超長初凝自密實抗收縮C 50混凝土在鋼管拱橋的應用

施力

（湖北交通工程檢測中心有限公司 湖北 武漢 430206）

1 工程概況

找龍壩河特大橋是位于銀川至北海高速公路建始（隴里）至恩施（羅針田）段的一座整體式橋梁，主橋中心樁號為 K88+899，起訖樁號：K88+692.800～K89+49.700，全長 356.9m。橋軸線自北東往南西走向，方位角 195°。主橋為上承式鋼管混凝土拱，拱跨 225m，矢高 45m。大橋主拱圈斷面采用鋼管混凝土與鋼管組成，主跨鋼管 8 根內直徑為 1m（圖1所示），主跨鋼管內全部澆注 C50 自密實微膨脹混凝土，混凝土由兩段的底部同時不間斷灌入，靠混凝土的自重壓實。要求混凝土的坍落度≥245mm，擴展度550～650mm，具有良好的流動性。

2 原材料

2.1 水泥

所用水泥為恩施騰龍 P·O42.5 水泥，其物理性能及化學成分如表1、表2 所示。

表1 水泥物理性能

圖1 找龍壩河特大橋布置圖

表2 水泥化學成分 %

經砂漿流動度試驗，擴展度為 195mm，滿足 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中規定擴展度不小于 180mm 的要求，標準稠度需水量、早期強度均不高，凝結時間正常，細度等各項質量指標均符合標準要求。

2.2 細骨料

洞庭湖產河砂，性能指標見表3。該河砂細度模數略偏小。并在一定的范圍內波動，對此需要根據情況進行隨機調整配合比的砂率。

表3 河砂質量指標

2.3 粗骨料

因地制宜選擇恩施建始沉積石灰巖碎石，有 4.75～9.5mm 和 9.5～26mm 兩種規格，性能指標見表4。所用碎石針片狀含量、壓碎值等指標均符合配制 C50 混凝土的要求。

表4 碎石質量指標

2.4 粉煤灰

粉煤灰是提升自密實混凝土流動性的關鍵材料，本次自密實微膨脹混凝土選用的粉煤灰為武漢華電產 F 類Ⅰ 級灰，性能指標見表5。各項質量指標符合Ⅰ級灰的GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準要求。

2.5 外加劑

中交武港院聚羧酸減水劑，檢測結果見表6。減水劑的關鍵指標的檢測見表7。本次檢測外加劑的含氣量有點偏高，需要在大料（用于生產）中添加萬分之0.2的消泡劑，才能將混凝土的含氣量降到≤2.6%。

表5 粉煤灰質量指標

表6 減水劑初檢結果

由表7 可知，減水劑關鍵指標檢測的結果均符合GB 8076—2008《混凝土外加水劑》標準要求。

2.6 膨脹劑的選擇和試驗

2.6.1 標準法檢測膨脹率

高強度自密實微膨脹混凝土：我們所說的高強度為標準強度達 C50～C60 等級，那么同時具備高強度、自密實、微膨脹這三個條件才具備一個合格的“高強度自密實微膨脹”的混凝土。如何使高粘性、大流動度的混凝土達到不出現收縮并具有微膨脹？通常膨脹劑有三類：硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣＋氧化鈣類、氧化鈣類，本次試驗采取了標準方法測定膨脹劑的膨脹率，選擇武漢2# 膨脹劑進行檢測，結果見表8，和混凝土同配比砂漿測定膨脹劑不同摻量下的膨脹效果（裂瓶時間），詳見表9。

表7 減水劑關鍵指標

表8 膨脹劑膨脹率要求及實測值

表9 試驗分析：利用國家標準 GB/T 23439—2017進行混凝土同配比砂漿測定混凝土膨脹劑的膨脹性能快速模擬試驗，是在膨脹劑高摻量（序號 1、2 與序號3、4 樣品的摻量分別為 13.6% 和 11.1%）的情況下驗證膨脹劑是否有膨脹。而高摻量在混凝土中將會導致強度倒縮，所以快速法只能初步檢查膨脹劑的效果。

表9 標準法檢測膨脹性能試驗結果

2.6.2 混凝土同配比砂漿檢測膨脹性能

（1）膨脹劑具有膨脹：利用 600mL 的啤酒瓶來盛裝摻膨脹劑的混凝土同配比砂漿，如果瓶子裂開，說明具有膨脹。

（2）混凝土配比中膠凝材料與外加劑的匹配性，有粘性、不扒底、氣泡少，砂漿狀況良好。

（3）裂瓶時間：裂瓶時間過短膨脹反應過早，混凝土的流動性損失大，不利于施工；裂瓶時間過長，此時的膨脹難以補償收縮，通過試驗選擇膨脹劑的合適摻量范圍，詳見表10。

表10 混凝土同比砂漿檢測膨脹性能試驗結果

表10 試驗分析：序號 4、7 砂漿的狀況最佳其摻量為 8.8%，裂瓶時間最短，后續將對膨脹劑每方摻量55kg 摻比 11% 和 45kg 摻比 8.8% 分別進行混凝土工作性，混凝土強度和限制膨脹條件下的強度模擬試驗。

膨脹劑的效應對比分析：武漢、新邦膨脹劑的膨脹率兩者均無明顯的差異，通過表9、表10 試驗進行選擇膨脹時間適中（裂瓶時間 90～120h）、砂漿工作性最佳的進行膨脹劑上檔和下檔摻量的混凝土試配，遴選膨脹劑的最佳摻量。

3 配合比設計

3.1 砂率選擇

根據河砂的細度模數 2.3～3.0，擬定三個對應細度模數區間的砂率：細度模數 2.3～2.5 的砂率 39%，2.6～2.7 的砂率 41%，2.8～3.0 的砂率 43%。

3.2 配合比試驗及施工模擬驗證

見表11。

3.3 膨脹劑摻量小結

表11 試驗配合比及性能結果

由表11 結果得出，配合比 1# 和 2#，雖然混凝土的流動性很好，但抗壓強度出現倒縮和抗壓強度增長小。因此剔除這兩個配比。

3.4 配合比超長初凝時間對強度增長的影響

通常自密實混凝土的初凝時間在 5～8 小時，其 7天強度均可達到試配強度的 90%，本次最初設計混凝土的初凝時間為 5～8 小時，應施工的需求進行過兩次初凝時間的修改，即 8～15 小時和 18～23 小時兩次。

3.4.1 初凝 8～15 小時的調整

自密實混凝土對于流動性有著比較高的要求，而且對于含氣量也有較為嚴格的要求，通過“先引后消”即消泡劑和引氣劑相應比例雙摻，達到低含氣量的情況下高流動性的效果。

針對此次施工工藝的特殊性，初凝時間要大于 15小時的情況，緩凝劑的摻配比例，混凝土初凝時間達到15 小時，但 7 天抗壓強度不到 40%，14 天后抗壓強度才達到 90%。因此需要對配比中增加硅酸鹽的比例，適當加速水化反應。

3.4.2 初凝時間≥23 小時配合比參數的確定

（1）膨脹劑的摻量：使用騰龍 P·O42.5 水泥膨脹劑的摻量≤9%（外摻法，占膠材質量的百分比）為最佳摻量，見表12。

（2）水膠比：最佳水膠比為0.3；同時外加劑的摻量超過 1.6% 是應進行外加劑含水量的抵扣。

（3）粗骨料碎石采取小石加中石配合：中石粒徑≤20mm，此時小石+中石=20%+80%；中石粒徑≤25mm，此時小石+中石=30%+70%。同時碎石的壓碎值應≤20。

（4）細骨料河砂及砂率：配比擬定洞庭湖砂。當2.3≤細度模數M≤2.6 時配比砂率取 39%；當 2.6＜細度模數 M≤2.9 時配比砂率取 41%；當2.9＜細度模數M≤3.3 時配比砂率取 43%。

（5）混凝土的含氣量：含氣量≤2.5%。

（6）混凝土的工作性參數：初始坍落度≥245mm，擴展度≥600mm，4 小時擴展度保持550mm。

（7）混凝土強度：7 天同條件試件強度需達到設計標準強度的 80%～90%（42～46 MPa）；7 天標養試件強度需達到設計標準強度的 85%～95%（43.7～49MPa），28 天強度≥試配強度，標養試件59～62MPa。

表12 最終配合比及強度

4 混凝土生產過程的控制和施工要求

（1）實際混凝土的初凝時間≥23 小時。

（2）混凝土的工作性能滿足初始坍落度 260mm，擴展度 630mm；混凝土不泌水、表面不能出現明顯的浮漿。

1）6 小時坍落度損失＜4%（250mm）、擴展度損失＜12.6 %。

2）8 小時坍落度＜6%（245mm），擴展度損失＜14.3%（540mm）。

（3）混凝土的容重和含氣量實測與設計相符：設計容重 2458kg/m3、實測容重 2410kg/m3；符合含氣量小于或等于 2.5% 的要求。

（4）環境溫度為0℃ 及0℃ 以下時應避免施工。

1）本自密實混凝土應連續施工的要求，混凝土的初凝時間設計為 18～23 小時，因此，混凝土在初凝時間內是不具備抗凍能力。

2）環境氣溫0～-2℃，對未初凝的混凝土足以構成凍害。

3）由于找龍壩大橋自密實混凝土沒有任何保溫、防凍措施，在環境溫度≤0℃ 時，初凝時間內和初凝后3～6小時凍融臨界強度≤fcu,k的 40% 不具抗凍能力。

（5）環境溫度為 1℃ 以上、5℃ 以下時的施工措施。

為避免冬季施工混凝土早期受凍害，宜采取下列措施，確保混凝土拌合物的出機溫度不宜低于 10℃，入模溫度不應低于 5℃。若施工現場所處的環境溫度在1℃ 以上、5℃ 以下，故混凝土的出機溫度應＞15℃，混凝土入模溫度＞10℃。

1）混凝土用砂、石料應集中備料，并采取有效的防雨、防雪及保溫措施。不可露天存放。

2）散裝水泥應使用有一定溫度的新鮮水泥；外加劑罐置于暖棚內采用棉被包裹保溫，并采取防凍措施。

3）當原材料原有溫度不能滿足混凝土拌合物的出機溫度不低于 15℃ 要求時，可首先考慮對拌合用水進行加熱，其拌合水加熱的具體溫度應以水泥、砂、石等原材料實測溫度為基礎，根據冬季施工熱工計算計算公式計算的結果為準。

4）混凝土攪拌前，可先采用熱水或蒸汽沖洗攪拌機，且混凝土的攪拌時間應較常溫施工延長 50% 左右（攪拌時間不少于 200s）。當拌合水溫不超過 45℃時，原材料投料順序可不講究。當拌合水溫超過 45℃時，應先投入集料和已加熱的水，稍加攪拌后再投入水泥、摻合料、外加劑，水泥嚴禁與 60℃ 以上的熱水直接接觸，避免假凝。

5）混凝土澆筑停留時間的控制：為了保證混凝土入模溫度≥10℃，前場（施工現場）與后場（拌合站）保持聯系暢通：前、后場配備溫度測試儀并有專人進行溫度檢測，避免澆筑現場混凝土停留超長，停留時間不得超過 1 小時或根據實際混凝土的溫度進行控制。

5 效果

（1）混凝土的初凝時間＞20 小時或≥22 小時。

（2）混凝土的初始坍落度≥245mm、擴展度≥600mm；6 小時坍落度損失＜5%、擴展度＜5%；8小時坍落度＜10、擴展度≥10%。

（3）混凝土的強度需滿足原設計要求：7 天同條件試件 45.2～48.2MPa；7 天標養試件 43.0～46MPa ；28 天標養試件 59～62MPa。