馬林大橋高墩施工采用雙摻技術優化混凝土配合比設計的研究

■胡元清

(三明市公路局明溪分局，三明 365000)

1 前言

福建省是一個多山地區，地形、地質復雜，橋梁混凝土的施工受地形地貌限制，若采用吊筒運送混凝土存在施工難度大、施工進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和保證梁體混凝土的各項技術指標滿足設計及規范要求，這就成施工中需要攻克的技術難題。

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，設計時速80km/h，按一級公路兼城市快速路標準建設，工程預算25.1億元。其中馬林大橋位于三明市梅列區馬林道班附近，橫跨馬林與洋溪峽谷兩側山的頂峰，主橋采用42m+76m+42m=160m預應力混凝土連續現澆梁剛構，橋長523.5m，橋寬25.5m，主墩采用104m高的空心薄壁墩，墩身、現澆剛構梁混凝土設計強度均為C50。

3 高揚程泵送混凝土存在的質量及安全隱患

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等質量隱患；加之混凝土中水泥摻量多、水化熱高、泵送時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象；此外，高空疏通或更換泵管費時費力，不僅存在安全隱患，還會造成梁體混凝土出現人為的施工冷縫，存在質量隱患。

圖1 馬林大橋橋型圖

4 原材料的選定及技術指標

選擇的原材料需滿足規范、設計要求和馬林大橋特殊的施工條件，各種原材料試驗數據如表1～7所示：

表1 水泥技術指標

表2 細集料技術指標

表3 碎石技術指標

表4 粉煤灰技術指標

表5 礦粉技術指標

表6 減水劑技術指標

表7 拌合用水技術指標

5 優化混凝土配合比設計的常規措施

混凝土配制強度按照下列公式計算：

式中，Fcu,0——混凝土配制強度(MPa)；

Fcu,k——混凝土立方體抗壓強度標準值。這里取混凝土的設計強度等級值(MPa)；

σ——混凝土強度標準差(MPa)。

確定混凝土配制強度為59.8 MPa。

為了解決混凝土泵送問題，試驗室從改良混凝土的可泵性入手，采取了以下措施：

5.1 調整砂率

規范規定的混凝土砂率示于表8。

對標國外先進技術，渤海裝備目前已先后完成中國石油集團公司科研項目6項，專利申報26項，技術攻關48項，為產品升級換代、適應用戶新的更高要求提前做好技術儲備。

表8 混凝土的砂率的規范規定(%)

混凝土配合比設計塌落度為180±20mm，按表8得出砂率為40%，砂的細度模數Max=2.83屬于中砂偏粗，并經試配選定砂率調整為42%。

5.2 采用反擊破法生產的粗集料

采用反擊破碎石，粒徑為4.75～19mm的連續級配碎石，最大公稱粒徑19mm，減少了混凝土中粗骨料菱角對泵管的摩擦，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

配合比設計時采用了聚羧羧高效減水劑，增加了混凝土的流動性。外加劑選定山西凱迪KDSP-1(標準型)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 外加劑性能指標的規范要求

6 采用雙摻技術優化配合比設計

6.1 摻加粉煤灰、礦粉優化配合比

配合比設計時引入了雙摻技術。考慮到馬林大橋的懸灌結構受力狀況和預應力張拉等因素，在配合比設計中采用雙摻技術，經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 試驗結果分析

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基準配合比進行各項性能的比較結果。

表11 預應力混凝土中礦物摻合料最大摻量的規范要求

表12 單摻、雙摻的C50配合比設計比較

7 雙摻技術的應用

7.1 雙摻技術對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、細骨料的級配、砂率、單位用水量、外加劑減水性能及水泥的摻量等。在保持前幾項材料基本一致的情況下，通過表中不難看出，采用雙摻技術比單摻混凝土坍落度損失、擴展度損失明顯減小。這主要緣于在雙摻改良高性能配合比中，細骨料的顆粒比粗骨料細；水泥的顆粒比細骨料細，粉煤灰的顆粒比水泥細，礦粉的顆粒又比粉煤灰細，從而形成了配合比中粗骨料的空隙由細骨料去填充，細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現象，因而形成了密實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，減小了混凝土對管壁的摩擦系數。

表13 單摻、雙摻的C50配合比工作性能對比

表14 單摻、雙摻的C50混凝土可泵性對比

7.2 對混凝土強度的影響

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

表15 單摻、雙摻的C50配合比實測強度對比

7.3 混凝土凝結時間

不難看出，采用雙摻技術混凝土的凝結時間較單摻混凝土凝結時間有所延長。這是因為采用雙摻技術，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進行“二次水化”。因此，雙摻技術混凝土與單摻混凝土配合比有明顯延長凝結時間增加可泵性的效果。

表16 單摻、雙摻的C50配合比凝結時間對比

7.4 混凝土耐久性

混凝土耐久性用氯離子擴散系數表示，用單摻混凝土和雙摻技術混凝土做比較，分析得出雙摻技術抗氯離子滲透好于基準混凝土，提高了混凝土耐久性。其技術途徑是采用優質混凝土礦物摻合料和聚羧酸高效減水劑，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，高密實、高耐久性的混凝土材料。

8 結束語

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

(2)運用粉煤灰、礦粉雙摻技術，有延緩混凝土凝結時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，能夠提供較好的后期強度，根據實際需要可以采用適宜的摻量來滿足施工、強度要求。本項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，利用雙摻技術可以實現兩種摻合料在各種性能上的互補，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，延緩混凝土的凝結時間，推遲水化放熱峰值時間，減少溫度應力所引起的裂縫，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的運用解決了馬林大橋百米高墩、大跨度懸灌梁、高性能混凝土的遠距離運輸、高溫施工、高揚程泵送坍損等技術難題。