鋼管拱內注微膨脹混凝土配合比設計方法

王明耀

（中鐵三局三公司，山西 太原 030006）

鋼管拱橋結構受力合理，施工工藝復雜，結構外形美觀，能夠最大程度發揮材料的各項性能，而且在施工期間不會影響下部通行，在我國現代橋梁建設中廣受親睞。

1 鋼管混凝土的特性

鋼管拱內要求灌注微膨脹混凝土，該混凝土一般采用泵送頂升法施工。管內的泵送混凝土除了滿足強度要求外，應具有低氣泡、高流動性、微膨脹補償收縮、低水化熱、緩凝和早強等工作性能，同時為了滿足泵送要求，混凝土坍落度要大、和易性要好，且不泌水、不離析，保證鋼管混凝土符合設計施工的各項要求。

上面提到的混凝土中的諸多指標中，有些指標構成矛盾。比如坍落度高、和易性好，一般通過增大用水量來保證，但用水量增大以后，強度下降、易離析、混凝土收縮量加大。文獻《混凝土外加劑》中提到：摻膨脹劑的混凝土的膨脹值和自應力值隨著水泥用量的增加而增大，標準還規定水泥的最低用量為300 kg/m3，以保證膨脹率的最低限值；文章《配制高性能鋼管微膨脹混凝土應注意的幾個問題》中指出：混凝土中水泥用量過多會導致水化熱過大、混凝土收縮過大，以致產生裂縫及孔隙，并建議設計高性能鋼管微膨脹混凝土的水泥用量不宜過大。可見，配制高性能微膨脹混凝土的過程就是克服以上矛盾，使管內混凝土具有早期強度高、高流態、緩凝、自密實及可泵性好等性能，能夠同時滿足設計和施工的要求，其中又以鋼管混凝土的微應力控制最為關鍵。

鋼管內部混凝土質量對工程結構安全影響很大，稍有不慎，就會出現質量事故，造成泵送困難，出現內有空氣、不飽滿、混凝土和鋼管間有收縮空隙及承載能力下降等現象。

2 鋼管混凝土材料要求

2.1 水泥

選擇 525R早強型水泥。應對水泥的品種、細度、化學組成含量以及礦物組成進行嚴格的控制，控制C3S在40%～50%，C2S和C3S占水泥成分的70%～74%，C3A在5%～9%為宜。

2.2 細骨料

配置高性能微膨脹混凝土要求使用干凈的河砂。使用時必須考慮到砂中云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標值，4種指標對混凝土強度和對鋼管的腐蝕性影響都非常大。因此，要嚴格按高標準控制砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標值，選用細度模數2.6～3.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、機制砂、海砂，此類砂對混凝土的膨脹率影響非常大。

2.3 粗骨料

骨料的品質對高性能微膨脹混凝土有很大影響，主要體現在骨料—砂漿界面黏結強度、骨料彈性模量和骨料的強度。為提高混凝土的和易性，可以用碎石和卵石雙摻的方法，也可以增大砂率用碎石單獨作骨料。碎石要求無棱角，減少針片狀顆粒的含量。碎石和卵石的粒徑都控制在小于30 mm。粗骨料中的含泥量以及本身的強度和骨料的彈性模量，再配制時，須引起重視。

2.4 摻和料

混凝土中摻入粉煤灰可降低水化熱，改善和易性。這里主要指出要嚴格控制SO3的含量，控制在0.5%～1.5%。粉煤灰為Ⅰ級或磨細粉煤灰。

2.5 外加劑

配置高性能微膨脹混凝土選用的高效減水劑應具有緩凝作用或是高效減水劑與緩凝劑搭配使用，且是非引氣、低氣泡的減水劑。此類高效減水劑的質量應符合現行國家標準《混凝土外加劑》的規定。

2.6 膨脹劑

膨脹劑的性能要符合《中華人民共和國建材行業標準混凝土膨脹劑》中的各項指標。選擇膨脹劑時要多試驗幾個品種，膨脹劑應對混凝土后期強度及質量無損害，與所用水泥適應性好。主要膨脹劑有U型膨脹劑、復合膨脹劑及明礬石膨脹劑等。

3 鋼管混凝土配合比設計

在進行微膨脹混凝土配合比設計時，除應遵守普通混凝土關于原材料、配合比設計（普通混凝土配合比設計請參考有關資料）等方面的要求外，尚應針對微膨脹混凝土的特點，注意下列事項：

（1）微膨脹混凝土的需水量較大，所以拌和水應比相同坍落度的普通混凝土多10%～15%，但是增加水量會增大水灰比，使膨脹率減少，干縮增加，所以應在操作條件允許的前提下盡量減少用水量，或摻加減水劑以減少水的用量。

（2）減水劑能加快鈣釩石的生成，將會減少膨脹率。但在明礬石膨脹水泥混凝土中，摻加水泥質量0.5%的MF減水劑，可以降低水灰比10%，而且可以改善和易性，增加早期強度和稍增加限制膨脹率，所以是可以摻用的。

（3）普通混凝土的水灰比法同樣適用于微膨脹混凝土。我國常用的明礬石膨脹水泥混凝土，當水灰比為 0.52，水泥用量為350 kg/m3時，28 d抗壓強度大于30 MPa，后期強度還有較大增長，6個月的強度為28 d強度的150%，在限制條件下強度還能增加約10%。

（4）進行微膨脹混凝土的配合比設計時，可以采用試配法。即首先通過3～4個水灰比找出強度和水灰比的關系曲線，再根據要求的強度來選定水灰比；按選定的水泥用量來計算加水量，再根據選定的砂率（可略低于普通混凝土），來計算試配用的混凝土配合比。

進行試配時，要核對坍落度，并制作強度試件、自由膨脹率試件和限制膨脹率試件。當強度和膨脹率均符合設計要求時，再經過現場試拌進行調整，便可確定工程采用的配合比。

在進行膨脹混凝土配合比設計時，還應考慮膨脹效果的影響因素。一般來說，不論是補償收縮作用還是自應力作用，膨脹劑的膨脹效應都可以由膨脹能的大小表示。但是，膨脹能的測定及有效膨脹能的計算等重要問題迄今尚不能很好解決，因此，有必要了解影響膨脹效應各種因素。①膨脹能。膨脹能的大小與膨脹劑種類和細度有關；②水泥用量。摻膨脹劑的混凝土的膨脹值和自應力值隨著水泥用量的增加而增大，我國有關標準規定水泥用量不應低于300 kg/m3，以保證膨脹率的最低限值；③水灰比。水灰比對混凝土強度的影響很大，而摻膨脹劑混凝土的強度又與混凝土膨脹之間有著密切的關系。

4 鋼管微膨脹混凝土質量要求

最終配制完成的鋼管微膨脹混凝土在設計和現場施工中應同時滿足以下要求：管內混凝土不能出現斷縫、空洞；管內混凝土不能與管壁分離；管內混凝土的強度應比設計強度高10%～15%；新灌如入鋼管的混凝土，3 d內承載力不宜高于30%設計強度，7 d內承載力不得高于80%設計強度；一根鋼管混凝土的灌注完成時間，不超過第一盤入管混凝土的初凝時間；一根鋼管的混凝土必須連續灌注，一氣呵成。

5 結束語

基于以上討論，給出以下混凝土配合比設計要點：①水灰比要小于0.4，坍落度在12～18 cm之間，以16 cm最佳。②摻入減水劑，FDN最好，也可選用M型、YJ－2、UNF2型減水劑，摻量 0.9%～1.2%。③摻微膨脹劑，可選用鈣釩石、UEA等，摻量 10%～20%。④為了增加混凝土的和易性，降低水化熱，可以加入5%的一級粉煤灰。⑤加入緩凝劑延長初凝時間，初凝時間控制在12 h左右，終凝時間在14 h左右。⑥配料強度應大于1.1～1.15倍設計強度。