混合砂高拋自密實鋼管混凝土試驗研究與應用

王義恒，魏義福，陳超，景曉光，李莎

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 前言

在天然資源匱乏的時代，細砂、機制砂越來越多地被用于制備混凝土，湖北省西北地區天然細砂資源豐富，細度模數僅為 1.8～2.2，并不適合單獨使用制備自密實鋼管混凝土；對于機制砂來說，本身的級配不良問題將會嚴重影響機制砂混凝土的性能[1]，機制砂多為小廠生產，產品質量往往達不到規范要求的級配范圍，且含泥量、石粉含量均較高，單獨使用機制砂的混凝土往往出現出機坍落度小、坍落度損失大的情況[3-5]；但卵石破碎原狀機制砂用于配制強度等級 C30～C50 混凝土時石粉含量可突破現行國家標準 GB/T 14684—2011《建筑用砂》的限制[2]。鄂西北當地機制砂具有含泥量小、成本低、外加劑使用量少等特點，結合當地天然砂與機制砂的特點，將兩種砂混合使用制備混凝土，可達到改善混凝土拌合物性能、提高力學性能、節約資源的目的，取得良好的經濟及社會效益。

鋼管混凝土主要作用是把混凝土灌入鋼管中并搗實以加大鋼管的強度和剛度[6]。在鋼管混凝土施工過程中，由于鋼管內操作空間小、作業高度等因素影響，普通振搗難以實現，且無法采取壓注、頂升施工工藝時，高位拋落法（簡稱高拋法）成為一種選擇[7]。

在天然砂質量較差或匱乏地區，將混合砂應用于高拋自密實鋼管混凝土是綠色環保施工的熱點話題。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：湖北華新堡壘牌 P·O42.5 級水泥，主要性能指標如表1 所示。

（2）粒化高爐礦渣粉：湖北中和礦粉廠 S95 級礦粉，7d 活性指數 76%，28d 活性指數 101%，流動度比為 97%，比表面積 410m2/kg。

（3）粉煤灰：湖北華能電廠 Ⅱ 級粉煤灰，細度18.0%，需水量比 102%，燒失量 2.6%。

（4）細骨料：天然江砂與機制砂，物理性能指標如表2 所示。

（5）粗骨料：5～16mm 連續級配石灰巖碎石，物理性能指標如表3 所示。

（6）外加劑：西卡 3301C 型高效減水劑，砂漿減水率為 25.7%，密度 1040kg/m3，固含量 17.2%。

（7）膨脹劑：武漢三源公司生產的 CAD 型密實劑，主要性能指標如表4 所示。

（8）水：普通自來水。

表1 水泥主要性能指標

表2 細骨料主要性能指標

表3 粗骨料主要性能指標

表4 膨脹劑主要性能指標

1.2 試驗方法

（1）工作性能：通過改變混凝土用水量，以保證混凝土拌合物具有相同的坍落度。按 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》測定坍落擴展度及擴展時間 T500表征混凝土的流動性、填充性。

（2）力學性能：按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試，試樣尺寸為100mm×100mm×100mm 立方體，驗證混凝土 7d、28d 強度。

（3）收縮性能：根據混凝土工作性能及力學性能確定最優配合比，測定該配合比混凝土在封閉條件的自由膨脹率，按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行測試。試件尺寸為 100mm×100mm×515mm，試件成型 24h 小時后脫模，立即使用潮濕的棉布包裹三層，再使用塑料薄膜密封好，只露出銅釘；然后放入相對濕度為 (95±5)% 養護室中養護，使用千分表測定各齡期試件的變形值[8]。

（4）高拋試驗模擬：選擇最優配合比制備混凝土，模擬高拋試驗。在地面鋪上雨布，然后將新拌混凝土拌合物從樓頂（距地面高度約 10m）進行拋落，最后將拋落至雨布的混凝土進行收集，觀察混凝土狀態。模擬試驗如圖1 所示。

圖1 高拋模擬試驗

2 試驗結果及分析

2.1 最優配合比確定

設計不同天然砂與機制砂比例、不同水膠比及不同外加劑用量的強度等級為 C40 的混合砂高拋自密實鋼管混凝土，配合比如表5 所示。混凝土性能檢測結果見表6 和圖2、3。由表6 和圖2、3 可以發現，機制砂用量比例越高，混凝土 T500所用時間越長，最長達到 15s，當人工砂與天然砂的比例達到 2.3:1 時，混凝土的工作性能較好；擴展度受到外加劑用量的影響，當外加劑用量達到7.1kg/m3時，擴展度達到 650mm；砂率也影響混凝土的擴展度與 T500的檢測結果，最佳砂率為 0.46。水膠比與砂率均影響混合砂高拋自密實鋼管混凝土的抗壓強度，當水膠比為 0.37 和砂率為 0.46 時，混凝土抗壓強度最高。在滿足強度要求的條件下，以選擇最佳工作性能為原則，確定編號為 ZY-03 配合比的混凝土工作性能及力學性能表現最優，為最佳配合比。

表5 混凝土配合比

表6 混凝土性能檢測結果

圖2 混凝土工作性能

圖3 混凝土力學性能

2.2 收縮性能

使用編號為 ZY-03 的配合比進行封閉條件下的混凝土收縮試驗，結果如表7 所示。

表7 混合砂高拋自密實鋼管混凝土在封閉條件下的收縮率 (×10-4)

從表7 中的試驗結果可以發現，混凝土在 1d 至 7d發生了顯著的膨脹，而后膨脹的速度逐漸減慢，這種尺寸的變化一直到 60d 才有所停止。這說明混凝土能夠緊密地與鋼管內壁相結合，有利于提高鋼管混凝土整體結構的承載力與穩定性。

2.3 高拋試驗模擬結果

高拋試驗模擬效果如圖4 所示，可以發現，在經歷了近 10m 高度的拋落后，混凝土并沒有出現離析或泌水的情況，僅有少量粗骨料從混凝土分離，效果良好。

圖4 高拋試驗模擬效果圖

3 工程應用

3.1 工程概況

某地大型重點市政工程，部分主體的支撐柱為 28根鋼管混凝土結構，鋼管長為 15m，內徑為 1.2m，鋼管內部高度差為 13m，由于汽車泵軟管可深入鋼管內約3m，故混凝土實際拋落高度約為 10m，與高拋試驗模擬高度相同。鋼管混凝土設計強度等級為 C40。由于現場施工條件限制，只能采用高位拋落法澆筑混凝土，且無法進行振搗，故施工單位要求使用高拋自密實鋼管混凝土。

3.2 應用情況

使用編號為 ZY-03 的配合比生產混凝土，混凝土到達施工現場后取樣進行性能檢測，現場實測坍落擴展度為 670mm，T500試驗時間為 5s，完全滿足施工要求的自密實工作性能。

混凝土澆筑前確認鋼管內無雜物及雨水，采用汽車泵由鋼管頂部預留注漿孔澆筑，利用混凝土自由落體產生的動能來達到混凝土自密實的效果。首先在底層澆筑一定厚度同強度等級的砂漿，保證泵送同時避免了自由下落的混凝土粗骨料產生彈跳。每根鋼管分為兩次澆筑完成，第一次澆筑至鋼管長度約 1/2 處停止，間隔約 30分鐘，待混凝土自由沉降穩定后再次澆筑至略高于排水孔處為止。澆筑完成后，立即對注漿口進行遮擋，防止降雨或雜物落入。澆筑完成 1 周后使用超聲波檢測儀進行檢測，結果顯示內部混凝土無缺陷，鋼管內壁與混凝土之間無可見裂縫。

4 結論

（1）機制砂用量比例越高，混凝土 T500所用時間越長，人工砂與天然砂的比例為 2.3:1 時為最佳；砂率影響混凝土的坍落擴展度與 T500所用時間，最佳砂率為0.46。水膠比與砂率均影響混合砂高拋自密實鋼管混凝土的抗壓強度，當水膠比為 0.37、砂率為 0.46 且人工砂與天然砂的比例為 2.3:1 時，混凝土的工作性能與力學性能最佳。

（2）配制的強度等級為 C40 的混合砂高拋自密實鋼管混凝土具有良好的工作性能與力學性能，尺寸變形性能良好。經模擬試驗證明，混凝土從近 10m 的高空拋落后，仍然不離析不泌水。

（3）實際工程應用表明，使用效果良好，完全滿足設計及施工要求。

[1]馬洪坤．混合砂混凝土性能研究[D]．武漢理工大學，2013: 5．

[2]李鳳蘭，孫秋彥，朱倩．卵石破碎原狀機制砂石粉含量限值試驗研究[J]．長江科學院院報，2010(8): 66-69．

[3]王立華，陳理達，詹鎮峰，等．人工砂與河砂混凝土抗裂性性能比較研究[J]．中國農村水利水電，2013(8): 99-102．

[4]曹偉宏，蘇慶國，游漢柱．遠距離高泵程機制砂混凝土泵送施工技術[J]．鐵道標準設計，2000,20(11):16-19．

[5]黃勁，呂寅，張麗，等．不同細度模數人工砂應用于混凝土的性能研究[J]．商品混凝土，2015(5): 51-53．

[6]胡曙光，丁慶軍．鋼管混凝土[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[7]馬杰，丁慶軍，何永佳，等．C80 級高拋自密實鋼管混凝土的配制[J]．混凝土與水泥制品，2008(1): 31-33．

[8]丁慶軍，彭艷周，何永佳，等．巫山長江大橋鋼管混凝土配合比設計與施工[J]．混凝土，2006(10): 61-64.