C50自密實補償收縮混凝土配合比在鋼管混凝土拱橋中的設計及優化

董向前　楊雄杰　張鵬勃

[摘要]本文綜述了自密實補償收縮混凝土的工作原理、配合比的設計以及在鋼管混凝土中的的優化，并以石門水庫特大橋為實例，利用當地原材料。綜合考慮粉煤灰摻量、水膠比微動、膨脹劑類型及摻量等方面因素進行對新拌C50自密實補償收縮混凝土的工作性及其強度、體積變形性能等方面進行了試驗研究。以便對以后類似工程項目提供借鑒和參考意義。

[關鍵詞]自密實補償收縮混凝土；混凝土配合比設計；配合比優化

前言

自密實混凝土（Self Compactmg Concrete簡稱SCC）是指混凝土拌合物具有高流動性、不離析、均勻性和穩定性，澆筑時依靠其自重流動，易于施工，無需振搗而達到密實的混凝土。為克服其自身的部分收縮，在自密實的基礎上加入定量膨脹劑使混凝土產生微膨脹效果，以達到對收縮的補償，繼而形成自密實補償收縮混凝土，使鋼管與混凝土得到良好的粘結，充分發揮“套箍作用”，很大程度上提高了鋼拱橋的承載能力及耐久性。但其設計方法和普通混凝土配合比設計有所不同，而且與運用于鋼管拱橋中的混凝土又有一些差異，所以有必要對其相關方法進行學習，并以石門水庫特大橋工程實例，進行混凝土配合比的設計和優化。

1.工程概況

石門水庫特大橋為該項目的重點、難點及控制性工程，該橋左、右線主橋均采用跨徑262m的中承式有推力鋼管混凝土拱橋結構，計算跨徑248m，主拱拱肋采用直徑95cm鋼管，全橋共32根主拱肋，該橋造型優美，型式獨特，在同類橋梁中具有“西北第一跨”的美譽。

2自密實補償收縮混凝土的工作機理

自密實混凝土具有高工作性、抗離析性、間隙通過性和填充性。按照流變學理論，新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為：τ=τ0+η×γ（t為剪切應力；τ0為屈服剪切應力；η為塑性粘度；γ為剪切速度）。其中τ0是阻礙塑性變形的最大應力，在τ≥τ0時混凝土產生流動；η是拌合物內部組織其流動的一種性能，其越小則在相同外力作用下流速越快，因此τ0和η是反應流動性的主要流變參數。自密實混凝土的配制就是通過各材料的比例組成使所得混凝土的屈服剪切應力τ0減小到適宜范圍同時又具有足夠的塑性粘度η，使集料懸浮于水泥漿中，不出現離析和泌水且能自動流平填充，形成密實且均勻的結構，對于混凝土本身會存在一定的收縮，所以通過加入一定量的膨脹劑來補償混凝土自身的收縮，形成自密實補償收縮混凝土。

3.配合比的設計

3.1設計要求

鋼管拱內灌注的自密實補償收縮混凝土配合比指標嚴格按照現行國標《鋼管混凝土拱橋技術規范》（GB50 23-2013）、《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T 283-2012）及設計文件要求進行設計。

設計強度等級為C50，施工工藝為泵送頂升壓注法施工，3d壓注下一根拱肋；體積穩定性能：密閉環境下混凝土自由膨脹率穩定收斂期應小于60d，其值應控制在（2.0～6.0）x10^-4；工作性能：滿足表1中設計要求，依據項目實際情況，6h內便能完成混凝土的泵送。

3.2所用原材料情況

水泥：漢中勉縣堯柏生產的P.0525。

骨料：采用漢臺區的天然砂，表觀密度：pa=26.38kg/m³，細度模數2.76，各指標均符合Ⅱ區中砂要求；碎石采用南鄭縣大龍石料廠的碎石，5-10mm和10-20mm摻配所得級配良好的5-20mm碎石，表觀密度pa=2812kg/m³，針片狀含量2.6%，壓碎值16.8%（注：試驗方法采用《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005）。

減水劑：山西佳維建材有限公司生產的JW-608型聚羧酸高性能減水劑，固含量20%，減水率27.5%，并經試驗其與水泥適應性良好，分散性好，塌落度損失小，泌水小，具有高耐久性并一定程度上補償收縮的性能。

粉煤灰：勉縣鼎益源建材實業有限公司生產的F類I級粉煤灰，細度4.2%，燒失量1.5%，需水量比82.4%。

膨脹劑：山西佳維建材有限公司生產的水化產物為硫鋁酸鈣一氧化鈣類的EAACⅡ型膨脹劑，其性能穩定，限制膨脹率水中7d為0.027%。

水：漢中褒河鎮麻坪寺村飲用水。

3.3C50自密實補償收縮混凝土基準配合比確定

（1）自密實混凝土配制強度（f_cup）應按照現行行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）的規定進行計算：f_cup=f_cuk+1645δ

式中：f_cuk-混凝土的強度設計等級值（MPa）；δ-混凝土強度標準差（MPa）；設計強度為C50，故取為6.0MPa

所以可得J_cup為59.9MPa。

（2）骨料質量的計算：

①每方混凝土中粗骨料的體積（Vg）可按表取0.35m³。

②依據骨料表觀密度與所占體積乘積得出每方混凝土中的粗骨料和細骨料的質量。

（3）水膠比（m_w/m_b）的確定：

式中：m_b-每方混凝土中膠材的質量（kg）；n_w-每方混凝土中水的質量（kg）；f_ce-水泥的28d實測抗壓強度^w（MPa）；γ-膠凝系數；β-質量分數（%）；

按照工程使用的原材料性能和耐久性要求及以往經驗，確定本次C50自密實補償收縮混凝土的水膠比為0.32。

（4）每方膠材的質量依據漿體體積、膠材表觀密度、水膠比等計算確定：

（5）依據水膠比及各膠材比例確定每方混凝土中用水量及粉煤灰、膨脹劑用量，并依據摻量確定外加劑用量：

代入參數到相關公式，綜上計算所得，初步基準配合比每方（kg/m³）用量為水泥：粉煤灰：膨脹劑：砂：碎石：水：減水劑=404：74：53：720：984：169：6.372。

經試拌，該拌合物稍有粘稠，略顯得粗骨料較少，且測得混凝土容重為2395kg/m³。因工程鋼管混凝土的灌注方式是有壓力的頂升壓注，再根據一般C50混凝土配合比要求并結合以往配制鋼管拱橋用自密實補償收縮混凝土的經驗，容重宜取2450kg/m³，故在控制水的用量、砂率、水膠比不變的條件下，微調膠材、砂、碎石用量，可得C50自密實補償收縮混凝土基準配合比每方（kg/m³）用量為水泥：粉煤灰：膨脹劑：砂：碎石：水：減水劑=400：75：53：736：1017：169：6336。

4.對C50自密實補償收縮混凝土配合比設計的優化

4.1粉煤灰摻量對C50自密實補償收縮混凝土性能的影響

保證單方混凝土中膠材用量不變時，調整粉煤灰摻量，不同取代量來研究膠材的組成對該混凝土性能的影響規律，具體配合比、工作性能、體積穩定性分別見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩定性匯總表4中的編號1#、2#、3#所示。

4.2水膠比對C50自密實補償收縮混凝土性能的影響

保證單方混凝土中用水量不變時，在2#配比基礎上增減0.02調整水膠比，研究水膠比對該混凝土性能的影響規律，具體配合比、工作性能、體積穩定性分別見見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩定勝匯總表4中的編號4#、5#所示。

4.3膨脹劑種類及摻量對C50自密實補償收縮混凝土.勝能的影響

保證膠材、水膠比、砂率不變時，研究膨脹劑類型及摻量對該混凝土性能的影響規律，具體配合比、工作性能、體積穩定性分別見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩定性匯總表4中的編號6#、7#、8#所示。

2.所用膨脹劑均為同一廠家生產的。

對上述配合比進行試拌，工作性能指標進行檢測，匯總結果如表3所示：

對混凝土的力學性能及體積穩定性的測定，匯總結果如表4所示：

對粉煤灰摻量對強度影響，以齡期為橫坐標，強度值為縱坐標進行繪圖如圖1所示：

綜合表3、4及圖1分析得到：粉煤灰摻量14%的1#配比中混凝土的工作性能、強度、含氣量及膨脹率均滿足設計要求，但1#配合比中混凝土3d抗壓強度低于40MPa，按照GB50923-2013《鋼管混凝土拱橋技術規范》規定“同一拱肋中下一條鋼管的管內混凝土澆注應在前一條鋼管的管內混凝土強度達到設計強度的80%后進行”，因此，1#配比影響施工進度；粉煤灰摻量8%的2#配比3d強度達到設計的886%，28d強度達到試配強度的106.5%，混凝土工作性能、力學性能和體積穩定性能均滿足設計要求；粉煤灰摻量5%的3#配比混凝土的力學性能、工作性能及膨脹性能雖滿足設計要求，但混凝土粘度大，坍落度損失大，不利于夏季施工，同時導致成本增加，也難以發揮粉煤灰的“滾珠效應”。因此，C50自密實補償收縮鋼管混凝土宜選用2#配合比的粉煤灰摻量適宜。

對水膠比對強度影響，以齡期為橫坐標，強度值為縱坐標進行繪圖如圖2所示：

綜合表3、4及圖2中所示，隨著水膠比增加，混凝土的坍落度、坍落擴展度增加，間隙通過性提高，抗離析性能降低，其中4#配合比混凝土的力學性能和膨脹性能雖能滿足設計要求，但其工作性能較差，坍落度損失較大，影響鋼管混凝土的頂升泵送施工；5#配合比塌落度較大，故而混凝土抗離析能力降低，合氣量較大，頂升泵送灌注施工時易在拱頂處的混凝土與鋼管壁之間形成氣膜，易導致拱頂處混凝土與鋼管壁脫空，且28d抗壓強度不能夠滿足試配要求。因此，宜選用2#配合比的水膠比0.32。

綜合表3、4中所示，同等摻量的2#和6#配合比，6#摻加EAACI型膨脹劑的混凝土在鋼管密閉環境下膨脹率較低，不能滿足鋼管密閉環境下56d自由膨脹率（2.0-6.0）x10^-4設計要求，而2#采用EAACⅡ型膨脹劑時，鋼管密閉環境下56d自由膨脹率達3.8×10^-4，且56d趨于穩定，滿足設計要求。因此，選擇EAACⅡ型膨脹劑。7#配合比摻量8%，混凝土的膨脹率較小，不能滿足設計要求；而8#配合比摻量12%，坍落度和擴展度損失增大，不利于夏季施工，且混凝土的3d抗壓強度略有降低，因此，C50自密實補償收縮鋼管混凝土宜選用EAACⅡ型膨脹劑，且摻量為10%，對混凝土能起到補償收縮的作用。

對2#配比混凝土凝結時間的測定初凝時間17.2h，終凝19.0h，符合設計要求。

5.C50自密實補償收縮混凝土配合比試驗結果

通過上述配合比優化設計，確定該鋼管拱橋內灌注C50自密實補償收縮混凝土配合比見下表所示：

6結語

我國幅員遼闊，各地材料性能有所不同，C50自密實補償收縮混凝土屬于高性能混凝土，對原材料要求又高，為確保配合比的適應性能，有必要在按規范進行設計提出基準配合比后，以實際為出發點，密切結合當地原材料進行多種試驗的對比，通過試驗的手段，得到可靠的數據，繼而整理、匯總、分析并進行對配合比進行各種優化，確保其以優良的品質服務于工程的生產。