白鶴灘大橋鋼管混凝土配合比設計研究

黎　誠，管瑞萍，朱彩云，張　偉（.昆明冶金專科學校，云南　昆明　650033；.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南　昆明　65005）

白鶴灘大橋鋼管混凝土配合比設計研究

黎誠1，管瑞萍2，朱彩云2，張偉2
（1.昆明冶金專科學校，云南昆明650033；2.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051）

摘要：白鶴灘大橋位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，是金沙江下游干流河段梯級開發，設計中要考慮兼有防洪、攔沙、改善下游航運條件和發展庫區通航等綜合效益。鋼管橋砼配合比設計，應滿足橋梁承載力結構所要求各項力學性能，具有耐久性、工作及體積穩定性能好等特點。對鋼管拱橋承載力和力學性能不同砼填充料配合比設計，采用正交法配合比試驗方法確定混凝土材料組成來滿足工程項目要求。

關鍵詞：鋼管砼；配合比；正交設計研究

0　引　言

白鶴灘大橋的設計建設是國家在云南省巧家縣、四川省寧南縣建設白鶴灘水電站的通道。白鶴灘水電站的建設、開發將給庫區社會經濟發展帶來良好的契機，庫區交通、基礎設施建設等都將得到極大地改善，同時帶動相關產業發展，對當地社會經濟發展必將起到積極的帶動作用；工程的建設對促進西部開發，實現“西電東送”，促進西部資源和東部、中部經濟的優勢互補和西部地區經濟發展都具有深遠意義。白鶴灘大橋全長526 m，采用全新技術工藝施工，鋼管混凝土橋梁工程量大，結構技術復雜，為解決這一難題，設計師通過多次現場考查和多方案比較，采用鋼管混凝土拱橋，具有自重輕、耐強度大、抗變形能力強，節約材料，減輕構件重量，安裝技術及施工要求較為簡單方便，承載量大等特征。是大跨橋梁建設與施工較為理想的結構組合方式。但其要求所用混凝土強度和抗變形能力大，必須根據橋梁設計參數來設計混凝土配合比。

1　配比設計依據

依據橋梁承載力的設計要求，混凝土的設計強度為C55，做了6組18個試驗塊的等級強度試驗。立方體抗壓強度標準值系數值d，并按標準方法制作和養護到28 d齡期，采用國家規范標準（即《GB／T 50081－2002普通混凝土力學性能試驗方法標準》和《GB 50010－2010混凝土結構設計規范》）試驗方法測得的抗壓強度值小于標準值超過3%時，其強度等級表示為C55。砼設計配合比強度為C55，72 h強度要達到設計強度的79%。并且砼要有較好的泵送流動性及和易性良好等特點，砼補償收縮性自由膨脹率應控制在2.01%～0.05%，把自應力控制在0.59～1.4 MPa的參數之間。

2　試驗設計原理采用正交法

2.1正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。是一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法。日本著名的統計學家田口玄一將正交試驗選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。當作一個三因素三水平的試驗，按全面試驗要求，須進行33＝27種組合的試驗，且尚未考慮每一組合的重復數。若按L9（3＾3）正交表安排試驗，只需作9次，按L18（3＾7）正交表進行18次試驗，顯然大大減少了工作量。因而正交試驗設計在很多領域的研究中已經得到廣泛應用。

2.2砼配合比試驗正交法試驗設計

砼的性能指標在多因素影響下，很難找到隨外加材料性能的不同和摻量的改變而改變的規律。只有通過正交試驗，安排多因素影響因素去推理判斷，這種方法優點是從多種試驗條件中，選出有代表性的幾個因素推斷出它的規律性，從中獲得有價值的信息資料，然后對試驗結果進行統計分析，從而得到最優試驗方案。

該次砼試驗選用L9（3＾3）正交表安排試驗，只需作9次，按L18正交表進行18次試驗，主要解決兩方面問題：①鋼管內填砼增強與管壁的穩定性能；②砼與鋼管的咬合性，從正向壓力和側向壓力，其受壓狀態都符合國家規范的抗壓強度和應變力的設計要求。使砼與鋼管能夠充分體現出強度高、自重量輕、有良好的可塑性能和抗疲勞抗耐沖擊性能的特點。

3　材料選用

砼主要是由水泥、水、砂、粗骨料和礦物超細粉，減水劑和膨脹劑等原材料組成。材料在拌合中還要考慮其流動性和配比數量等因素的影響，所以在選用各種材料時，必須考慮到各類材料的物理性質和化學性質。各種材料的物理與化學性質分析如下：

（1）水泥，鋼管砼主要是選擇硅酸鹽水泥，而硅酸鹽水泥的性質取決于水泥礦物組成和顆粒級配，在試驗中我們對寧南縣白鶴灘水泥廠及開遠水泥廠生產的525水泥進行了試驗比較，2種水泥性質穩定，各項質量指示達到國家驗證標準，其水泥的化學成分，水泥物理性質及其礦物組成部分試驗結果表明也符合國家驗證標準，見表1。

表1　兩種水泥熟料的礦物組成Tab.1　Mineral composition of two cement clinkers

試驗表明2種水泥礦物組成有利于強度的形成。這2種普通硅酸鹽水泥可以滿足要求。

（2）碎石：碎石的種類很多，為了降低成本，考慮對大橋附近材料進行調查研究，從四川省的寧南縣與云南省的巧家縣白鶴灘電站附近20 km范圍普查，經過取樣試驗，從物理性質和化學性質上鑒別兩地玄武巖都滿足設計砼要求。碎石狀態及表面的光潔度，碎石壓碎值≤9.5%、其他形狀量2.5%，砼拌合質量及鋼管咬合力性能也滿足設計砼要求。鑒于上述調查分析選用了巧家縣當地的玄武巖破碎碎石作為骨料。砼配合比粗骨料級配組成，見表2。

表2　砼配合比粗骨料級配組成Tab.2　Concrete mixture ratio of coarse aggregate gradation composition

（3）石英砂：砂的含泥及含的雜質直接影響砼的質量和水的用量，同時也會影響砼拌合物的工作性能。所以選用的石英砂應該符合國家規定標準，顆粒形狀近似于球形級配良好的優質河砂或山砂。配制C55的砼時含泥量不應＞0.85，其他指標應滿足國家規范標準的要求。石英砂料的細度模數應控制在2.5以上，當石子級配較差時石英砂可以偏大些。實踐表明，砂子粗細模數為2.8～3.2時砼的抗壓強度高，工作性能好。所以嚴格控制石英砂中石子細度與含泥量是非常關鍵的環節。祥見砼各種材料配合比的成分要求表3及砼配合比砂級配組成見表4。

表3　砼各種材料配合比的成分要求Tab.3　Requirements on mixture ratio of various materials

混凝土等級　C50規定值　巧家砂有機質含量（用比色法試驗）顏色符合規范標準符合規范要求云母含量／%　＜1　含量符合要求輕物質含量／%　＜0.5　0.08

表4　砼配合比砂級配組成Tab.4　Concrete mixture ratio of sand gradation composition

（4）礦物摻合料：礦物摻合料是改善新拌砼的易和性及各項性能，降低砼成本以及提高硬化砼性能，耐久性能的重要因素。該試驗選用的摻合料主要是粉礦渣，電廠的粉煤灰，磨細硅灰及復合性物料。具體砼配合比的各種礦摻料的物化性質見表5及砼配合比的粉煤灰性能檢驗結果見表6。

表5　砼配合比的各種礦摻料的物化性質Tab.5　Physico－chemical properties of mineral mixtures

表6　砼配合比的粉煤灰性能檢驗結果表Tab.6　Fly ash performance test results

（5）外加劑：該試驗主要是根據砼的泵送與減水效果來滿足國家規范要求，達到砼的強度設計值。根據試驗值對比分析我們選用外加劑是SW—1減水劑，它不僅能滿足泵送要求，還能控制砼的塌落度值。具體情況見表7。

表7　SW－1型砼泵送劑物理性能檢測結果Tab.7　Physical performance test results of SW－1 concrete pumping aid

（6）膨脹劑：選用UEA－I膨脹劑，它是硫鋁酸熟料、石膏和明磯石共同粉磨制成的。摻UEA的砼膨脹率隨其摻量的增加而提高。在UEA－I摻量為9%～13%時，限制膨脹率為（3～6）×10－，相應的自應力值為0.3～0.78 MPa。摻UEA—I的砼，在水中養護13 d后置于相對濕度為49%的空氣中的干縮值比普通砼的低31%～40%。當UEA －I摻量增加到25%～30%時，可配制自應力砼。

4　砼塌落度控制

根據試驗結果砼塌落度控制在205～42 350 mm較合理，倒塌落時間控制在130～150 s，擴展度控制為700～5 470 mm，1.5 h塌落度宜控制在185 mm以上。實際工程砼的工作性能設計與配制和試驗配合比設計相同。

4.1試驗參數的確定

大橋主拱肋是主要承重結構，鋼管內的砼配合比設計除要求強度高、可泵性良好外，還須考慮砼的自密性和收縮性良好。試驗采用150 cm× 150 cm×150 cm 3種不同等級配合比試驗塊進行測試。砼各種影響因素等級見表8，砼設計試驗配合比見表9。

表8　砼各種影響因素等級Tab.8　Level of various influence factors

表9　砼試驗配合比Tab.9　Mixture ratio of concrete test

續表9

根據試驗中設計的等級表明，選用同等級正交表中的A9正交表，在正交表中對應位置安排好因素和等級，形成了配合比試驗計劃表，見表10。試驗中不允許隨意更改試驗計劃，對每組試驗均隨機進行，準確記錄試驗結果。

表10　砼　A9正交試驗方案及結果Tab.10　A9 orthogonal tests and results

4.2試驗結果統計分析

1）極差統計分析按正交試驗法結果，分別算出各相應水平的3次試驗結果之和及平均強度及極差R，計算結果見表10。

2）方差統計分析方差計算結果可知，對混砼拌合物塌落度的影響主要來自水灰比A和減水劑C，其次是粉煤灰B，并隨著他們摻量的增加塌落度也相應增大。對砼3 d強度的影響主要來自水灰比A，有一定影響，粉煤灰B和減水劑C影響不明顯。砼28 d的強度，水灰比A、粉煤灰B、減水劑C。因此，方差分析結果與直觀分析結果基本上一致。

4.3砼初始配合比的確定

通過上述對試驗結果的直觀分析和方差分析：砼的考核指標塌落度，從表8、9可以看出，2、3項都能滿足砼泵送要求；按設計要求和砼強度分析，取第2項較為合適，按水灰比設計要求取0.38較好；粉煤灰考核指標可從表8、9可以看出，1、2項都滿足設計要求；考慮到粉煤灰摻量太多，會影響砼的3 d強度，取1項，即粉煤灰摻量控制在水泥用量的15%較合理；減水劑指標考核：從表8、9和方差分析，隨減水劑的摻量不斷增加，砼的塌落度、3 d強度和28 d強度都隨著增長，所以減水劑3項，取2.58%較為理。依據上述分析，因此，最終方案確定為：W∶C∶SW∶RW∶砂∶碎石＝180∶450∶50 ∶15∶699∶935。

為了滿足鋼管拱橋砼的要求，還需對砼適當加入微膨脹劑以提高鋼管內部與砼有較高撓合度。經過試驗，選擇合適的膨脹劑摻量是及其重要的。

膨脹劑的添加量：配合比設計單向膨脹率為0.04%～0.11%，在確保和易性不變的情況下、水灰比不發生改變、減水劑摻量微有降低，但砼強度微有增加，通過添加膨脹劑（8%～12%），進行微膨脹硂的試配，試配結果表示膨脹率28 d控制在（2～6）×10－的膨脹值是合理的，符合設計要求。

5　結　語

工程技術改革與發展，要求建筑材料不斷革新。新型材料的出現能解決工程中的許多問題，如工程結構，工程受力。同時，對改善工程質量，提高工程建設效果等起重要作用。研究鋼管砼的有效配制，使其達到橋梁結構設計、橋梁承載力的基本要求，對工程建筑質量的提高起到決定性作用。

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中圖分類號：TU528.59

文獻標識碼：B

文章編號：1004－2660（2015）01－0049－06

收稿日期：2015－01－20.

作者簡介：黎誠（1956－），廣西人，副教授.主要研究方向：工程管理教學與應用.

Design Research on Mixture Ratio
of Concrete Filled Steel Tube of Baihetan Bridge

LI Cheng1，GUAN Rui－ping2，ZHU Cai－yun2，ZHANG Wei2
（1.Kunming Metallurgy College，Kunming 650033，China；2.Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd.，Kunming 650051，China）

Abstract：Baihetan Bridge，located in ningnan county of Sichuan province and Qiaojia county of Yunnan province，is cascade development in the main stream of Jinshajiang downstream.Comprehensive benefits of flood control，sand prevention，downstream shipping condition improvement and reservoir navigation development should be considered in design.The design of concrete mixture ratio should satisfy all mechanical properties required in the bearing capacity of bridge and also be characterized by durability and stability in operation and volume.In the design of concrete mixture ratio with different capacity and mechanical property，orthogonal method was used to determine the formation of concrete materials to satisfy the project.

Key words：concrete filled steel tube；mixture ratio；orthogonal design study