C50 鋼管拱自密實(shí)微膨脹混凝土設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉小魯 于 方

（1 中交第四航務(wù)工程局有限公司)

（2 中交四航工程研究院有限公司；水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

鋼管內(nèi)填充普通振搗混凝土或者自密實(shí)混凝土是較常規(guī)和成熟的施工手段，其目的是采用鋼管為外模板，取消額外支取模板。采用此種施工工藝，可以利用鋼管內(nèi)混凝土的高抗壓性能和外部鋼管的環(huán)箍協(xié)同效應(yīng)，以提高結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。目前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鋼管混凝土的填充方式也因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同而有所差異。例如，橋梁下部墩身結(jié)構(gòu)可以采用普通大坍落度混凝土加振搗的方式進(jìn)行填充；地下樁基結(jié)構(gòu)可以采用普通混凝土加振搗或自密實(shí)混凝土自流平的方式進(jìn)行填充；而鋼管拱橋等某些特殊結(jié)構(gòu)則只能采用自密實(shí)混凝土自流平加頂升施工工藝的方式進(jìn)行填充[1-3]。

國(guó)內(nèi)外已有大量的關(guān)于自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用的文獻(xiàn)，且自密實(shí)混凝土已有大量的工程應(yīng)用案例[4-6]。而關(guān)于C50 鋼管拱自密實(shí)微膨脹混凝土，國(guó)內(nèi)的混凝土配合比設(shè)計(jì)、配制及應(yīng)用技術(shù)還不完全成熟，大多數(shù)還依照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)施。主要問(wèn)題在于以下幾個(gè)方面。首先，混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到了C50，膠凝材料用量高達(dá)550kg/m3，混凝土水化熱溫升較高；其次，混凝土砂率較大，通常達(dá)到了50%及以上，粗骨料用量較少、骨料最大粒徑較小，混凝土后期容易因較大的收縮而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和耐久性的降低；最后，采用連續(xù)泵送頂升工藝，需要制定周密的施工方案，以保證混凝土頂升灌注過(guò)程的對(duì)稱和連續(xù)[7-10]。此外，采用鋼管拱頂升工藝的自密實(shí)混凝土性能與常規(guī)自密實(shí)混凝土的性能還存在一定的差異，采用鋼管拱頂升工藝的自密實(shí)混凝土的工作性能要求更高。

本文以某特大鋼管拱橋自密實(shí)微膨脹混凝土的配制和應(yīng)用為例，介紹了C50 鋼管拱自密實(shí)微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)、性能測(cè)試以及工程應(yīng)用情況，總結(jié)了相關(guān)工藝控制要點(diǎn)，可為類似工程施工提供一定參考。

1 工程概況

某鋼管拱大橋全長(zhǎng)1344.96m，其中主橋長(zhǎng)度640m，為120m＋400m＋120m 斜拉飛燕式鋼管混凝土拱橋，邊跨與主跨跨度比為0.3。設(shè)計(jì)荷載：城-A 荷載，人群4.0kN/m2；設(shè)計(jì)時(shí)速：60km/ 小時(shí)；設(shè)計(jì)通航水位39.29m，通航凈高10m。橋面布置按雙向四車(chē)道，橋面寬度27.0m。結(jié)構(gòu)是以拱結(jié)構(gòu)受力為主，輔以斜拉索受力的組合結(jié)構(gòu)體系。西岸引橋采用25m 先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁和45m 簡(jiǎn)支T 梁，東岸不設(shè)引橋。主橋?yàn)橹骺?00m 的斜拉飛燕式鋼管混凝土拱橋。

2 自密實(shí)微膨脹混凝土的配制

結(jié)合大橋的設(shè)計(jì)指標(biāo)及工程建設(shè)情況，確定了C50自密實(shí)微膨脹混凝土的配制指標(biāo)。由于該工程自密實(shí)微膨脹混凝土的施工采用泵送頂升的施工工藝，對(duì)混凝土的性能具體要求如下：

⑴混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，3d 抗壓強(qiáng)度不小于45MPa，28d 抗壓強(qiáng)度不小于60MPa；

⑵混凝土流動(dòng)性好、保水性好、粘聚性好，入泵坍落度＞220mm，滿足自密實(shí)性要求，6 小時(shí)混凝土坍落度損失＜20mm；

⑶硬化混凝土具有無(wú)收縮或微膨脹的性能，14d 混凝土限制膨脹率＞1.5×10-4。

2.1 混凝土原材料

基于當(dāng)?shù)卦牧险{(diào)研結(jié)果，并經(jīng)前期大量的混凝土配合比試驗(yàn)，選擇合適的原材料及混凝土配合比參數(shù)配制混凝土，使得配制的混凝土滿足設(shè)計(jì)和施工要求。其中，水泥為牛力牌P.O42.5 水泥，水泥的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥物理性能檢測(cè)結(jié)果

粉煤灰為某電廠的Ⅱ級(jí)F 類粉煤灰，粉煤灰的品質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)

膨脹劑為深圳某公司生產(chǎn)的陸基ZY 膨脹劑，膨脹劑的品質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 膨脹劑品質(zhì)指標(biāo)

混凝土粗骨料選用當(dāng)?shù)啬呈瘓?chǎng)生產(chǎn)的花崗巖碎石，骨料最大粒徑為25mm，連續(xù)級(jí)配，母巖抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1.5 倍的混凝土配制強(qiáng)度，無(wú)潛在堿活性危害，級(jí)配碎石的壓碎值為1%，表觀密度為2650kg/m3，吸水率為1.0%；細(xì)骨料選用湘江某沙場(chǎng)的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.64，Ⅱ區(qū)級(jí)配，表觀密度為2620kg/m3，含泥量為0.7%，小于0.315mm 篩的顆粒含量為11%，無(wú)潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。

減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水劑的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 減水劑品質(zhì)指標(biāo)

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及配制

2.2.1 膨脹劑摻量的選擇

由于本工程需要配制自密實(shí)微膨脹混凝土，膨脹劑摻量對(duì)硬化混凝土的限制膨脹率有較大影響，因此確定膨脹劑的合理?yè)搅渴顷P(guān)鍵。依據(jù)廠家的推薦摻量（8%～10%），固定膠凝材料總量、水膠比和砂率等配合比參數(shù)，測(cè)試了不同膨脹劑摻量下混凝土的限制膨脹率、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同膨脹劑摻量的混凝土性能測(cè)試結(jié)果

由表5 可知，膨脹劑摻量從8%提高至10%，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化不大，混凝土限制膨脹率增大，凝結(jié)時(shí)間縮短。值得一提的是，膨脹劑摻量從9%提高到10%時(shí)，混凝土的凝結(jié)時(shí)間大幅縮短，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別縮短了53min 和84min。且隨著膨脹劑摻量的增加混凝土的終凝與初凝時(shí)間差逐漸減小。因此，考慮到施工工序的時(shí)間安排等，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，膨脹劑摻量不應(yīng)超過(guò)9%。

2.2.2 C50 自密實(shí)微膨脹配合比的試配

頂升工藝對(duì)混凝土的性能要求：混凝土6h 坍落度損失小于20mm，初凝時(shí)間大于10h，3d 抗壓強(qiáng)度不低于45MPa。基于此，開(kāi)展了自密實(shí)混凝土微膨脹混凝土的配合比設(shè)計(jì)。保持膠凝材料總量不變，研究了水膠比和膨脹劑摻量對(duì)混凝土工作性能、體積穩(wěn)定性能和力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6 可見(jiàn)，隨著水膠比的提高，混凝土的出機(jī)坍落度、6h 坍落度和擴(kuò)展度均逐漸增大，混凝土限制膨脹率逐漸增大。但水膠比過(guò)大（如0.39）時(shí)，混凝土拌合物易產(chǎn)生泌水離析現(xiàn)象。如2#配合比，混凝土拌合物在放置5h 時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的泌水離析現(xiàn)象；由于膨脹劑需要在潮濕環(huán)境下才能更好地發(fā)揮其膨脹性能，因此摻膨脹劑的自密實(shí)混凝土應(yīng)采用合適的水膠比。

表6 鋼管拱混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮混凝土的工作性能、體積穩(wěn)定性能和力學(xué)性能，優(yōu)選了3#配合比作為施工配合比，并將其應(yīng)用于鋼管拱的施工，混凝土具體配合比見(jiàn)表7。

表7 鋼管拱C50 自密實(shí)微膨脹混凝土配合比（kg/m3）

3 鋼管拱C50 自密實(shí)微膨脹混凝土的應(yīng)用

3.1 自密實(shí)微膨脹混凝土頂升施工

因采用泵送施工工藝，混凝土需要通過(guò)泵管泵送到幾十米高的鋼管拱內(nèi)，若混凝土的粘聚性和流動(dòng)性不好，極易出現(xiàn)離析、堵管等問(wèn)題，阻礙施工的順利進(jìn)行。此外，因骨料與砂漿分離而導(dǎo)致混凝土致密性差、分層等現(xiàn)象，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，將會(huì)嚴(yán)重影響工程的質(zhì)量，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)在施工前、生產(chǎn)中和施工中全過(guò)程對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行控制。

施工準(zhǔn)備前期，需對(duì)每種原材料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)，并確保每批進(jìn)場(chǎng)原材料滿足規(guī)范要求；生產(chǎn)過(guò)程中，需嚴(yán)格監(jiān)控混凝土的出機(jī)工作性能，保證混凝土施工配合比的相對(duì)穩(wěn)定；施工的過(guò)程中，需時(shí)刻關(guān)注原材料的變化情況，及時(shí)調(diào)整配合比，保證混凝土性能的穩(wěn)定性；混凝土到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后需再次進(jìn)行檢驗(yàn)，確保各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求后，方可用于鋼管拱混凝土的施工。混凝土泵送頂升前，典型的混凝土工作性能見(jiàn)圖1。

圖1 澆筑前自密實(shí)混凝土的工作性能

隨著鋼管拱內(nèi)混凝土的不斷灌入，先澆筑的混凝土逐漸被后澆筑的混凝土慢慢頂推至導(dǎo)泵管口，當(dāng)導(dǎo)管口出現(xiàn)排出物時(shí)，說(shuō)明混凝土澆筑工作即將完成，此時(shí)排出的物質(zhì)為殘留在鋼管拱內(nèi)的水分及其它雜物。當(dāng)導(dǎo)管口出現(xiàn)連續(xù)均勻的混凝土?xí)r，表明鋼管拱內(nèi)已灌滿了混凝土，澆筑結(jié)束。該大橋12 根主弦管分9 次灌注完成，整個(gè)混凝土灌注過(guò)程連續(xù)順暢，沒(méi)有出現(xiàn)堵管情況。

3.2 鋼管混凝土超聲檢測(cè)結(jié)果

工程結(jié)束后，某工程檢測(cè)中心對(duì)鋼管拱混凝土質(zhì)量進(jìn)行超聲波檢測(cè)，12 根弦管共抽取1254 個(gè)斷面作為檢測(cè)樣本。檢測(cè)結(jié)果顯示，在1254 個(gè)斷面中，混凝土與鋼管內(nèi)壁最大脫空距離為3mm，共有3 處，均出現(xiàn)在拱頂；最小脫空距離為0mm，無(wú)脫空斷面共有1082 處。總脫空距離為309.93mm，平均脫空距離0.247mm，符合設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)結(jié)果表明，混凝土整體均勻密實(shí)，與管壁結(jié)合良好。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管拱橋的質(zhì)量關(guān)鍵在于鋼管拱自密實(shí)混凝土的質(zhì)量。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某鋼管拱大橋工程，研究了鋼管拱微膨脹自密實(shí)混凝土的配制技術(shù)，總結(jié)了鋼管拱自密實(shí)微膨脹混凝土的配制要點(diǎn)，設(shè)計(jì)出工作性能、體積穩(wěn)定性能和力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求的C50 鋼管拱微膨脹自密實(shí)混凝土，并將其應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某鋼管拱橋的施工。超聲檢測(cè)結(jié)果表明，混凝土全部斷面的完整性檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，鋼管內(nèi)混凝土粘結(jié)牢固，取得了良好的施工效果。