C50自密實微膨脹混凝土在S377鋼管拱橋上的探索

雷玲香，李玉梅

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 項目概況

北江(曲江烏石至三水河口)航道擴能升級工程省道S377特大橋位于廣東清遠清城區境內，是廣東省內在建的單孔跨度最大的鋼管混凝土拱橋，主橋主拱跨度160 m。拱肋為鋼管混凝土組成的桁架梁結構，截面高3.2 m，肋寬1.95 m。拱肋上、下各兩根750×14(16) mm鋼弦管，管內灌C50自密實補償收縮混凝土。弦管通過橫聯鋼管(500×12 mm)和豎向鋼腹管(351×10 mm)連接構成鋼管混凝土桁架梁。

2 C50混凝土初始配合比設計

初始配合比設計主要依據單位用水量、水膠比和砂率三個基本參數進行。根據《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283-2012)[1]和《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)[2]得到初始配比，見表1。

表1 實驗室混凝土初始配合比 單位：kg·m-3

根據初始配合比制備混凝土，其工作性能和力學強度見表2。

表2 C50混凝土實驗室初始配合比的工作性能和力學強度

從表2可以看出，C50鋼管混凝土初始流動狀態良好，齡期強度等級達標，但3 h后混凝土的坍損較大，說明混凝土的自密實性能和保塑性能均需得到進一步的提升，確保鋼管混凝土易于泵送灌注。需要適當調整膠凝材料用量、礦物摻和料、水膠比、砂率等參數，從而滿足C50鋼管自密實混凝土施工要求。

3 C50自密實鋼管混凝土的力學性能和工作性能的優化設計

S377特大橋C50鋼管混凝土為免振搗自密實混凝土，泵送頂升灌注時不需搗固而密實，因此，要求混凝土在頂升灌注過程中保持良好的塑性，在施工完畢前，混凝土不能初凝，具有不離析、不泌水、和易性好、粘聚性好、自密實免振搗特性。

3.1 水膠比對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

控制膠凝材料用量為530 kg/m3，減水劑量為1.8%，砂率為40%，研究了0.28、0.29、0.3、0.31、0.32五種水膠比對C50混凝土的工作性能和強度的影響。試驗結果見圖1。

由圖1可知：混凝土的坍落度和擴展度與水膠比呈正效應，但隨水膠比增加，坍擴度增加量減少；7、28 d抗壓強度值隨水膠比的增大，先增大后明顯降低。

圖1 水膠比對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

在控制砂率、膠材等參數恒定的情況下，水膠比增加，其用水量增加，混凝土流動性越好；但同時膠凝材料減少，從圖1可看出后期強度有明顯降低；當水膠比=0.31時，混凝土會離析，碎石出現包裹性問題；當水膠比=0.32時，離析現象更嚴重，混凝土中因水占據的空間體積變大，降低了混凝土的粘聚性，包裹性變差。

當水膠比增大，單位用水量越多，超過水泥水化的多余水分也就越多，；當水膠比=0.31時，水分在水泥硬化后蒸發，在水泥-石集料結構的界面過度區形成大量的孔隙；同時由于離析泌水作用，混凝土膠凝作用降低，導致混凝土的密實度變差，強度變低。

綜合水膠比對混凝土工作性能和強度的影響，選擇水膠比為0.3，混凝土的工作性能好，強度等級也可以達到要求。

3.2 膠凝材料用量對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

控制砂率為40%，減水劑量為1.8%，水膠比為0.3。需適當增加膠凝材料用量來增加混凝土強度，故研究了膠凝材料用量分別為530、540、550、560 kg/m3對C50混凝土的強度和工作性能的影響，試驗結果見圖2。

圖2 膠凝材料對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

由圖2可知，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的坍落度和擴展度基本呈現增加的趨勢，適量的漿體量能很好地包裹骨料，起到潤滑作用，使混凝土流動度大；漿體量過大，可造成混凝土離析泌水，包裹性和密實性能變差。膠材變多使其膠凝作用變強，混凝土粘度增大，抗離析性能變好，碎石包裹性變好，但會造成混凝土泵送壓力大、泵送效率低，甚至造成堵管。膠材增加也會帶來水化熱高、收縮大等不良影響。

同時增大膠凝材料用量可使混凝土膠凝作用增強，有利于密實成型和混凝土各個齡期的強度增長。膠凝用量為540 kg/m3可能由于試驗中碎石含有較多石粉和小粒徑石頭，吸附水泥漿體，造成新拌混凝土坍擴度增長量小，強度損失大。因此，經過試驗和對數據的分析，膠凝材料的用量應該在滿足C50鋼管混凝土強度等級富裕系數要求下選擇一個適當的值，考慮膠凝材料用量帶來的成本問題，選擇膠凝材料用量為550 kg/m3。

3.3 集料級配對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

將碎石分為5～10 mm和10～25 mm兩個級配，研究了5～10 mm碎石占總碎石量的百分比為10%、15%、20%、25%四種不同比率對混凝土的工作性能和強度的影響。控制膠凝材料用量為550 kg/m3，減水劑量為1.8%，水膠比為0.3進行混凝土試拌。試驗結果見圖3～4。

由圖3～4可知：鋼管混凝土碎石采用粒徑在5～25 mm的粗集料，通過碎石篩分試驗可粗略地分為5～10、10～25 mm兩個級配，考慮新拌混凝土要求，認為5～10 mm占20%，10～25 mm占80%且>25 mm的碎石較少可很好滿足工作性能要求，且對混凝土強度影響不大。較少中間粒徑容易出現流漿離析，包裹性差等影響混凝土密實性、工作性能和降低混凝土強度的現象。并且5～10 mm占10%和25%容易出現離析或扒底現象。

圖3 集料級配對鋼管混凝土工作性能的影響

圖4 集料級配對鋼管混凝土強度的影響

綜合考慮碎石采用20%左右5～10 mm和80%左右10～25 mm雙級配石子時，混凝土力學等級符合要求，2 h坍落度擴展度損失最低，混凝土中砂、碎石與水泥能形成較密實的堆積。

3.4 膨脹劑對鋼管混凝土工作性能及強度的影響

膨脹劑可以直接摻加或等質量取代水泥。一般說來等量取代(內摻法)可節約水泥、降低水化熱，但會降低強度。直接摻加(外摻法)導致膠凝材料用量增多，當用水量、砂率等其他條件未能相應變化時，則會大大降低混凝土的工作性能。

本試驗控制膠凝材料用量550 kg/m3、水膠比0.3、砂率40%，研究不同摻量膨脹劑對強度和工作性能的影響，可知：混凝土強度隨著膨脹劑摻量的增加基本保持穩定。對比發現，隨著膨脹劑摻量的提高，混凝土早期強度會略有降低，但對其后期強度的發展基本不造成影響。但與含量0%對比，摻入了膨脹劑的混凝土齡期強度等級都有不同程度的降低。因為膨脹劑替換等質量水泥，膠凝作用減弱，膨脹劑中含有的CaSO4和CaO與水泥等其他膠凝材料水化相互競爭，影響水泥水化。水化早期，膨脹劑形成適量的Aft填充到混凝土孔縫中，改善了截面結構和密實度；水化后期，CaSO4和Ca(OH)2不斷消耗，水化放緩，水泥的強度和膨脹協調發展。隨著水化的進行，膨脹劑中的CaSO4與水反應生成大量的Aft填充到水泥-石空隙中，并與水泥水化生成的C-S-H凝膠相互交織，同時由于內摻導致膠材減少，混凝土的后期強度基本保持不變或略有降低。

綜合考慮膨脹劑摻量應取45 kg/m3(D3#)為宜(約占膠凝材料8.1%)。

4 結束語

本研究成果在S377特大拱橋得到了成功應用。工程應用表明：C50自密實微膨脹鋼管混凝土具有良好的自密實性能和力學性能，核心混凝土與鋼管緊密粘結，無脫空現象。本技術的應用大大縮短了施工工期，取得了顯著的社會和經濟效益。

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