馬林大橋高墩施工采用雙摻技術(shù)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究

■胡元清

(三明市公路局明溪分局，三明 365000)

1 前言

福建省是一個(gè)多山地區(qū)，地形、地質(zhì)復(fù)雜，橋梁混凝土的施工受地形地貌限制，若采用吊筒運(yùn)送混凝土存在施工難度大、施工進(jìn)度慢等較多不利因素，怎樣解決橋梁高墩混凝土泵送施工技術(shù)和保證梁體混凝土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，這就成施工中需要攻克的技術(shù)難題。

2 工程概況

福建省三明長深高速公路連接線(快速通道)起于沙縣后底，終于梅列貴溪洋，路線長18.39km，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，按一級(jí)公路兼城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，工程預(yù)算25.1億元。其中馬林大橋位于三明市梅列區(qū)馬林道班附近，橫跨馬林與洋溪峽谷兩側(cè)山的頂峰，主橋采用42m+76m+42m=160m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆梁剛構(gòu)，橋長523.5m，橋?qū)?5.5m，主墩采用104m高的空心薄壁墩，墩身、現(xiàn)澆剛構(gòu)梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C50。

3 高揚(yáng)程泵送混凝土存在的質(zhì)量及安全隱患

由于山高坡陡，施工便道只能沿山體螺旋形修建，無大面積空曠地段，混凝土澆注只能用泵車從墩底往上泵送。由于混凝土從地面到橋面泵送揚(yáng)程超百米，混凝土與管壁的摩擦易造成混凝土中水分損失快、混凝土坍落度損失大、工作性能差不易振搗密實(shí)等質(zhì)量隱患；加之混凝土中水泥摻量多、水化熱高、泵送時(shí)混凝土骨料與泵管摩擦阻力大，易造成混凝土堵管及泵管爆管等現(xiàn)象；此外，高空疏通或更換泵管費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅存在安全隱患，還會(huì)造成梁體混凝土出現(xiàn)人為的施工冷縫，存在質(zhì)量隱患。

圖1 馬林大橋橋型圖

4 原材料的選定及技術(shù)指標(biāo)

選擇的原材料需滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)要求和馬林大橋特殊的施工條件，各種原材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～7所示：

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表3 碎石技術(shù)指標(biāo)

表4 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表6 減水劑技術(shù)指標(biāo)

表7 拌合用水技術(shù)指標(biāo)

5 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)的常規(guī)措施

混凝土配制強(qiáng)度按照下列公式計(jì)算：

式中，F(xiàn)cu,0——混凝土配制強(qiáng)度(MPa)；

Fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。這里取混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)值(MPa)；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

確定混凝土配制強(qiáng)度為59.8 MPa。

為了解決混凝土泵送問題，試驗(yàn)室從改良混凝土的可泵性入手，采取了以下措施：

5.1 調(diào)整砂率

規(guī)范規(guī)定的混凝土砂率示于表8。

對(duì)標(biāo)國外先進(jìn)技術(shù)，渤海裝備目前已先后完成中國石油集團(tuán)公司科研項(xiàng)目6項(xiàng)，專利申報(bào)26項(xiàng)，技術(shù)攻關(guān)48項(xiàng)，為產(chǎn)品升級(jí)換代、適應(yīng)用戶新的更高要求提前做好技術(shù)儲(chǔ)備。

表8 混凝土的砂率的規(guī)范規(guī)定(%)

混凝土配合比設(shè)計(jì)塌落度為180±20mm，按表8得出砂率為40%，砂的細(xì)度模數(shù)Max=2.83屬于中砂偏粗，并經(jīng)試配選定砂率調(diào)整為42%。

5.2 采用反擊破法生產(chǎn)的粗集料

采用反擊破碎石，粒徑為4.75～19mm的連續(xù)級(jí)配碎石，最大公稱粒徑19mm，減少了混凝土中粗骨料菱角對(duì)泵管的摩擦，泵管直徑為125mm,粗骨料的最大公稱粒徑與輸送管徑之比為1∶6.6。

5.3 采用高效減水劑

配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用了聚羧羧高效減水劑，增加了混凝土的流動(dòng)性。外加劑選定山西凱迪KDSP-1(標(biāo)準(zhǔn)型)聚羧羧高效減水劑，減水率為31%，摻量為膠凝材料的1%。

表9 粗骨料的最大公稱粒徑與輸送管徑之比

表10 外加劑性能指標(biāo)的規(guī)范要求

6 采用雙摻技術(shù)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

6.1 摻加粉煤灰、礦粉優(yōu)化配合比

配合比設(shè)計(jì)時(shí)引入了雙摻技術(shù)。考慮到馬林大橋的懸灌結(jié)構(gòu)受力狀況和預(yù)應(yīng)力張拉等因素，在配合比設(shè)計(jì)中采用雙摻技術(shù)，經(jīng)試配粉煤灰摻配比例為膠凝材料的8%，礦粉摻配比例為膠凝材料的17%，以改善混凝土的工作性能。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

單摻配合比與雙摻配合比性能比較見表12。表12只列出單摻、雙摻的C50基準(zhǔn)配合比進(jìn)行各項(xiàng)性能的比較結(jié)果。

表11 預(yù)應(yīng)力混凝土中礦物摻合料最大摻量的規(guī)范要求

表12 單摻、雙摻的C50配合比設(shè)計(jì)比較

7 雙摻技術(shù)的應(yīng)用

7.1 雙摻技術(shù)對(duì)混凝土可泵性的影響

影響混凝土可泵性的因素是多方面的，包括原材料比如碎石的粒徑、細(xì)骨料的級(jí)配、砂率、單位用水量、外加劑減水性能及水泥的摻量等。在保持前幾項(xiàng)材料基本一致的情況下，通過表中不難看出，采用雙摻技術(shù)比單摻混凝土坍落度損失、擴(kuò)展度損失明顯減小。這主要緣于在雙摻改良高性能配合比中，細(xì)骨料的顆粒比粗骨料細(xì)；水泥的顆粒比細(xì)骨料細(xì)，粉煤灰的顆粒比水泥細(xì)，礦粉的顆粒又比粉煤灰細(xì)，從而形成了配合比中粗骨料的空隙由細(xì)骨料去填充，細(xì)骨料的空隙由水泥去填充，水泥的空隙由粉煤灰去填充，粉煤灰的空隙由礦粉去填充循環(huán)現(xiàn)象，因而形成了密實(shí)性較高的高性能混凝土。它們之間在自由水與高性能外加劑的作用下起到連接，潤滑、滾動(dòng)及增加和易性的作用，減少了顆粒間的摩擦，從而改善混凝土和易性。另一方面摻入粉煤灰后可以提高混凝土流動(dòng)性，而礦粉有較好保坍性作用即減少了坍落度損失，從而提高了混凝土的泵送性能，減小了混凝土對(duì)管壁的摩擦系數(shù)。

表13 單摻、雙摻的C50配合比工作性能對(duì)比

表14 單摻、雙摻的C50混凝土可泵性對(duì)比

7.2 對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

通過基準(zhǔn)混凝土雙摻技術(shù)與單摻技術(shù)對(duì)比分析，7d基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度單摻混凝土比雙摻混凝土略高，但28d強(qiáng)度則相近，56d強(qiáng)度卻剛好相反，采用雙摻技術(shù)混凝土強(qiáng)度比單摻混凝土強(qiáng)度高出不少。雖然單摻混凝土7d基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度較高，但采用雙摻混凝土7d強(qiáng)度也可以滿足構(gòu)件的張拉強(qiáng)度要求，由于粉煤灰、礦粉均屬于活性材料，對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度提升不是很明顯，而對(duì)混凝土后期強(qiáng)度有明顯提升作用，不影響結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

表15 單摻、雙摻的C50配合比實(shí)測(cè)強(qiáng)度對(duì)比

7.3 混凝土凝結(jié)時(shí)間

不難看出，采用雙摻技術(shù)混凝土的凝結(jié)時(shí)間較單摻混凝土凝結(jié)時(shí)間有所延長。這是因?yàn)椴捎秒p摻技術(shù)，取代了大量水泥，降低混凝土中單位體積水泥用量，使得體系中水化產(chǎn)生的水化熱量下降，而粉煤灰和礦粉兩種摻合料均需要體系中提供較高濃度的Ca(OH)2進(jìn)行“二次水化”。因此，雙摻技術(shù)混凝土與單摻混凝土配合比有明顯延長凝結(jié)時(shí)間增加可泵性的效果。

表16 單摻、雙摻的C50配合比凝結(jié)時(shí)間對(duì)比

7.4 混凝土耐久性

混凝土耐久性用氯離子擴(kuò)散系數(shù)表示，用單摻混凝土和雙摻技術(shù)混凝土做比較，分析得出雙摻技術(shù)抗氯離子滲透好于基準(zhǔn)混凝土，提高了混凝土耐久性。其技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻合料和聚羧酸高效減水劑，配以與之相適應(yīng)的水泥和級(jí)配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，高密實(shí)、高耐久性的混凝土材料。

8 結(jié)束語

(1)通過雙摻技術(shù)用粉煤灰、礦粉復(fù)合配制方法，可以獲得坍落度適宜及強(qiáng)度符合要求和可泵性理想的混凝土。實(shí)踐證明，在有張拉要求的混凝土中適量引入雙摻技術(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于單摻混凝土。

(2)運(yùn)用粉煤灰、礦粉雙摻技術(shù)，有延緩混凝土凝結(jié)時(shí)間及減少混凝土坍落度損失的作用。

(3)通過粉煤灰、礦粉雙摻技術(shù)，能夠提供較好的后期強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際需要可以采用適宜的摻量來滿足施工、強(qiáng)度要求。本項(xiàng)目混凝土配合比粉煤灰和礦粉替代水泥總量為25%，其中粉煤灰等量取代8%、礦粉等量取代17%。

實(shí)踐證明，在混凝土中通過使用聚羧酸高性能減水劑，在混凝土中摻入粉煤灰、礦粉等摻合料，利用雙摻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩種摻合料在各種性能上的互補(bǔ)，提高混凝土工作性，降低水泥用量，從而降低水化熱，降低混凝土的溫升，延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間，推遲水化放熱峰值時(shí)間，減少溫度應(yīng)力所引起的裂縫，并提高混凝土的耐久性，提高混凝土的可泵性。

混凝土雙摻改良技術(shù)的運(yùn)用解決了馬林大橋百米高墩、大跨度懸灌梁、高性能混凝土的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、高溫施工、高揚(yáng)程泵送坍損等技術(shù)難題。