鋼管拱C80微膨脹自密實混凝土配合比設計研究

李友志

(廣西公路檢測有限公司,廣西 南寧 530024)

0 引言

鋼管混凝土勁性骨架結構拱橋具有剛度大、整體性強、穩定性高等優勢,已被廣泛應用[1]。而管內混凝土灌注質量直接影響著鋼管混凝土桁架結構受力性能[2],隨著橋梁跨徑增大,混凝土泵送和頂升距離增加,施工灌注堵管、不密實等風險加劇[3],這要求管內混凝土需具備較好的流動性、穩定性。然而管內混凝土常為高強度混凝土,較常規混凝土具有高膠材、低水膠比等特征[4],使混凝土固相濃度增加,減水劑用量增加,黏度大幅提高,流動性能降低,導致管內混凝土施工難度增加。此外高強度混凝土早期自收縮現象嚴重[5],導致管內混凝土脫空、脫粘的風險提高[6],混凝土與鋼管組合結構的整體性下降,協同受力效果降低。因此,需通過優化配合比、改進施工工藝等手段,確保管內混凝土灌注順利,提高工程質量。

綜上,本文以某勁性骨架混凝土特大拱橋為背景,對管內C80微膨脹自密實混凝土配合比設計展開研究,為同類型橋梁工程提供參考。

1 工程概況

該特大橋項目為某高速公路控制性工程,大橋全長2 488.55 m,主橋為上承式單跨600 m勁性骨架混凝土拱橋,矢高125 m,矢跨比f=1/4.8,拱橋上構為12×40 m預制T梁,兩岸拱座主墩設計為70 m T構連接主引橋。主橋拱圈為左右單獨拱肋箱室通過橫向連系隔墻形成整體,主拱圈鋼管拱直徑0.9 m,管內混凝土設計強度等級C80,總方量近3 500 m3,灌注采用真空輔助灌注工藝。

2 管內C80自密實混凝土配合比設計

2.1 性能指標設計

橋梁結構跨徑較大,承載力要求高,并且泵送距離遠,常規混凝土難以同時滿足強度與工作性能要求,因此管內混凝土設計為C80微膨脹自密實混凝土,各項性能指標設計如表1所示。

表1 C80微膨脹自密實混凝土性能指標設計表

2.2 原材料選擇

為改善C80自密實混凝土的工作性能,同時提高管內混凝土的強度和耐久性,試驗依據施工規范并結合工程經驗,對原材料進行優選,最終水泥選用魚峰P·O 52.5水泥,性能指標檢測結果如表2所示;粗集料為10～20 mm、5～10 mm輝綠巖碎石,性能指標如表3所示;細集料為0～5 mm精品機制砂,物理力學性能指標如表4所示;粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰,細度為22.2%,燒失量為1.32%,含水率為0.4%;硅粉燒失量為2.14%,含水率為1.8%;微珠燒失量為4.79%,含水率為0.2%;膨脹劑選用蘇博特HME?-Ⅱ高性能混凝土復合膨脹劑,細度為300 m2/kg,21 d空氣中限制膨脹率為0.035%,21 d水中限制膨脹率為0.069%;減水劑選用蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑,減水率為16%,性能指標如表5所示。

表2 P·O 52.5水泥性能指標檢測結果表

表4 石灰巖機制砂物理力學性能檢測結果表

表5 蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑性能指標表

2.3 配合比設計

根據《高強混凝土應用技術規程》(JGJ/T 281-2012)[7]和《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283-2012)[8]技術要求,采用絕對體積法進行C80微膨脹自密實混凝土配合比設計,步驟如下:

(1)根據填充性指標要求,確定1 m3混凝土中骨料的體積Vg及質量mg。

(2)計算砂漿體積Vm,根據砂漿中砂的體積分數,計算1 m3混凝土中骨料的體積Vs及質量ms,計算漿體體積Vp。

(3)計算膠凝材料表觀密度ρb,見式(1)。

(1)

式中:ρm——礦物摻合料的表觀密度(kg/m3);

ρc——水泥的表觀密度(kg/m3);

β——礦物摻合料與膠凝材料質量比(%)。

(4)計算配置強度fcu,0,見式(2);計算水膠比mw/mb,見式(3)。

fcu,0≥1.15fcu,k

(2)

(3)

式中:fcu,k——混凝土抗壓強度標準值(MPa);

fce——水泥28 d實測抗壓強度(MPa);

γ——礦物摻合料的膠凝系數。

(5)計算1 m3混凝土中膠凝材料的質量mb,見式(4)。

(4)

式中:Va——1 m3混凝土中引入空氣體積(L);

ρw——拌和水的表觀密度(kg/m3)。

(6)計算1 m3混凝土中水的質量mw;計算外加劑用量mca,見式(5)。

mca=mb·α

(5)

式中:α——外加劑占膠凝材料質量比(%)。

根據上述步驟計算混凝土中各材料摻量,對混凝土水膠比進行調整,研究不同水膠比對混凝土性能和強度且考慮到減水劑的減水效果影響。不同水膠比C80自密實混凝土配合比設計如下頁表6所示。

表6 C80微膨脹自密實混凝土配合比設計表

3 管內C80微膨脹自密實混凝土性能研究

3.1 自密實性能

拌和不同水膠比下C80自密實混凝土,并檢驗混凝土強度及工作性能。各水膠比混凝土工作性能試驗結果如下頁表7所示。

表7 不同水膠比C80微膨脹自密實混凝土工作性能對比表

由表7可知,水膠比對混凝土的工作性能影響較大,當水膠比為0.22時,混凝土擴展度低于650±50 mm的要求,混凝土漿體稠度較高,雖然混凝土粘聚性較好,但流動性較小,不利于遠程長時間泵送。當水膠比為0.26時,混凝土擴展度較大漿體稠度較低,粘聚性較差,出現輕微泌水;當水膠比0.24時,混凝土粘聚性、保水性、流動性較好,更利于長距離長時間泵送。通過U型箱檢測不同水膠比下混凝土自密實性能,在不設鋼筋柵的條件下,U型箱填充高度分別為11 mm、4 mm和2 mm,3種水膠比下混凝土自密實性能均較好,利于保證管內混凝土灌注密實度,提高鋼管混凝土結構的耐久性。

3.2 抗壓強度

通過抗壓強度試驗測得不同水膠比C80微膨脹自密實混凝土標準試塊7 d、28 d、60 d的抗壓強度,如圖1所示。

圖1 C80微膨脹自密實混凝土抗壓強度曲線圖

由圖1可知,3種水膠比狀態下C80自密實混凝土28 d強度均>80.0 MPa,60 d抗壓強度均>92.0 MPa,三種配合比下混凝土抗壓強度能夠滿足設計要求,但水膠比對混凝土7 d和28 d抗壓強度影響較大,隨著水膠比增大,其強度呈下降趨勢,在保證混凝土強度時,應優先考慮混凝土的和易性與自密實填充性。

3.3 限制膨脹率

鑒于大橋跨徑較大,施工泵送距離較遠,要求混凝土具備較好自密實性能和較高強度,綜上試驗結果確定最終水膠比為0.24。成型C80微膨脹自密實混凝土和普通混凝土試件,在溫度為20 ℃±2 ℃的水中養護14 d,測量第3 d、7 d和14 d的長度變化;14 d后移入溫度為20 ℃±2 ℃、濕度為60%±5%的養護箱中養護,測量第28 d、42 d、60 d、90 d的長度變化。膨脹率試驗結果如圖2所示。

圖2 兩種混凝土限制膨脹率試驗結果曲線圖

由圖2可知,水中養護14 d時,不摻膨脹劑的水泥混凝土試件產生了收縮,這是因為水泥水化反應產物小于反應物的總體積,在水中養護時,有足夠的水進行水化反應和填充凝膠孔與毛細孔,自身收縮較小,14 d后在濕度60%環境下養護,由于水泥水化反應和凝膠吸水,混凝土內部孔隙失水干燥,自身收縮較大,同時伴隨干縮溫縮,90 d限制膨脹率為-0.036%。而摻入膨脹劑組14 d、90 d限制膨脹率分別為0.028%、0.013%,較不摻膨脹劑混凝土分別提高了0.039%、0.049%,這是因為膨脹劑中方鎂石(MgO)水化生成水鎂石(Mg(OH)2),產生體積膨脹,有效補償了混凝土的收縮,同時,方鎂石的水化反應緩慢且持續,能有效實現分階段、全過程補償混凝土收縮產生的化學收縮、溫降收縮以及干燥收縮,有利于改善混凝土在拱肋弦管約束下的應力狀態,降低脫空脫粘風險,提高鋼管混凝土桁架結構的穩定性、耐久性。

4 施工質量控制及應用效果

管內混凝土施工采用真空輔助頂升灌注工藝,為保證管內混凝土強度和密實度,提升工程品質,采用以下質量控制手段:

(1)嚴格控制進場原材料的質量,專人檢查驗收,杜絕不合格材料進場。

(2)精選外觀圓潤的骨料,以減少混凝土灌注后產生的氣泡數量,在拱肋弦管頂部開設排氣孔,利于氣泡排出。

(3)按照配合比精準下料,嚴格控制攪拌時間,確保拌和質量;攪拌完成后,進行和易性檢測,運送過程中要求連續攪拌;泵送前,每車待料30 min,混凝土充分熟化,現場測定擴展度、T500等指標合格后進行泵送。

(4)通過敲擊法、超聲波無損檢測法檢查管內混凝土密實性,對存在缺陷的部位進行壓漿補強。

依序灌注8根主弦管,如圖3所示。達28 d齡期后,對C80管內混凝土進行超聲波無損檢測,檢測結果如表8所示。由表8可知,主弦管A3的波速最低為3 909 m/s,主弦管A2的波速最高為4 529 m/s,8根主弦管的波速均>3 900 m/s,表明管內混凝土灌注均勻性較好,密實度較高。

圖3 8根主弦管灌注示意圖

表8 C80管內混凝土超聲波無損檢測結果表

5 結語

(1)根據絕對體積法進行C80微膨脹自密實混凝土配合比設計,設計配合比為水泥∶粉煤灰∶硅粉∶膨脹劑∶微珠∶石∶砂∶水∶外加劑=413∶48∶36∶60∶42∶1 048∶759∶144∶14.38。

(2)摻入10%氧化鎂復合膨脹劑時,C80微膨脹自密實混凝土14 d、90 d限制膨脹率分別為0.028%、0.013%,較未摻膨脹劑的普通混凝土分別提高了0.039%和0.049%,能持續有效補償混凝土收縮,提高混凝土抗裂性。

(3)齡期為28 d時,超聲波無損檢測8根主弦管波速在3 900～4 600 m/s,管內C80微膨脹自密實混凝土灌注均勻性較好,密實度較高。