鋼管高性能混凝土在橋梁中的應用

俞 英

(福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008)

1 研究目的

當今工程結構向著高聳、 大跨度發展， 對材料的強度、耐久性等要求越來越高。由于鋼管混凝土結構具有承載力高、 受壓延性好、 抗震性能佳及經濟效益顯著等優點，符合工程結構發展要求，在土木工程行業具有良好的應用前景[1-2]。 鋼管混凝土結構是由混凝土內填入鋼管而組成的一種組合結構， 當沿鋼管混凝土結構施加軸向荷載時， 鋼管和混凝土同時受荷， 核心混凝土受到鋼管約束，處于三向受力狀態，使材料充分發揮各自優勢。 由于受到混凝土材料強度較低的限制， 鋼管混凝土結構的尺寸往往也做得很大，不利于結構的抗震。 在高層建筑中，由于鋼管混凝土結構的截面做得過大， 影響內部空間的使用； 在承載力要求高的橋梁中， 則縮小橋梁下方的空間，使通行受到極大限制。 而高性能混凝土具有強度高、耐久性好等優勢，將其替代管內強度較低的普通混凝土，組合成新的鋼管高性能混凝土結構。 鋼管高性能混凝土結構既能滿足承載力高、抗震性能好等要求，也能在承載力要求不變條件下，減小其截面尺寸，節省建筑材料的應用[3-4]，符合綠色、節能減排的環保觀念，使橋梁下方的通行更為順暢、建筑內部使用空間更靈活。 目前，一些大型橋梁中已采用鋼管高性能混凝土結構來建造橋墩和拱肋等受力部位， 表1 為應用鋼管高性能混凝土結構所建造的橋梁統計。

目前高性能混凝土研究較為成熟， 但由于實際施工過程中受工程的建設地域、 原材料來源及工程建設要求的不同導致拌制的高性能混凝土性能各有差異。因此，在現場需要進行配合比試驗及檢測其和易性等方面性能，評估實際所澆筑的高性能混凝土是否滿足工程要求。 本文基于實際工程進行這些方面的研究， 討論配合比試驗過程中的問題和管內高性能混凝土實際澆筑過程中的施工技術指標，保證施工過程各項指標均達標，為今后采用鋼管高性能混凝土結構的建設工程施工提供參考。

表1 應用鋼管高性能混凝土結構所建造的橋梁統計

2 研究實例

本文以四川某特大橋為工程背景， 進行C80 高性能混凝土配合比的選擇和施工過程中混凝土澆筑問題的研究。此橋位于四川省雅安經石棉至滬沽高速公路段，全橋長1142 m，設計車速為80 km/h，主橋寬24.5 m，其主跨為四跨連續變截面剛構橋，主橋長105+2×200+105=610 m。圖1 為大橋建成后的示意圖。 橋墩采用鋼管混凝土疊合柱結構， 鋼管混凝土疊合柱的柱肢為直徑610～1420 mm的鋼管，管內灌注C60 或C80 高性能混凝土，鋼管混凝土柱間用型鋼進行連接。 鋼管混凝土柱外包層鋼筋混凝土厚度為20 cm，腹板厚度為50 cm 的鋼筋混凝土，都采用C30 混凝土。 本次僅對等級為C80 高性能混凝土進行配合比研究，并對其施工過程進行闡述。圖2 為大橋墩柱的截面尺寸示意圖。

圖1 某橋建成后

圖2 邊跨墩柱尺寸示意圖(單位：cm)

3 研究內容

根據文獻《混凝土配合比設計規范》(CJGJ 55-2011)、《普通混凝土混合物的性能測試標準》(CGB / T 50080-2002)、《普通混凝土力學性能測試方法標準》(CGB /T50081-2002)、《常規混凝土的長期性能和耐久性的測試方法》(CGBJ 82-85)[5-8]的相關要求，對C80 高性能混凝土的成分進行測量和分析研究。

3.1 水泥

本配合比擬采用的普通硅酸鹽水泥質量必須符合《通用硅酸鹽水泥標準》(GB175)[9]， 施工要求還規定對于C40 以上標號的混凝土要求采用當地大廠生產的水泥，以保證品質。 所以水泥采用福建煉石牌水泥， 其中，P.O 42.5R 水泥化學成分如表2 所示，P.O 42.5R 水泥性能指標如表3 所示。

表2 P.O 42.5R 水泥化學成分

表3 P.O 42.5R 水泥性能指標

3.2 骨料

施工要求粗骨料必須采用軋制碎石， 細骨料為中粗砂，不得采用細砂。 配合比所用碎石由卵石破碎而成，5～20 mm 連續級配，壓碎值10.8%，針片狀含量10.5%。測得其粗骨料的飽和面干密度為2720 kg/m3， 吸水率為0.70%。中粗砂采用河砂，細度模數為2.78，測得其飽和面密度為2670 kg/m3，飽和面干吸水率1.45%，含泥量0.3%。

3.3 粉煤灰、硅灰

粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，需水量比為92%，其品質指標檢測結果如表4 所示。

表4 粉煤灰品質檢測指標

硅灰采用武漢鋼鐵公司生產的硅灰，其中SiO2含量達94.6%，比表面積為20000 m2/kg。

3.4 外加劑

本配合比所需外加劑為高效減水劑， 減水劑是深圳市蒼銳實業有限公司聚羧酸系高效減水劑， 減水率為30%。 加入高效減水劑可以降低混凝土中的堿含量和膠凝材料，保持混凝土良好的流動性。

4 結果與討論

4.1 核心高性能混凝土配合比

根據上節對高性能混凝土原材料的選取，結合《混凝土配合比設計規范》(CJGJ 55-2011)[5]，得出高性能混凝土配合比及相關檢測結果。 核心高性能混凝土等級為C80的配合比如表5 所示。

4.2 高性能混凝土測試性能

本試驗試件采用上述不同水膠比的C80 高性能混凝土配合比， 制作兩組試件試驗， 兩組試件的養護環境相同，養護完成后對試件分別進行物理力學性能、新拌工作性能和體積變形性能的測試，測試結果如表6～8 所示。

表5 C80 核心高性能混凝土配合比

表6 C80 核心高性能混凝土物理力學性能測試結果

表7 C80 核心高性能混凝土新拌工作性能測試結果

表8 C80 核心高性能混凝土體積變形性能

由測試結果可以得出， 配合比中水膠比為0.26 時，C80 核心高性能混凝土的抗壓強度較大， 齡期在28 d時，達到97.6 MPa 的強度， 大于水膠比為0.3 測試組的高性能混凝土抗壓強度，另外兩組試件的彈性模量差別不大。C80 高性能混凝土的新拌工作性能從坍落度和擴展度兩個指標體現， 水膠比為0.26 的測試組兩項指標較為穩定，0 h 和1 h 測得結果相差不大，而水膠比為0.30 的測試組波動稍大。 從C80 核心高性能混凝土體積變形性能分析，1～28 d 的齡期范圍內，水膠比為0.26 的限制膨脹率少稍小于水膠比為0.30 的限制膨脹率， 兩者差別不顯著。綜上測試結果分析，選定水膠比為0.26 的配合比作為管內C80 核心高性能混凝土的配合比較為合適， 更能滿足實際施工中對于高性能混凝土強度和流動性的要求。

5 實際工程應用

上節選用的C80 高性能混凝土配合比可以作為在實際施工中所采用的高性能混凝土配合比。 由于此橋為特大橋，主跨橋長達610 m，為大體積混凝土結構，墩柱截面尺寸較大，橋墩最高達180 m，施工復雜，技術要求高，尤其對高性能混凝土各項指標的檢測，如彈性模量、抗壓強度、抗拉強度，還有高性能混凝土收縮性和水化熱等方面，以此為施工控制依據，進行施工監測。 故施工前需要在現場進行配合比試驗， 確保施工過程和投入使用后保持正常。對于澆筑過程，高性能混凝土是否充滿整個鋼管內部，其均勻和密實的狀態，都將影響鋼管高性能混凝土結構的抗壓能力，影響到整座橋的安全使用。因此鋼管內灌注高性能混凝土是該橋關鍵技術， 必須配制一種流動性好、易于澆筑的高性能混凝土，即滿足設計要求，其強度等級達到C80 及以上能夠自流密實， 緩凝(初凝時間8～12 h)，高性能混凝土內部的空氣含量低，早強(3 d 達到設計強度的80%)，并且有補償收縮性。 對于硬化過程，鋼管高性能混凝土結構中的高性能混凝土水化階段的水化熱都是先持續上升達到峰值， 接著急劇下降直至趨于室內大氣溫度， 與普通混凝土構件水化階段的水化熱過程具有類似的變化規律。

鋼管混凝土疊合柱橋墩所有的鋼構件都采用工廠加工完畢、在現場預組拼裝而成。完成后方可進行澆筑高性能混凝土工作。 在正式澆筑前，需做1 次澆筑模擬試驗，主要以流動性和強度作為指標評估高性能混凝土的性能，以保證澆筑時的各項指標值正常。將擬采用的高性能混凝土配合比進行高性能混凝土的制作， 并將制作好的高性能混凝土分別在15 m、8 m 高度處通過圓柱形料斗快速灌入鋼管內成型。 在灌入過程中由于高性能混凝土的自重和沖擊力存在，使得高性能混凝土在一定程度上被壓實， 在已灌入鋼管內的高性能混凝土加以低頻振搗。 現場在同一批次制作的高性能混凝土中，取出部分高性能混凝土來測量其相關性能，其中，坍落度的數值為260 mm(＞200 mm)，擴散度的數值為680 mm，擴散時間為8 s；同時，測得環境溫度為29℃、含氣量1.1%，各項指標均較為正常。高性能混凝土澆筑完成后，其未出現離析、大面積蜂窩等現象；在其初凝后，進行現場鉆芯取樣，并檢測高性能混凝土試塊的各項力學性能指標， 所對應的試件抗壓強度達到94.5 MPa，滿足力學性能要求。另外還有一些重要指標要求，本文不再一一列舉。

6 結語

鋼管高性能混凝土結構在軸向力作用下， 高性能混凝土和鋼管同時受力，共同發揮各自的材料優勢。 因此，使用高性能混凝土替代管內普通混凝土可有效解決工程中承載力高、截面過大的問題，而實際工程中，由于工程的結構承載力要求過高，以至于結構體積大、組合程度復雜，對高性能混凝土的配合比及其施工工藝有一定要求[10-11]。 在實際施工過程中，要現場進行配合比試驗及高性能混凝土的各項施工指標檢測，保證施工質量，減少高性能混凝土澆筑后出現各種缺陷。同時，建立有效的施工監控體系、方法，來完善鋼管高性能混凝土結構的施工流程和工藝。