淺談鋼管混凝土

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 前言

現代建筑工程對混凝土的要求越來越高，不僅要求混凝土具有高強性能，更重要的是要有良好的工作性能和耐久性能。鋼管混凝土憑借高強度、高韌性、高承載力、優良抗震性能、耐久性及經濟性等優點已經在大跨境橋梁、高層建筑、高墩高塔和工廠廠房等眾多領域得到應用［1］；已建世界第一跨（530m）的四川合江長江一橋和世界第一高墩（182.5m）都證明了鋼管混凝土的應用前景。鋼管混凝土復合材料已經越來越受到人們的關注和重視，隨著理論的不斷完善和實踐的檢驗，相信鋼管混凝土的應用將成為現在工程中不可或缺的一部分。

2 鋼管混凝土優勢［2］

（1）鋼管混凝土組合材料在復合作用下形成緊箍作用，使得混凝土的強度和韌性大大提高，混凝土的破壞形式從脆性破壞到塑性破壞，克服了混凝土最致命的弱點—脆性大、韌性差。

（2）混凝土完全處于鋼管的封閉狀態之中，外界侵蝕介質（如對混凝土耐久性有較大影響的硫酸根離子和氯離子）被隔絕，無法與混凝土發生反應，混凝土壽命大大提高，從而克服了混凝土另一致命弱點—耐久性問題。

（3）高承載力：混凝土被約束在鋼管內，其受力方式發生了變化，從單向受壓變為三向受壓，大大提高了混凝土的抗壓強度，同時大大降低了鋼管局部變形的可能性。由此可見，這種組合結構克服了混凝土、鋼材二者的不足，達到優異的復合效果。

（4）高經濟性。與純鋼拱橋、斜拉橋、懸索橋等橋型相比，鋼管混凝土相對成本較低，如某工程采用分幅式鋼管混凝土疊合柱結構，一個高墩節省1500 萬元。

3 鋼管混凝土澆筑方法及性能要求

鋼管混凝土常用三種澆筑方法：人工逐段澆搗法、高位拋落免振搗法、泵送頂升法；而泵送頂升法是三種方法中最常用的，由于采用此法一次澆筑混凝土的量大，施工難度和技術要求相對其它工程要高，這對鋼管混凝土的配制、性能提出了嚴格的要求。

混凝土除了要滿足設計的各項力學性能要求，還應具備必需的工作性能：高流動性、低坍落度損失（初始坍落度應控制在20cm 以上，3h 坍落度損失≯3cm，混凝土泵送完畢后還具備一定的流動性，坍落度＞12cm）、擴展度在55～66cm 之間、免振搗自密實、粘聚保水性好、低水化熱、微膨脹、延后初凝和早強等［3］。

4 鋼管混凝土配制

（1）水泥：

在鋼管混凝土當中，主要使用普通硅酸鹽水泥。

水泥細度不能太高，否則會造成混凝土坍落度損失增大。部分廠家水泥煅燒質量不好，則一味地將水泥磨細，這易造成吸附大量外加劑，收縮增大。

水泥存放時間過短容易造成坍落度損失加大。水泥存放時間長后，表面吸附空氣、水分等造成表面活化能下降，吸附減水劑的能力下降，從而更好地發揮出減水劑的作用。

做橋梁考慮經濟性，建設單位一般不會同意用成本相對較高的中熱或低熱水泥，所以一般采用P·O42.5 的水泥，然后調整礦物摻合料使用和優化減水保塑劑性能。

（2）礦物摻合料：

混凝土中摻入礦物摻合料可以起到節省成本、改善新拌混凝土的工作性能的作用，更重要的是它們的摻入大大延長了混凝土的使用壽命，大大提高了混凝土的耐久性。

在鋼管混凝土中應用較多的礦物摻合料是粉煤灰，但隨著煤的漲價，粉煤灰的質量下降、數量下降和價格開始上漲，現階段一些地方的粉煤灰價格甚至與水泥的價格相當，此時可以考慮用一些磨細礦渣粉。當對混凝土的抗壓強度要求比較高如C80 時，還需加入一定量的硅灰。

一般來說，粉煤灰的加入會降低混凝土的早期強度，已施工完畢的拱肋鋼管一般要求混凝土在3d 內的抗壓強度達到設計強度的80%以上，只有這樣，才能進行下一根鋼管的灌注同時縮短施工時間。所以一般在鋼管混凝土的配合比中應盡量降低粉煤灰的比例（以12%～15%居多），抗壓強度要求越高的混凝土，就必須用越優質的粉煤灰，另外使用前應檢測粉煤灰的品質指標。

（3）高效減水保塑劑［2-4］：

選擇原則是減水率高、保塑性好、引氣量低（≤2.5%）、不易造成泌水和離析、與水泥的相容性好。

萘系減水劑減水率雖高，但引氣量非常大且混凝土粘聚性不如聚羧酸系減水劑的好；氨基磺酸鹽系減水劑減水率高，保塑性好，但混凝土粘聚性不太好，容易造成離析、泌水，因此氨基磺酸鹽減水劑不能單獨使用，需要與萘系減水劑、葡萄糖酸鈉復合使用。一般比例為（80%FDN＋10%N+5%葡萄糖酸鈉）

用聚羧酸系減水劑、緩凝保塑成分、消泡成分（如有機硅、磷酸三丁酯，摻入量約為4～5‰）復合也是一種比較好的選擇，因此應根據具體情況選擇何種減水保塑劑。

（4）膨脹劑：

膨脹劑的選擇至關重要，它關系到鋼管與混凝土之間粘結的效果，對鋼管混凝土的承載力乃至整個工程的安全有重大影響。

具體選擇的選擇是：膨脹與強度協調發展、膨脹能大、膨脹穩定期長、膨脹性能可控和可持續膨脹。現在一般采用復合膨脹劑來實現上述功能，膨脹劑的摻入量約為10%左右最為合適。

（5）集料：

細集料：一般采用中砂，不用細砂和特細砂，其含泥量和泥塊盡可能低（＜1%），砂要具有良好的顆粒級配和一定的硬度。

粗集料：采用連續級配，最大粒徑控制在25mm 以內，對于C60 以上的混凝土宜小于20mm，其中的針片狀含量應較低（＜10%），保證壓碎值Qa ＜10%。

（6）拌合水：

不得使用海水、被酸堿溶液侵蝕的水、工業廢水和城市地下水等已被嚴重污染的水，其它水作為混凝土拌合水基本沒問題。

5 鋼管混凝土的施工（以鋼管混凝土拱橋為例）［5］

鋼管混凝土施工中最重要的兩個環節是混凝土的灌注和拱橋的合龍。其中混凝土的灌注對混凝土的工作性能提出了比較嚴格的要求。

工程上為了降低砂石的溫度，需用冷卻水沖洗，但資歷經驗尚淺的年青人員，最好不用用水沖洗砂石，因為含水率變化太大，不易控制，容易對混凝土工作性能造成影響。白天可以對砂石遮陽，當晚上施工時，將表面一層砂石推掉，取內部砂石進行混凝土的配制。

一般為保證灌注工作順利進行，不會出現堵管等故障，施工選在后半夜進行，此時是一天中溫度最低的時候，各種原材料溫度也降至和大氣溫度相當，這時進行混凝土的灌注最合適。

5.1 安裝進料管和排漿管

首先在鋼管底部兩拱腳處各開一個灌注孔，鋼管頂部開設兩個排漿孔（規格直徑為200 或150mm，壁厚一般為15mm 不超過22mm），在排漿孔上焊接鋼管（長約為1000mm），在灌注孔處加固焊接一段端口朝外的泵管，泵管另一段切一斜口，插入鋼管內，但插入深度不能超過鋼管中心線，泵管與鋼管中心線的夾角為30°～45°，應保證泵管的方向朝上，絕對不能朝向下方。為了防止混凝土回流，應在進料管處設一回流閥。

5.2 布置泵管

盡量少采用彎管和軟管，與進料管相連的第一節為直管。要設置足夠的支點、懸掛點，將泵管定牢，避免灌注過程中發生晃動。

5.3 灌注清水和砂漿

往鋼管中先灌入約0.3～0.5m3再灌入約1m3砂漿用于潤滑鋼管內壁、減少泵送阻力，砂漿的配合比和去除粗骨料的混凝土配合比一致。

5.4 泵送混凝土

當混凝土灌注滿時，發現排漿孔開始排漿，此時繼續泵送混凝土，直到排出約1m3混凝土，可通過觀察落入水中的物體形成的波紋來判斷此時排出的是砂漿還是混凝土。然后，每隔3～5min 開動泵機一次，總共開動3～5 次，盡可能排除混凝土中的氣體，將其含量降至2.5%以下，避免產生脫空現象，然后堵塞灌注孔和排漿孔。

5.5 混凝土質量檢測

混凝土泵送完成3 個月左右后，應對混凝土與鋼管壁粘結情況進行檢測，檢查是否有脫空現象，尤其是鋼管頂部和法蘭盤處易產生脫空的部位，一般采用三種方法檢測：錘擊敲打、鉆孔取樣、超聲波無損檢查。幾種方法可結合使用。

若發現某處有脫空現象，應鉆孔壓進環氧樹脂水泥漿，用此方法來填補空隙，完成后封堵鉆孔，待壓漿材料硬化后，再用超聲波檢測脫空區域是否密實，若仍未密實，應繼續壓漿。

6 結語

鋼管混凝土作為一種復合材料，充分發揮了鋼管、混凝土兩者的優勢同時克服了兩者的不足，達到了疊加效果，我們從原材料的選擇、混凝土的施工等方面不斷優化混凝土的性能，使其在重大工程中能夠得到更廣泛的應用。