凝土制備方法，為滬通長江大橋及同類超大深水基礎復雜結構工程水下自密實混凝土的制備提供了試驗和理論依據。