鋼管拱內(nèi)補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)研究

郭晨緋 王君實(shí)

(中鐵三局建安公司試驗(yàn)中心，山西 太原 030006)

1 概述

新建太原至焦作客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路跨既有榆太市政道路簡(jiǎn)支鋼管拱特大橋工程位于山西省晉中市(見(jiàn)圖1)，主拱拱跨1-128 m，系簡(jiǎn)支鋼管拱結(jié)構(gòu)，由上拱、下拱、聯(lián)接腹板及聯(lián)接系桿組成，上、下拱內(nèi)徑均為1 200 mm，腹板厚度為500 mm，管內(nèi)采用C55補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土，本課題對(duì)補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，為施工生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2 原材料

1)水泥。

采用太原山水水泥有限公司P.O42.5，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥試驗(yàn)結(jié)果

2)礦渣粉。

產(chǎn)地山西太鋼不銹鋼股份有限公司，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)TB 10424—2010鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的S95粒化高爐礦渣粉，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦渣粉試驗(yàn)結(jié)果

3)膨脹劑。

產(chǎn)地山西康特爾精細(xì)化工有限責(zé)任公司，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23439—2009混凝土膨脹劑硫鋁酸鈣型Ⅰ型，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 膨脹劑試驗(yàn)結(jié)果

4)高性能減水劑。

產(chǎn)地為山西康特爾精細(xì)化工有限責(zé)任公司，見(jiàn)表4。

表4 高性能減水劑試驗(yàn)結(jié)果

5)細(xì)骨料。

產(chǎn)地河北省靈壽縣云盛建材有限公司，天然河砂，如表5所示。

表5 細(xì)骨料試驗(yàn)結(jié)果

6)粗骨料。

產(chǎn)地和順縣恒遠(yuǎn)石料廠(chǎng)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中配制C50及以上，為確保連續(xù)級(jí)配，用5 mm～10 mm∶10 mm～20 mm=3∶7復(fù)配為二級(jí)配，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 粗骨料試驗(yàn)結(jié)果

3 預(yù)期目標(biāo)

1)力學(xué)指標(biāo)。

制配強(qiáng)度：fcuk=55+1.645×6=64.9 MPa(標(biāo)準(zhǔn)差選6 MPa)；彈性模量：E≥35 GPa(28 d)。

2)長(zhǎng)期性和耐久性指標(biāo)。

限制膨脹率：ε>0.015%(水中14 d)；含氣量:A=2%～3%；電通量:Q≤1 200 C/6 h。

3)工作性指標(biāo)。

a.坍落度H0=220 mm～260 mm，H120無(wú)損失，H300≤180 mm；擴(kuò)展度L0=500 mm～650 mm。

b.自密實(shí)性能：擴(kuò)展時(shí)間：T500=5 s～9 s；J環(huán)擴(kuò)展度差：Lj≤25 mm；V型漏斗試驗(yàn)：流出時(shí)間不大于6 s；U型箱試驗(yàn)：填充高度差：≥25 mm。

4 配合比設(shè)計(jì)

1)無(wú)論是收縮補(bǔ)償性能還是自密實(shí)性能，都以材料的合理選擇及良好的配合比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。根據(jù)JGJ/T 283—2012的建議，配合比設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)、理論設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)三個(gè)階段，基準(zhǔn)配合比確定后發(fā)送項(xiàng)目部，由項(xiàng)目部進(jìn)行試生產(chǎn)攪拌，以驗(yàn)證混凝土形態(tài)，不經(jīng)生產(chǎn)性驗(yàn)證不得正式施工。

2)配合比設(shè)計(jì)各參數(shù)的選擇參照J(rèn)GJ 55—2011中的建議，砂、石料的每立方米用量使用質(zhì)量法，實(shí)踐表明質(zhì)量法運(yùn)用得當(dāng)完全滿(mǎn)足使用要求，膠凝材料的總量參照J(rèn)GJ/T 283—2012和TB 10424—2018兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上限的規(guī)定(分別為550 kg/m3和600 kg/m3)并根據(jù)優(yōu)先保證流動(dòng)性和密實(shí)性的原則確定為600 kg/m3，經(jīng)理論計(jì)算并結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)，混凝土理論配合比見(jiàn)表7。

表7 混凝土理論配合比 kg/m3

配合比的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表8。

表8 配合比主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

3)理論配合比經(jīng)試拌，各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 配合比拌合物、力學(xué)、耐久性實(shí)測(cè)結(jié)果

拌合物出機(jī)形態(tài)見(jiàn)圖2，可以發(fā)現(xiàn)混凝土出機(jī)后呈自流平狀，和易性良好，不沾鍬；圖3是混凝土J環(huán)試驗(yàn)，可見(jiàn)拌合物流經(jīng)J環(huán)較為順暢，擴(kuò)展度無(wú)大的變化。

4)配合比穩(wěn)定性驗(yàn)證。

為保證配合比的穩(wěn)定性，避免現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)性能出現(xiàn)較大波動(dòng)，我們將減水劑減掉20%，再進(jìn)行試拌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除坍落度減小外，混凝土形態(tài)仍較好，說(shuō)明配合比參數(shù)選擇合理，見(jiàn)圖4。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用大坍落度混凝土?xí)r拌合物狀態(tài)會(huì)時(shí)好時(shí)壞，外界條件稍一變化混凝土就出現(xiàn)泌水、離析等現(xiàn)象，無(wú)法正常施工，稱(chēng)之為“邊界混凝土”，為此我們建議在試配時(shí)，可以先減掉20%左右的減水劑，如果混凝土除了坍落度明顯變小外其他性能仍保持基本不變(不分散，不離析，均勻下沉)，說(shuō)明配合比穩(wěn)定性較好，這個(gè)方法可以作為驗(yàn)證配合比合理性的一個(gè)參考方法。

5)有害物質(zhì)含量計(jì)算。

按照折固及折減規(guī)則，經(jīng)計(jì)算，堿含量為2.81 kg/m3(限值不大于3 kg/m3)，氯離子為0.032%(限值不大于0.10%)，三氧化硫?yàn)?.19%(限值不大于4%)，含量均不超過(guò)鐵路驗(yàn)標(biāo)的規(guī)定。

5 施工情況

1)現(xiàn)場(chǎng)情況。

理論配合比設(shè)計(jì)完成后，中心試驗(yàn)室將配合比發(fā)送項(xiàng)目部試驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)，結(jié)果復(fù)現(xiàn)性良好；隨后攪拌站進(jìn)行了試攪拌，觀(guān)察可知混凝土形態(tài)良好。隨后鋼管拱于2019年11月澆筑混凝土，現(xiàn)場(chǎng)自設(shè)攪拌站，原材料材質(zhì)、配合比進(jìn)行了嚴(yán)格控制，上拱、下拱、中間腹板分開(kāi)澆筑，中間各間隔7 d，采用拱腳頂推法，主拱(包括腹板)共澆筑混凝土834 m3，每次澆筑歷經(jīng)4 h。經(jīng)對(duì)出機(jī)、入泵及拱頂開(kāi)窗處混凝土狀態(tài)仔細(xì)進(jìn)行觀(guān)察可知，混凝土形態(tài)良好，呈自流平狀態(tài)，無(wú)離析、泌水、過(guò)大氣泡等情況，混凝土流動(dòng)性保持3 h基本不衰減、5 h可泵送的要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如表10所示。

表10 現(xiàn)場(chǎng)混凝土工作性測(cè)試結(jié)果

2)脫粘控制。

a.過(guò)程控制：控制好配合比、泵機(jī)壓力及灌注的連續(xù)性，保證混凝土具有最優(yōu)的和易性是保證管內(nèi)混凝土不脫粘的前提。在混凝土澆筑過(guò)程中，每澆筑一段，施工人員用手錘敲擊鋼管壁，如聽(tīng)到明顯的鋼管和混凝土脫離的回聲，則立即通知施工人員采取措施，主要有：調(diào)整泵送壓力、微調(diào)混凝土外加劑(改善壓力泌水率)、改善管壁排氣窗的位置及大小等。

b.檢測(cè)及注漿：當(dāng)澆筑達(dá)到14 d以后，專(zhuān)職質(zhì)檢人員逐節(jié)使用敲擊法檢測(cè)混凝土脫粘情況，當(dāng)脫粘范圍超過(guò)2 m或脫粘厚度大于3 mm時(shí)，采取了真空注漿法給予處理，本工程發(fā)現(xiàn)符合處理?xiàng)l件的部位4處，均通過(guò)真空注漿法處理，經(jīng)再次檢測(cè)未出現(xiàn)脫粘情況。

6 結(jié)論

1)無(wú)論是補(bǔ)償收縮還是自密實(shí)，都必須以配合比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，同時(shí)原材料做到嚴(yán)格控制，骨料粒形必須合格，細(xì)骨料0.315 mm以下細(xì)粉粒不能太少，砂率亦取稍大，總膠結(jié)料不宜過(guò)小，水膠比宜小，膨脹劑限制膨脹率必須合格，做好了這些用常規(guī)方法配制補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土是有保證的。

2)為驗(yàn)證配合比的穩(wěn)定性，在理論配合比完成后，可以減掉20%左右的減水劑再進(jìn)行試配，如發(fā)現(xiàn)除坍落度變小外，混凝土形態(tài)仍較好則可以判定混凝土的穩(wěn)定性較好，反之則應(yīng)重新調(diào)整配合比有關(guān)參數(shù)。

3)機(jī)制砂棱角多，級(jí)配較難控制，混凝土流動(dòng)性差，不建議在鋼管混凝土中使用，可否摻配一定比例的河砂使用應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試灌注，否則不宜貿(mào)然使用，今后機(jī)制砂應(yīng)在生產(chǎn)裝備、粒形控制、加工工藝方面有所突破，否則單靠施工技術(shù)及配合比設(shè)計(jì)很難達(dá)到預(yù)期效果。

4)為保證混凝土不出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，除了使用收縮補(bǔ)償混凝土外，混凝土拌合物的和易性至關(guān)重要，膨脹劑的限制膨脹率試驗(yàn)必須做，確保混凝土在縱向限制條件下具備微膨脹及補(bǔ)償收縮的能力，保證不出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。